Modeling and analysis of blast furnace drainage

Abstract

The blast furnace is the prevailing unit process for iron-making in the steelmaking process and the present growing global demand for steel leads to higher requirements set on the efficiency and productivity of the process. The lower part of the blast furnace, where iron and slag accumulate, the hearth, is key to the furnace performance both from short-term and long-term perspectives, so a monitoring of the hearth state is a critical task for a successful operation. However, it is difficult to provide a detailed description of the processes due to the complex dynamic phenomena that take place in the hearth, beside the extreme chemical and thermal conditions that prevent or at least strongly limit the access to direct measurements. As consequence, the hearth state is for the most part unknown.

The models presented in this thesis aim to shed some light on the hearth conditions and the drainage of iron and slag based on estimates of the production rates of iron and slag, measurements of the outflow rates of iron and slag, and other process measurements interpreted by mathematical models. Drainage data available at a large furnace with three tapholes was used in the analysis. The observed draining rates were filtered and systematically organized by a method based on principal component analysis, which revealed interesting outflow patterns and evolutions of these in time. On the basis of the results, some assumptions regarding the hearth state, primarily about the dead man and the taphole, were evaluated in two off-line models that were developed to estimate the iron and slag levels in the hearth. The approaches of these off-line models were a two-pool hearth with liquid outflows expressed by a parameterized expression inspired by measurements in the plant, and a single-pool hearth with a physical description of the conditions at and in the taphole.

To be able to provide a real-time view of the conditions, an on-line model of a multi-pool hearth system was developed based on inflow and outflow estimates continuously obtained from the plant to reconstruct the liquid levels.

The sensitivity of the models to changes in their parameters was studied and the results were appropriately compared with observations from the reference furnace. Fairly good correlations between the calculated and observed variables were found, gaining confidence in some of the assumptions made in the modeling. Particular focus was put on analyzing the role of coke permeability at the taphole and the taphole conditions. The fluctuations and drifting seen in the process data indicates a high level of complexity of the system at hand. Despite these challenges, the models developed are deemed to have a potential of being applied as tools to assess different hearth states and the system’s response to certain conditions. Furthermore, the on-line model can be applied to perform the crucial task of estimating and tracking the liquid levels in the hearth. Future work will be focused on extending and integrating some of the features of the models to yield a better description of the hearth state. Furthermore, an adaptation of the off-line models should be studied to track changing states of the blast furnace hearth.

----------

Masugnen är den dominerande enhetsprocessen för produktion av råjärn som används vid ståltillverkning. Ett ökande behov av stål i världen ställer idag allt högre krav på produktionsprocessernas effektivitet. Tillståndet hos masugnens under del, eller ställ, där järn och slagg samlas upp före de tappas ur ugnen, är av stor betydelse för ugnens prestanda samt livslängd och kräver därför en noggrann uppföljning under driften. Det är emellertid svårt att få en detaljerad bild av ställets förhållanden p.g.a. komplexa fördelningar och dynamiska fenomen som karakteriserar denna del av masugnen. Extremt höga temperaturer och fientliga omständigheter (slitage, kemisk attack, etc.) gör det nästan omöjligt att direkt uppmäta variabler i masugnsstället. Av denna orsak har ställets interna tillstånd länge varit obekant.

De matematiska modeller som presenteras i föreliggande avhandling har som mål att belysa vissa fenomen och tillstånd i masugnsstället, med speciell focus på ställets dränering av råjärn och slagg. För detta ändamål utnyttjades mätningar av utflödena i en referensmasugn, estimat av produktions-hastigheten av råjärn och slagg erhållna via materialbalanser samt några andra centrala mätningar. Tappningsdata från masugnens tre tapphål analyserades i avhandlingen och fungerade även som referens vid en jämförelse mellan beräknade och uppmätta förlopp då modellerna validerades.

I en data-baserad modell filtrerades först tappdata, varefter datamängden komprimerades genom huvudkomponentanalys (eng. principal component analysis, PCA). Metoden avslöjade intressanta mönster som utflödena uppvisade och hur dessa förändrades tidsmässigt. På basis av resultaten kunde man dra slutsatser om ställets funktion, primärt berörande tillståndet hos koksbädden (den ”döda mannen”) samt tapphålet.

Två off-line-modeller utvecklades även för att teoretiskt studera masugnens dränering och för att få en bättre förståelse för hur smältornas nivåer varierar i stället. Den ena modellen tillämpar en uppdelning av stället i två kommunicerande kärl och beskriver tappningarna med ett förenklat uttryck som anpassats till utflöden som observerats i driften. Den andra modellen, som inte beaktar nivåskillnader mellan olika delar av stället (förutom den lokala lutningen av fluidernas gränsytor vid tapphålet) baserar sig på strömningsmekaniska ekvationer för att beskriva förhållandena framför och i tapphålet. Modellerna utnyttjades för att få grundläggande förståelse för förloppen under och mellan ugnens tappningar.

Med avsikt att förse operatörerna med en realtidsbild av masugnsställets tillstånd utvecklades ytterligare en modell som automatiskt skattar järn- och slaggnivåerna i masugnsstället på basis av tillgängliga mätningar. Modellen, som beaktar möjliga nivåskillnader i olika delar av stället, korrigerar massbalanserna för järn och slagg genom att matcha fluidnivåerna vid givna punkter under tappcykeln.

Modellernas känslighet i avseende på värden hos modellparametrar undersöktes och deras resultat jämfördes med observationer som gjorts vid referensmasugnen. Man fann en relativt god överensstämmelse av resultaten vilket indikerar att modellerna i framtiden kunde användas för att få bättre insikt i masugnsställets komplexa funktion. Speciellt studerades hur koksbäddens permeabilitet vid tapphålen påverkade tappningarna. De stokastiska fluktuationer och den drift man observerade i processdata ger en indikation om det fysikaliska systemets komplexitet och utgör en utmaning vid tolkning av mätdata. On-line-modellen som framtogs kan dock ge en systematisk bild av hur smältornas nivåer i ugnen varierar, vilket möjliggör en bättre reglering av processen. Kommande arbete borde fokuseras på att integrera och tillämpa lovande delar av de olika modellerna för att förse personalen vid stålverket med en bättre bild av masugnsställets ögonblickliga tillstånd. För detta skulle även krävas att off-line-modellerna kunde anpassas till centrala observationer från driften.