TiO2 첨가에 의한 고로 노로 라이닝 보호

TiO2 첨가에 의한 고로 노로 라이닝 보호

고로(BF)의 캠페인 수명 연장은 큰 관심사입니다. BF 캠페인 연장의 필요성은 잘 알려져 있습니다. 캠페인 수명 개선은 단위 자본 비용을 낮추기 위해 높은 생산성을 유지하면서 달성되어야 합니다. BF 난로의 내화 라이닝은 가장 중요하며 BF 캠페인 수명에 큰 영향을 미칩니다. 실제로 BF 캠페인 수명을 제한하는 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 난로 내화물의 마모는 BF 캠페인 수명에 미치는 영향이 최대이기 때문에 BF 운영자에게 심각한 문제입니다.

난로는 화학적 공격, 탄소 벽돌의 용해, 슬래그 및 고온 금속(HM)의 흐름, 열 응력으로 인해 BF에서 가장 심하게 노출된 영역입니다. 가장 중요한 영역은 노 벽과 노의 바닥 사이의 전환 영역입니다. BF의 캠페인 수명은 일반적으로 노상 벽 내화물의 침식에 의해 결정됩니다. 라이닝의 적절한 디자인과 더불어, 노상 벽 침식을 최소화하는 것이 중요합니다. 따라서 생산을 중단하지 않고 난로 및 BF 벽의 수명을 연장할 수 있는 방법은 상당한 경제적, 기술적 관심을 갖고 있습니다.

BF 노상에 대한 연마 및 침식 효과는 (i) 높은 주변 온도, (ii) 액체 제련 제품의 지속적인 이동, (iii) 제품의 화학적 활성, (iv) 압력 및 화학 물질과 같은 다양한 조건으로 인한 것입니다. 가스로부터의 활동 및 (v) BF 노로로의 수분 유입. BF 노상 내화물의 마모에 대한 주요 이유는 (i) 높은 노 생산성, (ii) 긴 노 가동 중단 빈도(2일 이상), (iii) 노 수냉 시스템에서 누수 및 (iv) 충전재의 품질

(i) BF 생산성 감소, (ii) 석탄 주입 속도 감소, (iii) 스테이브와 탄소 블록 사이의 래밍 매스 그라우팅, (iv) 임시 막힘을 포함하여 BF 노로의 침식을 줄이기 위한 몇 가지 조치가 있습니다. 송풍구, (v) 벽의 냉각 속도 증가, (vi) TiO2(산화티타늄) 함유 물질의 추가. TiO2 함유 화합물을 첨가하여 BF 노상 라이닝 수명을 향상시키는 것이 가장 널리 사용되는 방법입니다. TiO2는 조기 침식으로부터 BF 난로 라이닝을 보호합니다.

로 상부를 통해 BF로 공급되는 가장 빈번하게 TiO2 함유 물질은 Ti의 천연 공급원인 일메나이트 광석입니다. 이 광석은 티타늄 자철광(Fe,Ti)3O4 또는 FeTiO3의 형태로 발생하며 일메나이트와 철 광물(자철광 및 부분적 적철광)의 기계적 혼합물입니다. 일메나이트의 전형적인 조성은 TiO2 – 33%, Fe2O3 – 36%, SiO2 – 25%, Al2O3 – 8%, MgO – 5%, 수분 – 6%입니다. 광석의 크기는 10mm에서 40mm 사이입니다. 상부의 부담과 함께 BF에 TiO2 함유 물질을 충전하는 또 다른 방법은 소결, 펠렛 또는 합성 TiO2 함유 물질을 통하는 것입니다.

난로의 마모 감소 및 손상 부위 수리를 위한 현재의 기술 관행은 화학적 및 열적으로 안정한 탄질화 티타늄 Ti(C,N)을 생성하는 일메나이트를 투입하는 것입니다. 이러한 화합물은 주로 손상된 지점에 축적되며 소위 '핫 리페어' 효과가 있습니다. 그림 1은 BF 노상에서 Ti(C,N)의 퇴적물을 보여줍니다.

그림 1 BF 노상에서 티타늄 탄질화물의 퇴적물

BF에 적절한 양의 티타늄(Ti) 베어링 재료를 사용하는 것이 노상 벽을 보호하는 효과적인 방법인 것으로 밝혀졌습니다. Ti 베어링 재료의 추가는 내화 벽돌에 '티타늄 베어'라고 불리는 보호 층의 형성을 촉진하는 것으로 믿어집니다. '티타늄 곰'은 TiO2가 공급물에 존재하는 경우 BF 노상 영역에서 형성될 수 있는 Ti의 탄화물, 질화물 및 탄질화물의 침전물입니다. Tab 1은 TiN 및 TiC 화합물의 몇 가지 중요한 특성을 보여줍니다.

Ti 베어링 재료를 추가하는 이러한 목적은 HM에서 온도 의존적 ​​용해도를 나타내는 고온 및 고내마모성 Ti(C,N) 화합물의 생성을 기반으로 합니다. 더 높은 열유속과 외부로의 열 손실로 인해 난로의 손상 부위의 경우와 같이 온도 감소로 인해 용해도 한계에 도달하면 각각의 Ti(C,N) 화합물이 석출됩니다. HM에서 나와 내화물의 더 심하게 손상된 영역에 퇴적되어 고유한 '핫 리페어 효과'가 나타납니다.

BF에 TiO2를 추가하기 위한 두 가지 일반적인 접근 방식은 (i) 예방적 접근 방식과 (ii) 개선적 접근 방식입니다. 개선 방법에서 TiO2는 BF 노상에서 Ti(C,N) 석출물의 보호층을 만들고 유지하기 위해 정기적으로 충전됩니다. 개선 접근법에서 노상 온도가 임계 수준 이상으로 증가할 때 비교적 많은 양의 TiO2가 충전됩니다. 노상 온도가 허용 가능한 수준으로 안정화될 때까지 이러한 많은 양의 추가가 유지됩니다. 탭 2는 이러한 두 가지 접근 방식 동안 BF에 TiO2를 추가하는 동안 일반적인 매개변수를 제공합니다.

TiO2의 화학 반응 메커니즘

일메나이트는 티탄산철(Fe,Ti)3O4 또는 FeTiO3로 구성된 천연 광석입니다. Ti(C,N) 화합물이 생성되기 전에 먼저 BF에서 에너지 공급(코크스 소비량 3kg/t ~ 10kg/일메나이트)을 통해 BF에서 FeO와 TiO2로 분해되어야 합니다.

BF에 TiO2 함유 화합물을 추가하는 경우의 세 가지 기본 기술 메커니즘은 (i) 열역학적 계산에 따르면 TiO2는 슬래그 TiO2 농도가 약 1.2%일 때 송풍구 수준에서 슬래그의 Ti(C,N)와 평형을 이루고 있음을 나타냅니다. (ii) 1.2 % 이상의 농도에서 TiO2는 환원되어 Ti(C,N)로 석출되며, (iii) 액체 슬래그의 점도 증가와 슬래그 내 최대 TiO2 수준 및 최대 Ti 농도로 인해 HM의 TiO2 수준은 각각 3%이고 HM의 최대 Ti 농도는 0.3%로 제어되어야 하며, (iv) Ti/TiO2 분배가 높을수록 HM의 Si 수준이 높을수록 유리합니다. 및 슬래그의 높은 염기도.

Ti(C,N) 증착 과정은 계면 반응입니다. Ti 소스의 효과적인 반응을 달성하려면 Ti 레벨이 슬래그/HM 금속 계면을 통해 상승해야 합니다. 따라서 가능한 한 빨리 다량 및 높은 비면적을 갖는 미세하게 분산된 Ti 액적을 생성하는 것이 유리하다. 미세하게 분산된 Ti 방울은 다량의 Ti(C,N) 형성에 특히 유리한 것으로 입증되었습니다. 난로의 C 블록에 있는 큰 Ti(C,N) 결정은 내화 재료 표면의 침투 유도 농도 때문일 수 있습니다. 이러한 축적으로 인해 결정 성장이 가속화되어 증착이 안정화됩니다.

BF에 충전된 Ti 함유 물질은 TiO2 + 2 C =Ti + 2 CO 방정식과 같이 직접 환원에 의해서만 환원됩니다. H =169773 Kcal/mol. 탄질화물의 형성은 확산 과정에 의해 제어되므로 더 많은 시간이 필요합니다. TiO2에서 환원된 Ti는 HM으로 침전되고 탄소 및 질소와 반응하여 Ti(C,N)을 형성하여 노상에 보호층을 형성합니다. 노상 라이닝의 침식된 영역에서 보호 층의 성공적인 형성은 주로 HM의 흐름 및 열 전달 및 이에 따른 노 작동 조건에 따라 달라집니다. 또한, 필요한 TiO2 함유 물질의 양은 보호층을 형성하기에 충분한 양이어야 하지만 동시에 초과량이 HM 및 슬래그의 후처리에 악영향을 미치므로 최소화해야 한다. 개발된 Ti(C,N) 마모의 형성 메커니즘은 다음과 같습니다.

금속 철은 TiO2를 Ti(C,N)으로 전환하는 촉매로 필요합니다. BF에 TiO2를 추가하면 슬래그 상에 용해되고 방정식 (i) TiO2 + C =Ti + CO2 및/또는 (ii) TiO2 + Si =Ti + SiO2. 이렇게 형성된 Ti는 HM에 즉시 용해됩니다(높은 용해도 때문에). 농축된 HM에 있는 Ti는 HM 흐름과 함께 노로의 손상된 영역으로 운반됩니다. 용해된 금속 Ti는 HM에 용해된 C 및 N과 반응하여 방정식 xTi + yC, zN  =TiN, TiC 및 Ti(C,N)에 따라 Ti(C,N) 화합물을 형성합니다. Ti(C,N) 화합물은 Ti(C,N) 용해도가 HM에서 낮은 경우 낮은 온도(높은 열유속 영역)의 위치에서 침전됩니다. 그림 2는 BF 노상에서 Ti(C,N) 보호층 형성 메커니즘의 시각화를 보여줍니다. 그리고 BF가 리라이닝을 위해 정지된 후 BF에서 가져온 난로의 Ti(C,N) 보호 층.

그림 2 TiO2에 의한 BF 난로 보호

BF 작업에서 [Ti] / [TiO2] 평형에 영향을 미치는 요인에는 (i) 노상 온도, (ii) 슬래그 염기도 및 (iii) HM의 실리콘 수준이 포함됩니다. Ti/TiO2 평형과 HM 실리콘이 다른 상태에서 온도와 TiO2 부하 사이의 일반적인 관계는 그림 3에 나와 있습니다.   융점이 2959℃인 Ti(C,N)은 노상 바닥과 벽에 침전됩니다. 시간이 지남에 따라 침전된 축적물은 난로 안감의 내면을 보호하고 BF 캠페인 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다. 이것은 날아간 BF의 도롱뇽에서 발견된 Ti(C,N)의 대규모 퇴적물에서 입증되었습니다.

그림 3 다양한 Ti/TiO2 평형 및 HM 실리콘 수준에서 노상 온도와 티타늄 부하 간의 관계

BF에서 TiO2를 충전하는 방법

TiO2 함유 화합물은 부하 물질과 함께 위에서 BF로 추가되거나 여러 송풍구를 통해 BF로 주입될 수 있습니다. TiO2 함유 물질이 상부로부터의 부담과 함께 충전되는 경우, 샤프트 전체 길이에 걸쳐 분포가 발생하여 결과적으로 반응 지연이 존재한다. 결과적으로 충전된 양이 실제로 필요한 것보다 많아 슬래그의 품질이 손상되고 샤프트에 이따금 침전됩니다(비활성 부하). 일반적으로 Ti는 BF의 단면 전체에 균일하게 분포됩니다. 그러나 Ti는 난로의 벽 영역에서만 필요합니다. 따라서 더 많은 투입량이 필요하며 이는 HM 및 슬래그의 품질에 부정적인 영향을 미칩니다. 충전 TiO2 베어링 재료의 증가로 인해 HM의 Ti 함량이 증가하면 슬래그에 더 많은 TiO2가 포함되며 이는 슬래그를 시멘트 생산에 첨가제로 사용하는 데 제한적인 요소가 될 수 있습니다.

TiO2 베어링 재료는 BF에 주입될 때 TiO2 합성 재료의 미립자 형태입니다. 이러한 TiO2 합성 물질의 미세 입자는 BF 노로 부근의 풍구를 통해 BF에 주입됩니다. 화로 구역 근처에서 직접 송풍구를 통해 미세 입자 TiO2 소스를 국부적으로 주입하는 것이 TiO2를 BF로 유입하는 보다 효과적인 방법입니다. 이 기술은 (i) 위험에 처한 내화물의 바로 근처에서 주입이 이루어지며, 이는 낮은 투입량으로 체계적으로 최상의 결과를 얻을 수 있음을 의미합니다. (ii) 지연 시간이 이전보다 더 짧습니다. 노벽에 '핫스팟'이 발생한 경우에도 수복작용이 일어나며, (iii) BF 샤프트에 TiO2 함유 물질이 축적되지 않고, (iv) TiO2 함유 물질이 반응 현장으로 직접 운반됨 송풍구 수준 및 노상에서, 샤프트 및 응집 구역에서 발생하는 반응에 관계없이 가스, 금속 및 슬래그 상의 상호 작용에 직접적으로 영향을 미칠 수 있는 경우, (v) 더 낮은 투입 속도 및 더 높은 효율 Ti(C, N) 화합물로의 전환은 슬래그의 TiO2 함량이 낮기 때문에 슬래그 품질이 개선되고 따라서 BF 과립 슬래그의 품질이 저하되지 않습니다.

TiO2의 합성 소스의 산업적 사용은 중요한 BF 노상 구역에 체계적으로 주입할 때 상당한 온도 감소를 나타냅니다. 재료의 정밀한 주입으로 '핫스팟' 발생 시 손상된 부위를 신속하게 수리할 수 있습니다. 그러나 합성 제품을 사용하려면 주입 시스템이 필요합니다. 이 시스템은 저장고, 압력 잠금 장치, 공급 용기, 배출 노즐이 있는 회전식 공급기, 최대 4개의 송풍구에 동시에 공급하기 위한 해당 치수의 운반 라인으로 구성됩니다. 배송속도는 분당 10kg~분당 60kg 정도입니다. 요구 사항과 필요에 따라 가장 적합한 송풍구를 선택하여 공급할 수 있습니다. 자동화 개념을 통해 보관함을 채우는 것을 제외하고 완전히 자동화된 작업이 가능합니다.