Stahl-Zentrum. Auswirkungen eines schlechten Kokses auf den Hochofenprozess

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1 Auswirkungen eines schlechten Kokses auf den Hochofenprozess 135. Vollsitzung des HO-Ausschusses gemeinsam mit dem Kokereiausschuss; Dr.-Ing. Alexandra Hirsch, Dr.-Ing. Urban Janhsen*, Rainer Klock ThyssenKrupp Steel Europe

2 Auswirkungen eines schlechten Kokses auf den Hochofenprozess Dr.-Ing. Alexandra Hirsch, Dr.-Ing. Urban Janhsen, Rainer Klock Inhalt Einleitung Betriebsversuch bei ThyssenKrupp Steel Europe, HO-Werk Schwelgern Prozessergebnisse, Versuchszeitraum und Referenzzeitraum Auswirkung der Einsatzstoffqualität auf den HO-Prozess Zusammenfassung 2 ThyssenKrupp Steel Europe

3 Einleitung Metallurgischer Koks Aufgaben und Eigenschaften Durchgasung Stützgerüst Drainage Erzeuger Reduktionsgas Energieträger Aufkohlungsmittel Alkalien Kornverteilung, Mittlerer Korndurchmesser MKD I 40, I 10 (Kaltfestigkeit) CRI / CSR (Heißfestigkeit) Heizwert Aschegehalt /- zusammensetzung 3 ThyssenKrupp Steel Europe

4 Betriebsversuch HO-Werk Schwelgern, TKSE Welchen Einfluss hat schlechter Koks auf den HO-Betrieb? Hintergrund: Langfristig wird eine Unterversorgung mit Premium Kokskohlen für die Kokserzeugung erwartet. Zwangsläufig müssen die Kokskohlenblends umgestellt werden. Dies kann, nicht nur temporär, zu schlechteren Koksqualitäten führen. Fragestellung: In welchem Ausmaß wird der Hochofenprozess durch den Einsatz von qualitativ schlechterem Koks beeinflusst? Betriebsversuche an den Hochöfen Schwelgern mit minderer Koksqualität. Versuchszeitraum ca. 8 Wochen! Erzeugung von schlechterem Koks in der Kokerei Pruna (KBS) durch die Erhöhung des Anteiles an inerten C-Trägern in der Einsatzkohlenmischung. Auswertung aller prozessrelevanten Daten Vergleich gegenüber einem repräsentativen Referenzzeitraum 4 ThyssenKrupp Steel Europe

5 Prozessergebnisse - Betriebsversuch Eingesetzte Rohstoffqualität Koks, Referenz- und Versuchszeitraum Asche ash [%] [%] CSR CSR [%] [%] I40 I40 [%] [%] MKD size n.tr. a.d. [mm] Referenzzeitraum Versuchszeitraum Mittelwert Mischbett ohne Übergangsphasen 5 ThyssenKrupp Steel Europe

6 Prozessergebnisse - Betriebsversuch Hochofen Prozessdaten, Referenz- und Versuchszeitraum Koks coke [kg/tre] HM] Sinter sinter [kg/tre] HM] Istproduktion actual production [t/d] [t] 450 Koks Coke PCI Sinter Istproduktion actual production Sollproduktion 9000 nominal production Referenzzeitraum Stückerz Lump Ore Pellets Versuchszeitraum PCI [kg/t PCI HM] [kg/tre] Stückerz lump ore / Pellets and [kg/tre] pellets[kg/t HM] Sollproduktion nominal production [t/d] [t] 6 ThyssenKrupp Steel Europe

7 Prozessergebnisse* Gichtgasparameter HO Schwelgern 2 Betriebsversuch bei ThyssenKrupp Steel Europe Temperatur temperature [ C] relative frequency relative Häufigkeit 0,5 0,4 0,3 0,2 0, C 1000 C Referenzzeitraum reference Versuchszeitraum test MW 49,7 % mean 49,7 % Max. max. 56,5 % 56,5 % Std.abw. dev. 2,0 % 2,0 % MW mean 48,7 % 48,7 % max. 57,8 % Max. 57,8 % dev. 2,3 % Std.abw. 2,3 % 0, eta CO [%] 800 C 600 C 400 C η CO [%] Referenzzeitraum reference Versuchszeitraum test relative frequency relative Häufigkeit 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 *statistische Auswertung aller Daten mit Origin 8.5 Schlechtere Gasausnutzung Höhere Schachtgastemperaturen bei unverändertem Schüttprofil Höherer Anfall an Gichtstaub- bzw. Gichtschlamm Referenzzeitraum reference Versuchszeitraum test Min. min. 7,7 kg/t HM 7,7 kg /t RE MW mean 13,2 kg/t HM 13,2 kg /t RE Max. max. 25,6 kg/t HM 25,6 kg/t RE Std.abw. dev. 4,2 kg/t HM 4,2 kg/t RE Min. 9,7 kg /t RE min. 9,7 kg/t HM MW mean 17,9 kg/t 17,9 HM kg /t RE Max. max. 68,2 kg/t 68,2 HM kg/t RE Std.abw. dev. 8,9 kg/t HM 8,9 kg/t RE 200 C DDS DDS Position position[-] 0, Gichtstaub und schlamm [kg/tre] dust and sludge [kg/t HM] 7 ThyssenKrupp Steel Europe

8 Prozessergebnisse Kühlverluste Oberofen HO Schwelgern 2 Betriebsversuch bei ThyssenKrupp Steel Europe 0,3 MW 52 MJ/m mean 52 MJ/m² h Std.abw. 12 MJ/m 0,2 dev 12 MJ/m² h K4 K4 MW mean MJ/m² h 0,1 Std.abw. dev 5 5 MJ/m² h 0, ,4 MW mean MJ/m² MJ/mh 0,3 K3 K3 Std.abw. dev MJ/m² h 0,2 MW mean MJ/m² h 0,1 Std.abw. dev 11 MJ/m² 11MJ/mh 0,0 K4 Reihe ,3 MW mean MJ/m² MJ/mh 0,2 K2 Std.abw. dev MJ/m² h K2 MW mean MJ/m² h 0,1 K3 Reihe Std.abw. dev MJ/m² MJ/mh 0, ,3 MW mean MJ/m² h K2 Reihe ,2 Std.abw. dev MJ/m² h K1 K1 MW mean MJ/m² h 0,1 dev 29 MJ/m² h K1 Reihe 3-10 Std.abw. 296 MJ/m 0, ,3 MW 27 MJ/m mean 27 MJ/m² mean 45 MJ/m² 0,2 KS MW 45 MJ/m KS staves 1-3 Std.abw. KS dev MJ/m² Std.abw. 9 dev 9 MJ/m² 0,1 0, heat load [MJ/m² h] rel. frequency rel. frequency rel. frequency rel. frequency rel. frequency rel. Häufigkeit Wärmeverlust [MJ/m ] deutliche Zunahme der Wärmebelastung im unteren Schacht (K1 K3) Verlagerung der Gasströmung zum Wandbereich Wärmebelastung K1 K3 Überschreiten der Rückkühlleistung Geringerer Wärmestrom im Stave Bereich. Ansatzbildung wird begünstigt. 8 ThyssenKrupp Steel Europe

9 relative frequency Häufigkeit Prozessergebnisse Wirbelzone Betriebsversuch bei ThyssenKrupp Steel Europe 0,20 Referenzzeitraum reference Versuchszeitraum test Anz. Blasformversagen pro Monat 0,15 0,10 0,05 MW mean MJ/m² Std.abw. dev MJ/m² h MW mean MJ/m² h Std.abw. 56 MJ/m dev 56 MJ/m² h KF 0, Wärmebelastung [MJ/m ] tuyere failures per month front Vorderkammer chamber 9,75 9,5 Durchschnitt average year heat load [MJ/m² h] rear Hinterkammer chamber 2,33 2,4 Referenz reference ,6 6,2 Versuch test Koksfraktion coke 0,5 0,6-6,3 6,3 mm mm [%] [%] Geringere Wärmeabfuhr im Bereich der Blasformen und Kühlplattenreihen 1+2 Anzahl Blasformversagen signifikant gestiegen Deutlich kürzere Wirbelzone test Versuch Referenz reference HO 1; Blasform 15 blast furnace Schwelgern 1, tuyere 15 Länge raceway Wirbelzone length 20 raceway Länge Ende raceway Wirbelzone end 1,06 1,06 m m Wirbelzone length Ende raceway Wirbelzone end 0,44 0,44 m m 10 Beginn dead men Toter beginn Mann 2,14 m Beginn dead men Toter beginn Mann 2,20 m 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Abstand distance von from Blasformspitze tuyere tip [m] [m] 9 ThyssenKrupp Steel Europe

10 relative rel. Häufigkeit frequency Prozessergebnisse Windparameter Betriebsversuch bei ThyssenKrupp Steel Europe blast Windmenge volume [Nm³/h] 3 0,4 0,3 0,2 0,1 reference Referenzzeitraum Versuchszeitraum test mean Nm³/h MW dev Nm³/h Std.abw. max Nm³/h Max. mean Nm³/h MW dev Nm³/h max Nm³/h Std.abw. Max Nm 3 / h Nm 3 / h Nm 3 / h Nm 3 / h Nm 3 / h Nm 3 / h Referenzzeitraum reference Versuchszeitraum test Schlechte bad furnace Windannahme condition Reduzierung reduced nominal der Soll-Windmenge blast volume d [dd ] Referenzzeitraum Versuchszeitraum MW Std.abw. Max. MW Std.abw. Max. 1,61 bar 0,12 bar 2,43 bar 1,60 bar 0,08 bar 2,08 bar 10 ThyssenKrupp Steel Europe rel. Häufigkeit 0,20 0,15 0,10 0,05 kritischer Bereich 0, ,00 blast Windmenge volume [Nm³/h] 3 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 Delta p [bar]

11 Prozessergebnisse Durchgasung Betriebsversuch bei ThyssenKrupp Steel Europe Durchrutschen [n] Durchbläser [n] Stauchvorgänge [n] Referenzzeitraum Versuchszeitraum ThyssenKrupp Steel Europe

12 Prozessergebnisse Roheisenqualität Betriebsversuch bei ThyssenKrupp Steel Europe hot Roheisentemperatur metal temperature [ C] [ C] Referenzzeitraum reference Versuchszeitraum test Stärker schwankende Roheisentemperaturen Stärker schwankende Roheisenanalysen Höhere S-Gehalte im Roheisen, verursacht durch zusätzlichen Schwefeleintrag über Koks relative rel. Häufigkeit frequency relative rel. Häufigkeit frequency 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 reference Referenzzeitraum Versuchszeitraum test MW mean 0,56 0,56 % Std.abw. dev 0,24 0,24 % MW mean 0,51 0,51 % Std.abw. dev 0,14 0,14 % 0,00 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 hot metal Si-Gehalt content Roheisen [%] [%] 1,2 1,4 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 Referenzzeitraum reference Versuchszeitraum test mean 0,045 % dev 0,030 % mean 0,027 % dev 0,008 % MW 0,045 % Std.abw. 0,030 % MW 0,027 % Std.abw. 0,008 % 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 S-Gehalt Roheisen [%] hot metal S content [%] 12 ThyssenKrupp Steel Europe

13 Prozessergebnisse Schlackenqualität Betriebsversuch bei ThyssenKrupp Steel Europe relative rel. Häufigkeit frequency 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 Referenzzeitraum reference Versuchszeitraum test mean 1,239 max 1,344 dev 0,063 mean 1,220 max 1,484 dev 0,045 0,00 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Schlackenbasizität B1 slag basicity B1 MW 1,239 Max. 1,344 Std.abw. 0,063 MW 1,220 Max. 1,484 Std.abw. 0,045 relative rel. Häufigkeit frequency 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 mean 1,389 max 1,645 dev 0,069 mean 1,380 max 1,520 dev 0,047 0,00 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 Schlackenbasizität B2 Referenzzeitraum reference Versuchszeitraum test MW 1,389 Max. 1,645 Std.abw. 0,069 MW 1,380 Max. 1,520 Std.abw. 0,047 größere Schwankungen in der Schlackenanalyse Trend zu höher viskosen Schlacken Deutliche Zunahme der Menge an schwarzem Sand : Referenzzeitraum 500 t Versuchszeitraum t slag basicity B2 13 ThyssenKrupp Steel Europe

14 Prozessergebnisse Schlackenzusammensetzung Betriebsversuch bei ThyssenKrupp Steel Europe Ungeplanter Stillstand am am HO2 Blasformschäden 10 Blasformen voll mit Schlacke Schlacken Basengrad B1 = 2,05-3,16 Massive Graphitausscheidungen auf der Schlackenoberfläche Schlacke (Krümmer) Endschlacke 14 ThyssenKrupp Steel Europe

15 Zusammenfassung Gute Koksqualität Schlechte Koksqualität Vermehrter Anfall an Gichtstaub und -schlamm Anstieg Schachtgastemperatur / verändertes Temperaturprofil Verminderte Gasausnutzung h CO Verschlechterung der Permeabilität Vermehrte Anzahl Durchrutschen und Durchbläser Gestiegene Wärmebelastung an den Ofenwänden Verlagerung der kohäsiven Zone Ansatzbildung im Kohlensack Kleinere, instabile Wirbelzone Winddruckschwankungen, schlechtere Windannahme Zunehmender Anteil an Koksfein in der Übergangszone (und im Toten Mann) Verschlechterung Drainage Schwankungen in der Roheisentemperatur, -analyse und Schlackenkonsistenz 15 ThyssenKrupp Steel Europe

16 Auswirkungen eines schlechten Kokses auf den Hochofenprozess Dr.-Ing. Alexandra Hirsch, Dr.-Ing. Urban Janhsen, Rainer Klock Danke für Ihre Aufmerksamkeit. 16 ThyssenKrupp Steel Europe