DE2934743C2 - Hochofenbetriebsverfahren - Google Patents

Description

und daß wenigstens eine der drei Einflußgrößen, der Wert für das Sauerstoffvolumen (X) im Wind, der Wert für das Verhältnis Erz/Koks (Y) und der Wert für die Reduzierbarkeit Z der Beschickungsstoffe,

ίο derart geregelt wird, daß die folgende Beziehung befriedigt wird:

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochofenbetriebsverfahren, bei dem aus einer Vielzahl von auf Veränderungen hinsichtlich der Wärmezufuhr und der Wärmeabgabe bzw. des Wärmeverbrauchs eines Hochofens einwirkenden Einflußgrößen als Regelgrößen das Sauerstoffvolumen im Wind, das Verhältnä Erz/Koks und die Reduzierbarkeit der Beschickungsstoffe gewählt werden. Werte dieser drei Einflußgroßen als Regelgrößen werden aus tatsächlich ermittelten Betriebskennwerten graphisch in ein Schaubild eingetragen, das drei parallele Achsen für die drei Einflußgroßen hat und das die Betriebsbedingungen des Hochofens hinsichtlich der Ofenwärme in Wechselbeziehung zu einem ausgewogenen Zustand der drei eingetragenen Einflußgrößen wiedergibt, so daß die Einflußgrößen derart geregelt werden können, daß die drei Einflußgroßen innerhalb eines vorgegebenen Bereiches für die Wärmebilanz des Ofens liegen.

Ersichtlich betrifft somit die Erfindung ein Hochofenbetriebsverfahren und insbesondere ein Verfahren, das ein stabiles Betreiben eines Hochofens gestattet, ohne daß der Ofen von dem vorgeschriebenen Betriebsbereich abweicht und sich Störfälle beim Betreiben des Hochofens ergeben, da nach der Erfindung die Wärmebilanz im Ofen schnell und zuverlässig geregelt werden kann.

Erze und Koks werden in Form von Lagen abwechselnd an der Gichtseite des Ofens eingebracht Luft mit hoher Temperatur wird über Blasformen bzw. Windformen eingeleitet, die am unteren Teil des Ofens liegen. Der Koks in der Nähe der Windform verbrennt durch die mit hoher Temperatur eingeleitete Luft, erzeugt Reduktionsgas (CO) und Wärme und steigt zur so Gichthöhe des Ofens auf. Die Beschickungsstoffe im Oberteil des Ofens kommen nach dem Gegenstromprinzip in Berührung mit dem- Reduktionsgas mit hoher Temperatur. Die Beschickungsstoffe sinken unter Ablauf eines Wärmeaustausches ab, und die Reduktionsreaktion läuft ab, bei der die Schmelze in Roheisen und Schlacke am Boden des Hochofens getrennt wird und sich in einem Herd desselben ansammelt

Die Reduktionsreaktion der Beschickungsstoffe läuft im Ofen nahezu in allen Ebenen ab und sie breitet sich in Höhenrichtung des Hochofens aus. Die Form der Reduktionsreaktion ist jedoch unterschiedlich wie zum Beispiel in einer Zone mit niederer Temperatur in einem höher gelegenen Teil des Ofens und einer tiefer liegenden Zone mit hoher Temperatur. In Abhängigkeit von diesen Zonen laufen die Reduktionsreaktionen unterschiedlich ab. Die Reaktionen unterscheiden sich hauDtsächlich hinsichtlich der für die Reaktionen benötigten Wärmemenge und der Menge eines Reduktionsmittels (Kohlenstoffzufuhr, wie zum Beispiel durch Koks). Insbesondere in einer Zone, die eine niedrigere Temperatur als etwa '000⁰C hat und im oberen Bereich des Hochofens Hegt, wird das Eisenoxid durch eine exotherme Reaktion nach folgender Gleichung reduziert:

FeO_x+n CO — Fe+χ CO₂+(n-*; CO

Diese Reaktion wird als sogenannte indirekte Reduktionsreaktion bezeichnet Zur Fortführung der Reaktion ist es notwendig, sehr große Mengen an CO-Gas zuzuführen, so daß CO₂, das sin Reaktionsprodukt ist, einen kleineren Wert als ein Wert hat, der dem Gleichgewichtszustand der Gleichung entspricht Üblicherweise muß η in der vorstehenden Gleichung (I) größer als 3 sein. Somit sind zur Reduktion von einem Mol FeO zu Fe mehr als 3 MoI eines Reduktionsmittels notwendig.

In der Zone mit hoher Temperatur bei einem tiefer liegenden Abschnitt des Ofens laufen die beiden Reaktionen nach den nachstehend genannten Gleichungen gleichzeitig ab:

FeO + CO -* Fe + CO₂
C + CO₂-2CO

Wie aus der folgenden Gleichung jedoch ergibt, machen die vorstehend genannten Reaktionen natürlich einen Ablauf erforderlich, bei dem durch Kohlenstoff in Feststofform eine direkte Reduktion möglich ist Diese Reaktion wird als sogenannte direkte Reduktionsreaktion bezeichnet und läuft nach folgender Gleichung ab:

FeO+ C^Fe+ CO

(IV)

Die Reduktionsreaktion des erschmolzenen FeO mit den¹ Kohlenstoff in Feststofform im unteren Teil des Ofens läuft ebenfalls nach der Gleichung (IV) ab. Die direkte Reduktiopereaktion verbraucht viol Wärme. Zur Fortführung der Reaktion ist es deshalb notwendig, Wärme in ausreichender Menge zuzuführen. Wenn jedoch die direkte Reduktionsreaktion Überhand nimm:, wird Brennstoff zur Feuerung in Mengen verbraucht, die größer sind, als die Mengen eines Reduktionsmittels, so daß der Brennstoffdurehsatz bzw. Brennstoffverbrauch zunimmt

Hinsichtlich ihres Wärmebedarfs sind die indirekte Reduktionsreaktion (I) und die direkte Reduktionsreaktion (IV) im Hochofen seht verschieden. Deshalb hat das Verhältnis der Anteile der beiden Reduktionsreaktionen (das nachstehend ais »direkter Reduktionsgrad« be-

zeichnet wird) einen starken Einfluß auf die Betriebsbedingungen des Hochofens, insbesondere auf die Ofenwärme, wodurch sich der Brennstoffverbrauch beträchtlich ändern kann. Der Brennstoffverbrauch ändert sich in Abhängigkeit von dem direkten s Reduktionsgrad. Wenn der direkte Reduktionsgrad auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird, wird die Summe des als Reduktionsmittel dienenden Kohlenstoffs und des als Wärmequelle dienenden Kohlenstoffs äußerst klein, so daß der Hochofen mit einem geringen Brennstoffverbrauch bzw. Brennstoffdurchsatz betrie ben werden kann.

Ein mit einem geringen Brennstoffverbrauch unter stabilen Betriebsbedingungen arbeitender Hochofen stellt einen Betriebszustand desselben dar, bei dem die im Ofen verbrauchte Wärme nicht zu groß oder die Wärmezufuhr nicht zu gering ist. so daß die Reduktion wirksam ablaufen kann. Die Stabilität des Betriebsverhaltens und der Brennstoffdurchsatz des Hochofens werden durch der; direkten Rcduküorr.grr.d br.-.v. dessen ;>o Anteil stark beeinflußt. Wenn der .Anteil der direkten Reduktion oder der direkte Reduktionsgrad zu klein ist, wird in dem Ofen zu viel Wärme erzeugt. Hierdurch werden die Betriebsbedingungen des Hochofens infolge der zu hohen Wärmemenge instabil und der Brennstoffdurchsatz wird hoch. Wenn hingegen der direkte Reduktionsgrad bzw. der Anteil der direkten Reduktionsreaktion zu groß ist, reicht die Ofenwärme nicht mehr aus. Dann werden die Betriebsbedingungen des Hochofens aus diesem Grunde instabil und man benötigt eine größere Brennstoffmenge zur Erzeugung der notwendigen Wärme, was eventuell einen größeren Brennstoffdufchsatz erforderlich macht.

Die zuvor beschriebenen instabilen Betriebsbedingungen des Hochofens bewirken nicht nur eine Zunahme des Brennstoffverbrauchs und eine Abnahme des Leistungswirkungsgrades des Hochofens, sondern beim häufigen Auftreten derartiger Störfälle, wie zum Beispiel beim Überhitzen oder einer zu geringen Wärmeversorgung, wird von Zeit zu Zeit eine Betriebsunterbrechung erforderlich. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, muß der direkte Reduktionsgrad im Ofen auf geeignete Weise derart geregelt werden, daß man eine gleichbleibende Wärmebilanz erhält, so daß die Ofenwärme nicht zu groß oder zu klein wird.

Um genau bestimmen zu können, ob die Wärme im Hochofen zu groß oder zu klein ist, muß die Wärmebilanz aufgestellt werden, in die alle in Betracht kommenden Einflußgrößen hinsichtlich der Wärmezufuhr und der Wärmeabgabe bzw. des Wärmeverbrauchs des Hochofens eingehen. Da diese Berechnung äußerst kompliziert ist, wird hierzu ein Großrechner verwendet. Wenn jedoch der direkte Reduktionsgrad extrem klein oder extrem groß ist, ist die Reaktion im Ofen instabil bzw. labil, wodurch eine genaue Aufstellung der Wärmebilanz äußerst schwierig wird. Die Betriebsabläufe im Ofen kommen deshalb häufig außer Reihe und führen zu ernsthaften Störungen, wie zum Beispiel das Überhitzen oder ein Mangel an Wärme. Bis die Betriebsbedingungen eines Hochofens alle geregelt werden können, wird noch viel Entwicklungszeit und -arbeit benotigt.

Der Erfindung üogt die Aufgabe zugrunde, unter Überwindung der zuvor beschriebenen Schwierigkeiten ein Hochofenbetriebsverfahren zu schaffen, bei dem die wichtigsten Einflußgrößen derart geregelt werden können, daß die Hochofenbetriebsbedingungen stabil bleiben und eine hohe Produktivität trotz eines möglichst sparsamen Brennstoffverbrauchs erzielt wird.

Diese Aufgabe wird rrfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs I gelöst. Aus allen in die Wärmebilanz des Hochofens hinsichtlich der Wärmezufuhr und der Wärmeabgabe bzw. des Verbrauchs eingehenden Einflußgrößen werden also drei Einflußgrößen als Regelgrößen ausgewählt. Diese Einflußgrößen sind die Reduzierbarkeit der Beschikkungserze, das Verhältnis der Erze zum in den Hochofen eingebrachten Koks und das Sauerstoffvolumen im Wind. Erfindungsgemäß ist das Verfahren derart ausgelegt, daß sich die Wärmebilanz im Ofen nach Maßgabe dieser drei Einflußgrößen genau ermitteln und bestimmen läßt, und daß sich diese Einflußgrößen in ihrer gegenseitigen Abhängigkeit zur Ermittlung des Betriebszustandes des Hochofens hinsichtlich ihrer Auswirkungen bewerten lassen.

Zur Überwindung der eingangs genannten Schwierigkeiten bei üblichen Hochöfen gibt die Erfindung ein Hochofenbetriebsverfahren an. das sehr praktikabel ist. um die Wärmebilanz des Ofens aufrechtzuerhalten, da sich die Betriebsbedingungen des Ofens schnell und zuverlässig bewerten lassen.

Weiterhin ermöglicht das Hochofenbetriebsverfahren nach der Erfindung, daß die auf Veränderungen der Ofenwärme Einfluß nehmenden Einflußgrößen konkret regelbar sind, um sicherzustellen, daß der Hochofenbetrieb ohne Störung. Unterbrechung und stabil ablaufen kann.

Vorzugsweise zeichnet sich das Hochofenbetriebsverfahren nach der Erfindung weiterhin dadurch aus. daß die Gleichung (2) nach Umformung wie folgt lautet:

ΘΛΘ, - tan

(3)

wobei mit a, (i= 1 oder 2) ein Koeffizient (Gradient bzw. Steigung) der Entwicklungsgleichung für X, V und Y, Z mit bj(i= 1 oder 2) eine Konstante der Entwicklungsgleichungen für X. Yund V. Z und mit e, (i= 1 oder 2) eine Konstante bezeichnet ist. die durch einen Abstand zwischen den Achsen (X-Y) und einem Abstand zwischen den Achsen (Y-Z) bestimmt ist.

Ferner zeichnet sich das erfindungsgemäße Hoch-Ofenbetriebsverfahren dadurch aus, daß die Abstände zwischen den jeweils drei parallel verlaufenden Achsen der graphischen Darstellung für die Eintragung der drei Einflüßgrößen gleich oder willkürlich gewählt sind, daß Mittelwerte der drei Einflußgrößen, die sich aus den während des tatsächlichen Betriebes eines üblichen Hochofens mit niedrigem Brennstoffdurchsatz erfaßten Betriebskennwerten ergeben, derart angeordnet werden, daß sie eine Bezugslinie auf den drei Achsen in derselben Höhe bilden, daß ein Verhältnis der Breiteiieinteilungseinheiten für die drei Achsen nach Maßgabe der Koeffizienten (Gradienten bzw. Steigungen) nachstehender Gleichungen bestimmt wird, die aus den tatsächlich erfaßten Betriebskennwerten abgeleitet

Κ« βιΧ + Öi

K = a₂Z+ bi

und daß die Abstände zwischen den Achsen unter Berücksichtigung einer Breiteneinteilungseinheit einer der drei Achsen bestimmt werden, wobei die Gleichung (4) &xt Entwicklungsgleichung für ((X, Y) und die Gleichung (5) eine Entwieklungsgleichung fürg(Y, Z^ist.

In Anspruch 4 ist eine Ausführungsform des erfindungseemäßen Hochofenbetriebsverfahrens angegeben, die sich dadurch auszeichnet, daß das Verhältnis der Breiteneinteilungseinheiten der Achsen X, Kund Z auf X: Y: Z = a\ : 1 : a₂ festgesetzt wird.

Zweckmäßigerweise ist das erfindungsgemäße Hochofenbetriebsverfahren derart ausgelegt, daß der Abstand zwischen der X-Achse und der K-Achse und der Abstand zwischen der K-Achse und der Z-Achse jeweils zwischen 03 und 1,0 liegt.

Vorzugsweise zeichnet sich ein Hechofenbetriebsverfahren nach der Erfindung dadurch aus, daß die X-Achse und die K-Achse auf der linken bzw. rechten Seite der K-Achse in einem gleichen Abstand angeordnet sind, daß das Verhältnis der Breiteneinteilungseinheiten der Achsen (X, Y, Z) nach der Beziehung X: Y:Z=a\ : 1 : a₂ bestimmt ist, und daß der Abstand zwischen der K-Achse und der Z-Achse das e-fache

ίο einer Länge beträgt, die einer Breiteneinteilungseinheit der K'Achse entspricht, wobei e eine Konstante ist, d. h. e= «ft = ei.

Weitere Maßnahmen bei dem erfindungsgemäßen Hochofenbetriebsverfahren zeichnen sich dadurch aus, daß das Verhältnis der Breiteneinteilungseinheiten der Achsen (X, K. Z) nach Maßgabe der Beziehung X: Y:Z= 1,25:1:0,063 bestimmt ist, und daß die Abstände zwischen den jeweiligen Achsen das 0,7fache einer Länge betragen, die einer Breiteneinteilungsein-

äu gewählt sind, daß Sie uää cV'äCuc und das cj-fächc 20 heu der

fHiiJtviiij(yi

einer Länge haben, die einer Breiteneinteilungseinheit der K-Achse entspricht, wobei mit ei (7= 1 oder 2) eine Konstante bezeichnet ist.

Das erfindungsgemäße Hochofenbetriebsverfahren zeichnet sich ferner dadurch aus, daß ei (i= 1 oder 2) Schließlich zeichnet sich das erfindung.sgemäße Hochofenbetriebsverfahren noch ferner dadurch aus, daß ein Wert θ_χ+θ, durch die folgende Beziehung bestimmt wird:

25

O,O63Z-K+O,371\ 0,7 /

und daß wenigstens eine der drei Einflußgrößen, der Wert für das Sauerstoffvolumen fA^im Wind, der Wert für GdS Verhältnis Erz/Koks (Y) und der Wert für die Reduzierbarkeit Z der Beschickungsstoffe, derart geregelt wird, daß die folgende Beziehung befriedigt wird:

-30°<θ,+θ₇<30°.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung an Beispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

F i g. 1 ein dreieckförmiges Diagramm, in dem drei Einflußgrößen, ein Wert für das Sauerstoffvolumen im Wind, ein Verhältniswert von Erz und Koks und ein Kennwert für den Reduktionsgrad bestimmt nach der japanischen Industrienorm, graphisch dargestellt sind,

F i g. 2 ein Schaubild zur Verdeutlichung eines Regelverfahrens, nach dem die drei Einflußgrößen, ein Wert für das Sauerstoffvolumen im Wind, ein Verhältniswerf von Erz und Koks und ein Wert für den Reduktionsgrad gemessen nach der japanischen Indu- so strienorm (JIS) bestimmt und eingestellt werden,

Fig.3 ein Schaubild von Ofenbetriebsbedingungen eines Hochofens mit ausgezeichneten Betriebskennwerten und eines Hochofens, bei dem ein Störfall aufgetreten ist, wobei diesem Schaubild eine Darstellung der drei Einflußgrößen bzw. Regelgrößen zugrunde liegt,

Fig.4 und 5 Diagramme zur Verdeutlichung der Betriebsbedingungen unter Zuhilfenahme der drei Einflußgrößen bzw. Regelgrößen,

F i g. 6 ein Schaubild zur Verdeutlichung der Auswirkungen von Verschiebungen dieser drei Einflußgrößen, basierend auf bei dem tatsächlichen Betrieb erfaßten Daten,

Fig.7 ein Schaubild für den Zusammenhang zwisehen θ und der Produktivität bzw. der Ausstoßleistung eines Hochofens, der mit einem beträchtlichen Anteil von Sinterstoffen beschickt wird,

Fig.8 ein Diagramm zur Verdeutlichung eines Zusammenhangs zwischen θ und dem Koksverhältniswert bzw. dem Kokssatz bei dem Hochofen nach F i g. 7,

Fig.9 ein Diagramm zur Verdeutlichung eines Zusammenhangs zwischen θ und einem direkten Reduktionsgrad, und

Fig. 10 ein Schaubild zur Verdeutlichung eines Zusammenhangs zwischen θ und der Laufdauer bzw. der Standzeit des Hochofens.

Die Erfindung gibt ein Hochofenbetriebsverfahren an, bei dem drei Einflußgrößen bzw. Regelgrößen, ein Wert für das Sauerstoffvolumen (X) im Wind, ein Wert für das Verhältnis (Y) von Erz und Koks und ein Wert für die Reduzierbarkeit bzw. das Reduktionsvermögen (Z) der Beschickungsstoffe bzw. des Möllers von allen Einflußgrößen im Vordergrund stehen, die Einfluß auf die Veränderungen der Wärmezufuhr und der Wärmeabgabe eines Hochofens haben. Die K-Achse, auf der die Verhältniswerte von Erz zu Koks aufgetragen sind, liegt in der Mitte. Links davon liegt die X-Achse, auf der die Werte des Sauerstoffvolumens im Wind aufgetragen sind und rechts davon eine Z-Achse, auf der die Werte der Reduzierbarkeit der Beschickungsstoffe aufgetragen sind. Die drei Achsen verlaufen parallel zueinander und bilden ein Diagramm zur Aufzeichnung von Werten der drei Einflußgrößen, die aus Betriebskenndaten beim tatsächlichen Betneb eines Hochofens ermittelt und in das Schaubild eingetragen werden. Ein Winkel θ wird zwischen zwei sich auf der Mittelachse, der K-Achse, schneidenden Geraden, die durch jeweils zwei auf den benachbarten Achsen liegenden Punkten bestimmt sind, eingeschlossen, wobei der Winkel θ als der unterhalb des Schnittpunktes mit der Mittelachse liegende Winkelbereich bezeichnet wird. Für diesen Winkel θ gilt folgende Beziehung:

θ = 180"+θ_χ+θ_ζ (1)

Wenigsten eine der drei Einflußgrößen wird nach Maßgabe folgender Beziehung geregelt:

θ_χ+θ, = tan-' f(X, Χ)+ tan"¹ g(Y,Z)
= tan

θ, und θ* bezeichnen bei den Gleichungen (1) bis (3) Winkel zwischen der X-Achse und der Z-Achse und einer Geraden, die rechtwinklig zu den drei Achsen verläuft und durch einen Punkt des Wertes Kgeht, wenn die drei Einfkiflgrößen beim tatsächlichen Betriebsablauf die Werte X, Y und Z haben. f(X, Y) ist eine Funktion von X und Y, die als eine Entwicklungsgleichung (Regressionsgleichung) von X. Y aufgrund von tatsächlichen Werten der Einflußgrößen bei einem üblichen tatsächlichen Betriebsablauf eines Hochofens mit niedrigem Brennstoffverbrauch bzw. Brennstoffdurchsatz und einem Abstand zwischen den Y- und Z-Achsen ermittelt sind. g(Y. Z^ stellt eine Funktion von Y und Z dar, die als eine Entwicklungsgleichung (Regressionsgleichung) von Y, Zaufgrund von tatsächlichen Daten eines tatsächlichen Betriebsablaufs eines an sich üblichen Hochofens mit niedrigem Brennstoffverbrauch und einem Abstand zwischen den Y- und Z-Achsen ermittelt wird.

a, (i= 1 oder 2) bezeichnet einen Koeffizienten (Gradienten bzw. Steigung) der Entwicklungsgleichungen von f(X, Y) und g(Y, Z).

b, (Y= 1 oder 2) bezeichnet eine Konstante der Entwicklungsgleichung von !(X, V^und g(Y₁ Z), und

ti (i= 1 oder 2) bezeichnet eine Konstante, die durch ίο einen Abstand zwischen den X- und V-Achsen und einem Abstand zwischen den Y- und Z-Achsen bestimmt 1st.

Das drei parallele Achsen für die drei Einflußgrößen umfassende Diagramm wird nach Maßgabe folgender Einzelheilen aufgestellt:

(i) Mittelwerte der drei Einflußgrößen, die aus den tatsächlichen Daten eines üblichen Betriebsablaufs eines Hochofens mit niedrigem Brennstoffverbrauch ermitteit werden, liegen in dem Diagramm derart, daß sie Bezugspunkte auf den drei Achsen in derselben Höhe bilden.

(ti) Ein Verhältnis der Breiteneinteilungseinheiten für

die drei Achsen wird aus den Koeffizienten (Gradienten bzw. Steigungen) nach Maßgabe der nachstehenden Entwicklungsgleichungen ermittelt, die von den zuvor angegebenen tatsächlichen Meßwerten abgeleitet sind:

(Entwicklungsgleichung bzw. Regressionsgleichung Γύτ f(X, Y)). Y = O₂Z-^b₂ (Entwicklungsgleichung bzw. Regressionsgleichung oder Ansatz Für g(Y. Z)) .

Beispielsweise wird das Verhältnis der Breiteneinteilungseinheiten für die Achsen X, Yund Z festgelegt mit X: Y: Z = a, : 1 : a₂.

(iii) Der Abstand zwischen der X-Achse und der V-Achse und der Abstand zwischen der K-Achse und der Z-Achse werden gleich groß gewählt oder können beliebig gewählt werden. Der Abstand zwischen den jeweiligen Achsen wird unter Berücksichtigung einer Breiteneinteilungseinheit irgendeiner der drei Achsen festgelegt. Beispielsweise werden die Abstände zwischen den jeweiligen Achsen auf ein bestimmtes Vielfaches der Länge festgelegt, die einer Breiteneinteilungseinheit der V-Achse entspricht.

Auf die wesentlichen Merkmale der Erfindung wird nachstehend näher eingegangen.

Zur Aufrechterhaltung der Wärmebilanz im Ofen müssen theoretisch alle Einflußgrößen berücksichtigt werden, die sich auf die Wärmezufuhr und die Wärmeabgabe auswirken. Die Wärmezufuhr schließt die Verbrennungswärme von Koks, den Wärmeinhalt des Windes, die Reaktionswärme der indirekten Reduktion und dergleichen ein, während die Wärmeabgabe den Wärmeinhalt des Gichtgases, die Reaktionswärme der direkten Reduktion, die Wärme des Roheisens und der Schlacke, den Wärmeverlust an der Ofenaußenfläche und dergleichen miterfaßt. Zur Vereinfachung werden bei der Erläuterung der Erfindung von allen Einflußgrößen bei der Wärmezufuhr nur die Verbrennungswärme des Kokses, die eine in großem Maße regelbare Variable darstellt, und als Wärmeabgabe nur die Reaktionswärme der direkten Reduktion erfaßt

Die Verbrennungswärme von Koks als Wärmezufuhr ist proportional abhängig von dem Steuerstoffvolumen im Wind und sie läßt sich durch das Sauerstoffvolumen im Wind pro Ofenvolumeneinheit pro Minute mit einer Dimension Nm³/min χ m³ ausdrucken. Dieser Wert ist kennzeichnend für die Verbrennungswärme des Kokses. Bei der Bestimmung des Ofenvolumens des Hochofens wird eine Zone erfaßt, die zwischen der Beschickungsebene und der unteren Ebene der Abstichöffnung liegt. Bei der nachstehenden Beschreibung wird die Verbrennungswärme des Kokses durch das Sauerstoffvolumen im Wind ersetzt, das sich aus den tatsächlichen Betriebskennwerten ermitteln läßt.

Als Wärmeabgabe wird ferner nur die Reaktionswärme der direkten Reduktion berücksichtigt. Die Temperaturschwankungen des Gichtgases und des Roheisens sowie der Schlacke haben vermutlich ihre Ursache in den Einflußgrößen, die einen Wärmeüberschuß im Ofen oder eine Wärmeunterversorgung des Ofens wiedergeben. Der Wärmeverlust von der Ofenaußenseite wird als eine Konstante angenommen, die sich in Abhängigkeit von der Größe des Ofens ändert. Wenn die anderen Einflußgrößen vernachlässigt werden, stellt nur noch die

Wärmeaufnahme der direkten Reduktionsreaktion eine stark variable Einflußgröße für die Wärmeabgabe dar. Die Zunahme oder Abnahme der Reaktionswärme der direkten Reduktion kann nicht direkt sondern nur indirekt dadurch geregelt werden, daß die Reaktionsge-

schwindigkeit der indirekten Reduktion geregelt wird. Dies bedeutet, daß die Reaktionswärme der direkten Reduktion durch die Reduzierbarkeit der Erze regelbar ist Die Reduzierbarkeit ist durch einen gewichteten Mittelwert des Reduktionsgrades nach der japanischen Industrienorm (JIS) gegeben, der durch die Mischungsverhältnisse der Erze bestimmt ist Nach der japanischen Industrienorm (JIS) ist der Reduktionsgrad auf einen abschließenden Reduktionsgrad bezogen, wenn 500 g einer Probe mit einer spezifischen Teilchengröße

mit einem Gasgemisch von 30% CO und 70% N₂ bei 900⁰C 180 Minuten lang reduziert wird. Dieser Wert ist kennzeichnend für den Umfang der indirekten Reduktionsreaktion im Ofen. Weiterhin ist der Reduktions-

grad durch eine relative Größe der Beschickungserze bzw. Gichterze bestimmt. Diese relative Größe ist durch das gewictmbezogene Verhältnis von Erz zu Koks gegeben.

Die vorstehenden Ausführungen sind Rückschlüsse, die von einer statistischen Analyse der tatsächlichen Betriebskennwerte des Hochofens abgeleitet sind. Der direkte Reduktionsgrad ist Gegenstand der Variablen und der gewichtete Mittelwert des JIS-Reduktionsgrades bestimmt durch die Mischungsverhältnisse der Erze (der nachstehend zur Vereinfachung nur als JIS-Reduktionsgrad bezeichnet wird) sowie das gewichtsbezogene Verhältnis von Erz und Koks (das nachstehend zur Vereinfachung nur als Erz/Koks bezeichnet wird) sind abbildbare Variable.

Ein die mehrfachen Wechselbeziehungen der Vielzahl von Entwicklungsansätzen befriedigender Koeffizient, basierend auf der gegenständlichen Variablen und den darstellbaren Variablen beläuft sich auf 0,883 (AbleitungS- bzw. BssiiiiiiViüiigskOcffiZicni beträgt 0,7S).

Hierdurch entsteht eine Zuordnung hohen Grades. Hierdurch wird deutlich, daß die Veränderungen bei dem direkten Reduktionsgrad stark von den Änderungen des Mittelwertes des JIS-Reduktionsgrades der Beschickungsstoffe und von den Veränderungen von Erz/Koks abhängig sind. Bei der Erfindung bedeuten Erze alle Stoffe, mit denen der Hochofen beschickt wird, wie zum Beispiel Pellets (saure Pellets mit einem Mittelwert des JIS-Reduktionsgrades von etwa 60% und selbstgehende Pellets mit einem Mittelwert des JIS-Reduktionsgrades von etwa 80 bis 90%), Sinterstoffe (mit einem Mittelwert für den Reduktionsgrad von etwa 55 bis 70%) und Stückerz (mit einem Mittelwert für den JIS-Reduktionsgrad von etwa 30 bis 70%).

Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daß drei Einflußgrößen Auswirkungen auf einen Überschuß oder einen Mangel an Ofenwärme haben oder die Wärmezufuhr oder die Wärmeabgabe stark beeinflussen. Diese drei Einflußgrößen sollten eingestellt und geregelt werden. Hierbei handelt es sich um das Sauerstoffvolumen im Wind (NnWmin χ m³), den JIS-Reduktionsgrad (%) und das Verhältnis Erz/Koks. Wenn diese drei Einflußgrößen in ausgewogener Wechselbeziehung zueinander stehen, lassen sich die Betriebsbedingungen des Ofens bzw. Hochofens stabilisieren. Wenn ferner irgendeine dieser drei Einflußgrößen von dem Gleichgewichtszustand bzw. dem ausgewogenen Verhältnis abweicht, sollten Gegenmaßnahmen getroffen werden, um eine der Einflußgrößen wieder in den ausgeglichenen Zustand zu bringen. Hierdurch kann vermieden werden, daß die Betriebsbedingungen des Ofens schon im voraus nicht durcheinander kommen. Diese drei Einflußgrößen und ihre gegenseitige Beeinflussungen wurden eingehend untersucht

Der Ausgleichszustand dieser drei Einflußgrößen wird üblicherweise m einem dreieckförmigen Diagramm dargestellt

Hierzu wurden die drei Einflußgrößen in ein dreieckförmiges Diagramm eingetragen, wobei die Betriebskennwerte während des tatsächlichen Betriebsablaufs der Hochöfen in ganz Japan berücksichtigt wurden. Die hierbei erhaltenen Ergebnisse sind in F i g. 1 gezeigt In F i g. 1 ist ein optimaler Wert durch die tatsächlich erfaßten Betriebsbedingungen von Hochofen-Großanlagen in Japan mit 100 bezeichnet Die tatsächlichen Werte sind mittels relativer Werte eingetragen und sie sind derart korrigiert, da3 die Summe der drei Einflußgrößen 100 beträgt, ir: Diagramm bedeuten die Punkte mit einem unausgefüllten Kreis »O« das jährlich gemittelte Ausgleichsverhältnis der drei Einflußgrößen bei ausgezeichnet und stabil arbeitenden Hochöfen, bei denen die monatlich gemiuelte Produktivität (Ausstoßmenge/Ofenvolumen, Tag) niemals unter 2,0 abgesunken ist. Ausgefüllte Kreise »·« bedeuten ein monatlich gemitteltes Ausgleichsverhältnis der drei Einflußgrößen einen Monat vor dem Störfall der Hochöfen, wenn die Entwicklung in Richtung eines Störfalles geht und die monatlich gemittelte Produktivität drastisch abnimmt. Wie sich aus dem Diagramm ergibt, liegt das ausgewogene Verhältnis dieser drei Einflußgrößen ^;nnerhalb einer relativ schmalen Zone, wenn die öfen unter ausgezeichneten Betriebsbedingungen arbeiten. Wenn die drei Einflußgrößen hingegen auf die Entwicklung eines Störfalles zeigen oder die Zuordnung verlorengeht, entstehen große Abweicnungen und es ist kein ausgewogenes Verhältnis bzw. kein Ausglsichsverhältnis mehr vorhanden. Auch streuen die Einflußgrößen dann in Richtung eines hohen JIS-Reduktionsgrades oder eines niedrigen Verhältniswertes von Erz/Koks.
Störungen des Gleichgewichtszustandes bzw. eines ausgewogenen Verhältnisses dieser drei Einflußgrößen oder auch das Vorliegen eines ausgewogenen Verhältnisses dieser drei Einflußgrößen läßt sich aus einem dreieckförmigen Diagramm ablesen, so daß sich ein bevorstehender Störfall des Ofens vorhersagen läßt. Bei dieser Vorgehensweise ist es jedoch unmöglich, gerade die zu regelnde Einflußgröße herauszufinden und auch die Beeinflussungsweise dieser Einflußgröße herauszufinden, um schon vorab den Störfall auszuschalten.
Deshalb wurden eingehende Untersuchungen dahingehend unternommen, wann dieses zuvor angegebene Ausgleichsverhältnis dieser drei Einflußgrößen für gute und nicht gute Arbeitsbedingungen des Ofens spezifisch ist. Hierfür wurde speziell ein Regelverfahren entwikkelt, mit dem praktisch die Wärmebilanz ständig konstant gehalten werder kann. Nähere Einzelheiten sind nachstehend angegeben. Zur Verdeutlichung des Ausgleichszustandes dieser drei Einflußgrößen wurde ein Regelverfahren entwickelt, das sich mit Hilfe des Diagramms in F i g. 2 erläutern läßt, das drei parallele

Achsen hat, deren Abstand jeweils gleich ist.

Bei dem Diagramm stellt die Achse auf der linken Seite ein Sauerstoffvolumen im Wind (pro Volumeneinheit des Ofens) dar. das eine Regelgröße ist, die unter Berücksichtigung der Verbrennungswärme der Kohle vor der Windform bzw. Blasform bestimmt ist und Veränderungen bei der Wärmezufuhr angibt Die in der Mitte liegende Achse und die auf der rechten Seite liegende Achse geben Größen an, die sich in Abhängigkeit von der Wärme der direkten Reduktions-

reaktion ändern und Einflußgrößen zur Veränderung der Wärmeabgabe bzw. des Wärmeverbrauchs darstellen. Die in der Mitte liegende Achse bezeichnet ein Verhältnis von Erz/Koks und die rechts liegende Achse einen Mittelwert des JIS-Reduktionsgrades der Beschikkungsstoffe, die sich aus der zuvor beschriebenen statistischen Analyse ergeben, wobei sich Veränderungen des direkten Reduktionsgrades hinreichend genau durch Veränderungen des Verhältnisses Erz/Koks und des Mittelwertes des JIS-Reduktionsgrades ausdrucken lassen. Nach entsprechender Wahl der drei Achsen lassen sich die meisten Veränderungen bei der Wärmezufuhr und der Wärmeabgabe bzw. des Wärmeverbrauchs des Hochofens mit Hilfe der drei Einflußgrö-

tftp-——~

Ben bzw, Regelgrößen darstellen. Wenn die aus den Betriebskenndaten ermittelten Werte auf den drei Achsen aufgetragen und durch Geraden verbunden werden, bildet sich eine Knicklinie, deren Knick auf der in der Mitte liegenden Achse nach unten weist und deren sie bildende Geradenstücke unter einem Winkel θ zusammenlaufen. Der Winkel θ stellt ein Gleichgewichtsverhältnis bzw. Ausgleichsverhältnis der drei Einflußgrößen dar und bezeichnet den Umstand, daß die Wärmezufuhr und die Wärmeabgabe im ausgewogenen I ο Verhältnis zueinander stehen. Um die Betriebsbedingungen der Ofen wärme in Abhängigkeit von dem Winkel θ bewerten zu können, muß ein geeigneter Größenordnungsbereich für den Winkel θ gefunden werden, innerhalb dem die Ofenwärme bei Annahme guter Betriebsbedingungen liegen soll.

Nachstehend wird angegeben, auf welche Weise ausgehend von den ermittelten Kenndaten der Betriebsbedingungen des Hochofens ein geeigneter Größenordnungsbereich für den Winkel θ bestimmt wird. Bei den folgenden Ausführungen wird das Sauerstoffvolumen inr Wind mit X der Verhältniswert Erz/Koks mit Vund der JIS-Reduktionsgrad mit Zbezeichnet

Von den in Japan von 1970 bis 1977 ermittelten Betriebskennwerten von Hochofen-Großanlagen wurden die basten zehn Hochöfen ausgewählt die in jährlich gemittelten Werten ausgedrückt ein niedriges Koksverhältnis haben. Bei diesen ausgewählten Hochöfen wurden die Wechselbeziehungen zwischen dem öauerstoffvolumen im Wind (XJ und dem Verhältnis (Y) von Erz/Koks und dem gemittelten JIS-Reduktionsgrad (Z) der Beschickungsstoffe (und dem Verhältnis (Y) von Erz/Koks) eingehend untersucht Hierbei ergaben sich folgende Tendenzen anzeigende Linien, die auch als Entwicklungslinien bezeichnet werden. Für den Zusammenhang von X (Sauerstoffvolumen im Wind) und Y (Verhältnis Erz/Koks) ergab sich:

Y = a\X+ öi = 125X+ 3,57 (4)

Für den Zusammenhang von Z(JIS-Reduktionsgrad) und Y (Verhältnis Erz/Koks) ergab sich folgende Beziehung:

Y = a_tZ+ bi=0.063Z+ 0,371 (5)

Andererseits belaufen sich die Mittelwerte des « Sauerstoffvolumens im Wind (X), des Verhältnisses von Erz/Koks (Y) und des JIS-Reduktionsgrades (Z) dieser zehn Hochöfen auf 039 (NmVmin χ m*), 4.05 und 58,4%. Diese Mittelwerte werden auf einer gemeinsamen Horizontalen der drei Achsen als Bezugslinie eingetra- so gen. Die Breitenunterteilungseinheiten bzw. Breiteneinteilungseinheiten der drei Achsen werden aus den Koeffizienten (Gradienten bzw. Steigungen) der zuvor angegebenen Entwicklungsgleichungen (I) und (2) bestimmt. Bezogen auf die Länge des Verhältnisses von Erz/Koks mit 1 beträgt die Skaleneinteilung in Längserstreckung der X-Achse für ein Sauerstoffvolumen im Wind von 1,0 NmVmin χ m³1,25, die Skaleneinteilung bei der Längserstreckung der Z-Achse für einen JIS-Reduktionsgrad von 1% 0,063 (vgl. Fig.3). Wenn eo sich die Abstände zwischen den jeweiligen Achsen ändern, wird es schwierig, den Winkel θ näher zu bestimmen, selbst wenn die Werte X, Y und Z ermittelt sind. Deshalb müssen die Abstände zwischen den jeweiligen Achsen unter Berücksichtigung der Breiteneinteilungseinheit einer der drei Achsen bestimmt werden. Beispielsweise werden die Abstände zwischen den jeweiligen Achsen jeweils auf das e-fache (e ist eine Konstante) einer Länge festgelegt, die der Breiteneinteilungseinheit der Y-Achse entspricht Aus DarstellüngsgrPnden sind die Abstände bei der vorliegenden Erfindung auf das OJfache der Breitenetnteilungseinheit festgesetzt, die auf der Y-Achse 1,0 entspricht

Die graphische Darstellung nach Fig.3 erhält man dadurch, daß man die Werte für das Sauerstoffyolumen im Wind (X), die Werte für das Verhältnis Erz/Koks (Y) und die Werte für den JIS-Reduktionsgrad (^aufträgt, die sich aus den erfaßten Kennwerten der tatsächlichen Betriebsbedingungen von Hochofen-Großanlagen Unter Berücksichtigung der zuvor angegebenen näheren Einzelheiten ergeben und wenn die jeweiligen Punkte verbunden werden. Durchgezogene Linien bezeichnen Betriebsbedingungen der Hochöfen, dje zu ausgezeichneten Ergebnissen führen, während die gebrochenen Linien Betriebszustände bzw. Betriebsbedingungen der Hochöfen bezeichnen, die zu Störungen führen. Wie sich aus der graphischen Darstellung von Fig.3 ergibt, bilden bei ausgezeichneten Betriebsbedingungen von Hochöfen die die drei zugeordneten Werte verbindende Linien einen sehr kleinen Knickwinkel und nähern sich Geraden an, während die zu Störungen führenden Kennwerte bei den Hochöfen Knicklinien bilden, die einen scharfen nach oben oder unten weisenden Knick haben wodurch die Unterschiede zu den Betriebsbedingungen der Hochöfen, unter denen ausgezeichnete Ergebnisse erreicht werden, augenfällig sind. Die zu Störfällen neigenden Betriebsbedingungen der Hochöfen haben Knicklinien radt einem konvexen Knickverlauf, wie zum Beispiel die' Linie 1, was darauf zurückzuführen Ut, daß der Wert für das Verhältnis Erz/Koks (Y) zu groß oder der Wert für den JIS-Reduktionsgrad (Z)na Verhältnis zu der Wärmezufuhr gemessen am Sauerstoffvolumen im Wind (X) zu klein ist Bei diesem Betriebsverhalten hat vermutlich der Anteil der direkten Reduktion oder der direkte Reduktionsgrad zu stark zugenommen und die Ofenwärme fällt unter das erforderliche Niveau ab. Wenn deshalb dieser Zustand in dieser Form belassen wird, kann sich beispielsweise ein Störfall aufgrund mangelnder Wärmeversorgung bilden. Wenn umgekehrt die Knicklinie sich einem konkaven Verlauf nähert wie zum Beispiel die Linie 2 in Fi g. 3, ist der Verhältniswert von Erz/Koks (Y) im Verhältnis zu der Wärmezufuhr zu klein oder der Wert für den JIS-Reduktionsgrad (Z) zu groß. Bei diesem Betriebsverhalten ist der Anteil der direkten Reduktion bzw. der direkten Reduktionsgrad gering und die Ofenwärme ist größer als das erforderliche Niveau. Wenn dieser Zustand in dieser Form belassen wird, kann sich ein Störfall durch Überhitzen ergeben. Wenn der Knickpunkt der Knicklinie nur sehr schwach ausgebildet ist und sich die Knicklinie geraden durchgehenden Linien annähert, ist die Ofenwärme nicht zu hoch oder zu niedrig. Die Wärmebilanz ist ausgeglichen und die Betriebsbedingungen des Hochofens können stabil beibehalten werden.

Bei der Anwendung des zuvor erörterteil Zustandsdiagramms lassen sich die Betriebsbedingungen des Ofens auf einen Blick erfassen. Wenn die Ofenwarme im Ungleichgewicht ist, können die Korrekturgrößen der jeweiligen Regelgrößen ohne Schwierigkeiten aus dem Diagramm abgelesen werden, durch die erreicht werden kann, daß die Wärmebilanz wieder ins Gleichgewicht kommt. Wenn der Ofen beispielsweise unter Betriebsbedingungen nach der Linie (1) im Diagramm arbeitet wobei Ofenwärme fehlt sollte der Wert Y für das

Verhältnis von Erz/Koks ausgehend von dem derzeitigen Wert von etwa 4,39 auf etwa 4,0 verringert werden, oder der Wert von Ywird unverändert beibehalten und der Wert X für das Sauerstoffvolumen im Wind, der derzeit etwa 0,31 NmVminxm³ beträgt, sollte auf 0,48 Nm³/min x m³ und der Wert von Z₁ dem JIS-Reduktionsgrad, der derzeit etwa 60,5% beträgt, sollte auf etwa 68,0% erhöht werden. Hierdurch lassen sich die Schwierigkeiten im Zusammenhang einss übermäßigen Verbrauchs an Ofenwärme ausschalten und die Betriebsbedingungen des Hochofens werden wieder stabil. Zur Verringerung des Wertes Y sollte die Koksmenge größer oder die Erzmenge kleiner gewählt werden, so daß das ausgewogene Verhältnis der Ofenwarme innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt Zur Vergößerung des Z-Wertes sollten ferner Stoffe mit großen J IS-Reduktionsgraden gewählt und in den Hochofen eingegeben werden. Zur Regelung des Z-Wertes sollten daher die Mischungsverhältnisse der Beschickungsstoffe, wie zum Beispiel Pellets, Sinterstoffe oder Stückerze geändert und/oder die Teilchengröße der Beschickungsstoffe geändert werden. Zur Regelung des Z-Wertes kann ferner auch die Befeuerungsart für Pellets oder Sinterstoffe geändert werden.

Das ausgewogene Verhältnis dieser drei EinflußgröBen zur Stabilisierung der Hochofenbetriebsbedingungen braucht nicht notwendigerweise in dem zuvor beschriebenen Zustandsdiagramm einen genau geradlinigen Linienverlauf zu bilden, sondern Knickstellen sind bii zu einem gewissen Grad zugelassen, was sich F i g. 3 entnehmen läßt. Zur Bestimmung des zulässigen Bereiches diem der Winkel Θ, der eine Art zulässiges Knickmaß darstellt und in der Größenordnung von !50° bis 210° liegt Der zulässige Bereich erstreckt sich somit von -30 bis +30°, wenn man die 180"-Linie als Mitte des zulässigen Knickwinkelbereiches annimmt

Die Ofenbetriebsbedingungen in der graphischen Darstellung nach Fig.3 für Hochöfen mit einer ausgezeichneten Produktivität sind alle im wesentlichen flach. Selbst wenn die Zeichnung nach oben oder unten.

θ_τ = tan

nach rechts schief angeordnet ist, wird die Bedingung erfüllt, daß die Ofenwarme in einem stabilen ausgewogenen Zustand ist, wenn der zuvor angegebene Winkelbereich θ innerhalb der geforderten Grenzen liegt

Wie zuvor erwähnt, kann man unter Verwendung der graphischen Darstellung der Hochofenbedingungen dieselben nach Maßgabe der Stärke des Knickwinkels im Diagramm als Art Kennwert regeln. Die Stärke des Knickwinkels wird durch den Winkel θ bestimmt

Der Winkel θ kann anhand eines Diagramms bzw. Schaubildes ermittelt werden. Wenn man eine graphische Darstellung mit den Breiteneinteilungseinheiten und den Abständen zwischen den Achsen bestimmt nach den vorhergehend beschriebenen Grundsätzen wählt, kann der Winkel θ jedoch auch, wie nachstehend näher erläutert wird, rechnerisch ermittelt werden.

In Fig.4 ist der Zusammenhang zwischen den drei Einflußgrößen angegeben, wenn der Hochofen mit einem Sauerstoffvolumen im Wind Xn, einem Verhältnis Erz/Koks Yn und einem Mittelwert für den JIS-Reduktionsgrad Zn betrieben wird. Mit θ_χ ist der Winkel zwischen einer durch Yn gehenden und zu den drei Achsen rechtwinklig verlaufenden Geraden und des Geradenstückes Xn-Yn bezeichnet Mit θ_ζ ist der Winkel zwischen einer durch den Punkt Yn gehenden und zu den drei Achsen rechtwinklig verlaufenden Geraden und dem Geradenstück Yn-Zn bezeichnet Der Winkel θ beträgt demnach:

Jl) θ=θ,+θ_ζ+180°

Die Winkel Θ, und Θ* werden als positiv definiert, wenn sie oberhalb der Linie KL liegen, und als negativ (—\ wenn die Werte unterhalb der Linie KL liegen. Der zuvor angegebene bevorzugte Bereichswert für Θ, d. h. 150° <θ<210° läßt sich dann umschreiben in:

Nach F i g. 4 gilt folgende geometrische Winkelbeziehung:

Nach den Gleichungen (4) und (5) ergibt sich:
θ_χ+ θ. = Un"¹ /(X, Y) + tan"¹ g(Y, Z)

tan-. (US*»-Ki+3,37 V ^_n., (0,063 Zn- Yn + 0,3 7 \\

Bei stabilen Betriebsbedingungen des Hochofens liegt B₁ + Θ, innerhalb eines Bereiches von -30° bis +30°. Der Gleichgewichtszustand bzw. das Ausgleichsverhältnis der drei EinflußgröBen ergibt nach Substitution folgenden Zusammenhang:

U5*"-y*+3,57_+tarrl 0,063 2«-^+0,371 0.7 0,7

Wenn die Betriebsbedingungen des Hochofens so kann ein ausgewogenes Verhältnis von Wärmezufuhr eingestellt werden, daß die Werte von Xn, Yn und Zn und Wärmeabfuhr bzw. Wärmeverbrauch aufrechterden zuvor angegebenen Zusammenhang befriedigen, halten werden. Die Betriebsbedingungen des Hochofens

sind hierbei so stabil, daß sich ausgezeichnete Ergebnisse erzielen lassen. Die Werte Xn, Yn und Zn lassen sich in der Praxis zweckmäßig auf folgende Größenordnungsbereiche einstellen, Das Sauerstoffvolumen im Wind (X) beträgt etwa 0,20 bis etwa O₁SONmVmUi χ m³, das Verhältnis Erz/Koks (Y) ist kleiner als 4,8 und der Wert für den JIS-Reduktionsgrad (Z) liegt zwischen etwa 40 und etwa 90%, Bei dem Regelverfahren nach der Erfindung werden die Werte X, Y und Z der während des tatsächlichen Betriebsablaufs ermittelten Betriebskennwerte in die Gleichung (6) eingesetzt, um feststellen zu können, ob hierdurch die Gleichung (6) befriedigt wird. Wenn die Gleichung (6) nicht befriedigt wird, werden die Werte X, Y und Z so geändert, daß der durch die Gleichung (6) vorgegebene Bereich eingestellt ist Nach der Erfindung werden die drei Einflußgrößen X Y und Z nach Maßgabe der Gleichung (2) oder der Gleichung (3) geregelt Wenn man beispielsweise annimmt, daß der Hochofen mit einem Sauerstoffvolumen im Wind A"=0,35.Nm³/ minxm3, eioon Verhältnis Erz/Koks V= 3,5 und einem Wert für den JIS-Reduktionsgrad Z «= 75% betrieben wird, ergibt sich für die Winkelsumme θ,+θ_ζ:

θχ+θζ=26,6° +57,9° =84,5°.

Hieraus ergibt sich beim Vergleich mit dem Bereich gemäß der Gleichung (6) eine Abweichung in positiver Richtung (in +-Richtung). Hieraus ergibt sich, daß Ofenwärme überschüssig vorhanden ist Wenn man demzufolge den Wert für das Verhältnis Erz/Koks auf Aß abändert und die anderen Werte unverändert beibehält, ergib; sich für θ_χ+ Θ*:

θ,+θ*= -16,7° +3&5^Ο =2i Τ

Demnach ist die Gleichung (6) befriedigt Der Ofen arbeitet somit stabil, ohne daß eine Jbergroße oder eine zu geringe Ofenwärme vorhanden ist

Nach Maßgabe der Gleichung (6) lassen sich die Einflußgrößen auf das Betriebsverhalten des Hochofens so bestimmen, daß die Wärmebilanz des Ofens ausgeglichen ist und stabil bleibt Wenn man die Gleichung (6) in einen Kleinrechner einprogrammiert und einspeichert, läßt sich die Ofenwärme auf sehr einfache Art und Weise regeln.

Die graphische Darstellung nach Fig.3 kann auch willkürlich aufgestellt werden, um die Einflußgrößen auf die Wärmebilanz des Ofens und den Betriebszustand des Ofens mit einem Blick ablesen zu können.

Wenn jedoch die Abstände zwischen den Achsen zu groß sind, nähert sich der Winkel θ in der graphischen Darstellung 180° und zwar unabhängig von den Betriebsbedingungen des Ofens, so daß sich dieselben nur unter erschwerten Bedingungen bewerten lassen. Ähnliche Verhältnisse ergeben sich, wenn die Abstände zwischen den Achsen zu klein sind. Am zweckmäßigsten im Hinblick auf die Bewertung der Betriebszustände des Ofttis iii es, bei der graphischen Darstellung die Abstände zwischen den Achsen so zu wählen, daß sie etwa das 3- bis lOfache einer der Breiteneinteilungseinheit von 0,1 der V-Achse entsprechenden Länge haben. Die Abstände sollten demnach derart gewählt und festgelegt werden, daß sie etwa das 03· bis I₁Ofache der einer Breiteneinteilungseinheit der K*Achse entsprechenden Länge haben. Wenn der Abstand zwischen der X-Achse und der V-Achse und der Abstand zwischen der V-Achse und der 2-Achse auf beliebige Werte festgelegt wird, ändert sich der Winkel θ der Knicklinie in Abhängigkeit von den gewählten Abständen, der als

Kennwert Wr einen stabilen Betriebsbereich des Hochofens dient. Die oberen und unteren Grenzwerte des Winkels θ fflr einen stabilen Betriebsbereich des Ofens sollten deshalb in Abhängigkeit von den Abständen zwischen den Achsen zuerst bestimmt werden, und dann sollte erst geprüft werden, ob die Ofenbetriebsbedingungen in Obereinstimmung mit den zwischen den oberen und unteren Grenzwerten liegenden Winkelwerten gebracht werden können. Wenn man beispielsweise die Abstände zwischen den Achsen nach F i g. 5 mit ZJj und D₂ bezeichnet, ist der an dem Knickpunkt der Geradenstücke gebildete Winkel θ folgendermaßen zu ermitteln:

θ=180^ο+θ,+θ₂ e,=tan-i(//,/D,)

Wenn die Abstände D_x und D₂ bestimmt sind, läßt sich

der Winkel θ ausschließlich in Abhängigkeit von den zulässigen Grenzwerten H_x und H₂ angeben. Wenn die Werte H_x und H₂ somit den Winkeln (150° bis 210°) entsprechen, die einen stabilen Betriebsbereich, des Ofens nach den vorausgehenden Bestimmungen darstel len und wenn die Abstände D_x und D₂ als das 7fache einer Breiteneinteilungseinheit von 0,1 der Y-Achse, die das Verhältnis von Erz/Koks angibt d.h. wenn die Abstände D_x und D₂ auf das 0,7fache einer Länge eingestellt werden, die einer Breiteneinteilungseinheit

m auf der V-Achse entspricht (vgl. Fig.3), läßt sich der Winkel θ aus den vorstehenden Gleichungen (7 bis 9) ermitteln, der für stabile Ofenbetriebsbedingungen maßgebend ist auch wenn die Abstände £>i und D₂ willkürlich verändert werden. Dann lassen sich die Ofenbedingungen ohne Schwierigkeiten bewerten und es können erforderlichenfalls Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.

Nachstehend ist das Verfahren zum Regeln der drei Einflußgrößen nach der Erfindung unter Berücksichti gung während des tatsächlichen Betriebsablaufs ermit telten Betriebsdaten näher erläutert

In Fig.6 ist die Verschiebung der monatlich gemittelten Werte der drei EinflußgröBen angegeben, die während des tatsächlichen Betriebsablaufs erfaßt wurden. Nach Fig.6 war der Winkel θ bis Juli 1975 immer größer als 275", so daß er weit größer als der obere Grenzwert von 210° für günstige Betriebsbedingungen war. Somit ist eine zu starke Wärmezufuhr vorhanden, was zur Folge hat, daß die Betriebsbedin gungen des Ofens instabil waren. Der Brennstoffver brauch belief sich auf 503 kg/t Roheisen und die Produktivität belief sich auf etwa 1,61 t/m³ χ Tag.

Unter Anwendung des Regelverfahrens nach der Erfindung, beginnend im August 1975, wurde der Winkelwert θ auf 230° verringert wozu die Werte für das Verhältnis Erz/Koks und des Mittelwertes für den JIS-Reduktionsgrad eingestellt und abgeglichen wurden. Somit veränderte sich der Winkel in Richtung des günstigen Bereiches für die Betriebsbedingungen. Die

on Produktivität und der Brennstoffverbrauch konnten hierdurch beträchtlich verbessert Werden. Bis Februar 1976 betrug jedoch def Wifikelwert θ 230" und war somit als noch größer als der Winkelwert für den günstigen Bereich der Betriebsbedingungen. Es waren

»i5 somit weitere Änderungen hinsichtlich des Wertes für das Verhältnis Erz/Koks und des Mittelwertes des IIS-Reduktionsgrades erforderlich. Dieser Hochofen wurde jedoch unter Verwendung eines beträchtlichen

Anteils an Pellets betrieben, so daß Korrekturen hinsichtlich o'er Reduzierbarkeit der Beschieknngsstoffe beschränkt sind. Da ferner die Pellets kugelförmig sind, wird bei einem Betriebsablauf mit einem hohen Verhältniswert von Erz/Koks die Gaspermeation τ verstärkt. Da darüberhinaus der Hochofen mit einem beträchtlichen Anteil an Pellets beschickt und betrieben wird, kann der Wert für das Verhältnis Erz/Koks nur unter Schwierigkeiten auf größer als 4,0 geregelt werden. Um diese mit kugelförmigen Pellets verbünde- ι ο nen Schwierigkeiten zu Oberwinden, sollten die Pellets gebrochen bzw. gemahlen werden. Unter Verwendung derartiger Pellets kann der Verhältniswert für Erz/Koks so geändert bzw. vergrößert werden, daß man den Winkel θ so einstellen kann, daß er innerhalb des r> gewünschten Bereiches liegt

In Fig.7 ist ein Zusammenhang zwischen dem Winkel θ (monatlich gemittelter Wert) und der Produktivität eines Hochofens gezeigt, der mit einem beträchtlichen Anteil an gesinderten Erzen bzw. >o Sinterstoffen beschickt wird. Diesem Diagramm läßt sich entnehmen, daß die Produktivität bei Annäherung des Winkels θ an einen Winkelwert von 180° zunehmend größer wird. In F i g. 8 ist ein Zusammenhang zwischen dem Winkel θ und dem Koksdurchsatz in demselben Hochofen gezeigt Je weiter sich der Winkel θ einem Winkelwert von 180° nähert, umso kleiner wird der Koksdurchsatz. Wenn der zuvor beschriebene Zusammenhang zwischen dem direkten Reduktionsgrad und dem Winkel θ bei Hochöfen ermittelt worden ist, wird der direkte Reduktionsgrad mit kleiner werdendem Winkelwert des Winkels θ entsprechend F i g. 9 größen Der Winkel θ dient somit als Kenngröße bzw. als Kennwert für die Effektivität bzw. des Wirkungsgrades bei der Beurteilung der r, Wärmebilanz des Ofens.

Aufgrund der ständigen Energieverknappung müssen zur Energieeinsparung Hochöfen derart weiterentwikkelt werden, daß sie mit einem möglichst geringen Brennstoffverbrauch auskommen und arbeiten können. Um den Brennstoffverbrauch bzw. den Brennstoffdurchsatz beeinflussen zu können, muß der Verhältniswert von Erz/Koks größer als 4,5 sein, wobei dieser

in Wert der größte bisher erreichbare Wert ist. Hierzu ist es ferner notwendig, den JIS-Reduktionsgrad auf Werte von größer als etwa 70% zu erhöhen, was sich beispielsweise aus der graphischen Darstellung zur Verdeutlichung des Zusammenspiels der drei Einflußgroßen nach der Erfindung ableiten bzw, ablesen läßt Bei Hochöfen, die überwiegend mit Stückerzen oder Sinterstoffen betrieben werden, die beide einen JIS-Reduktionsgrad von kleiner als 70% haben, fällt vermutlich die Ofenwärme aufgrund der geringen Reduzierbarkeit unter das geforderte Niveau ab. Heutzutage werden viele Hochöfen mit einem relativ kleinen Wert für das Verhältnis Erz/Koks betrieben, was die Gefahr von Störfällen beim Betriebsablauf mit sich bringt, die ihre Ursache in einer übermäßigen Wärmezufuhr haben (Fig.3). Für die Zukunft wird jedoch erwartet, daß Störungen hauptsächlich durch Wärmemangel verursacht werden. Deshalb wird es in Zukunft notwendig sein, selbstgehende Pellets mit hoher Reduzierbarkeit zu verwenden und ihre Anwendung erscheint als zwingend gebo'--i. Wie im Zusammenhang mit F i g. 6 angegeben worden ^;st, ergeben sich jedoch bei der Verwendung von Pellets mit kugelförmiger Gestalt Schwierigkeiten, wenn man den Verhältniswert von Erz/Koks größer als 4,0 machen will. Werden die kugelförmigen Pellets jedoch gebrochen, lassen sich die drei wesentlichen Einflußgrößen nach der Erfindung auf einfache Art und Weise so regeln, daß der Brennstoffdurchsatz bzw. der Brennstoffverbrauch in der Nähe des unteren Grenzwertes liegt

Die Erfindung verfolgt demnach den Zweck, die Betriebsbedingungen eines Hochofens mit verbesserter Nützlichkeit so zu beeinflussen, daß man in Zukunft einen geringen Brennstoffverbrauch benötigt

Der gegenwärtige Entwicklungsstand diesbezüglich ist in Fig. 10 angegeben. Hieraus läßt sich entnehmen, daß eine enge Wechselbeziehung zwischen dem Winkel θ und der Gesamtmenge an Roheisen, gemessen in t/m³, pro Ofenvolumeneinheit zwischen der Eeschfadcungsstelle und der Austragsstelle des Hochofens besteht. Nach der Erfindung kann auch die Standzeit bzw. die Betriebsdauer der Hochöfen verlängert werden, worin ein weiterer Vorteil der Erfindung zu sehen ist.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   1, Hochofenbetriebsverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgrößen die Ein- flußgroßen Sauerstoffvolumen (X) im Wind, der Verhältniswert (Y) von Erz/Koks und die Reduzierbarkeit (Z) der Beschickungsstoffe von allen insgesamt an Veränderungen hinsichtlich der Wärmezufuhr und der Wärmeabgabe des Hochofens beteiligten Einflußgrößen geregelt werden, daß die Einflußgrößen bzw. Regelgrößen graphisch derart erfaßt werden, daß eine Achse (Y-Achse) für den Verhältniswert von Erz/Koks in der Mitte, eine Achse (X-Achse) für die Werte des Sauerstoffvolu- '5 mens im Wind auf der linken Seite der y-Achse und eine Achse (Z-Achse) für die Werte der Reduzierbarkeit der Beschickungsstoffe auf der rechten Seite der y-Achse parallel zueinander angeordnet werden, daß beim tatsächlichen Betriebsablauf eines Hochofens erfaßte Kennwerte dieser drei Einflußgrößen in die graphische Darstellung eingetragen werden, daß bei der Verbindung jeweils zweier Punkte auf den benachbarten Achsen durch zwei Geraden die Geradenstücke von dem Schnittpunkt auf der y-Achse nach unten einen Winkel θ einschließen, der folgende Beziehung erfüllt:

   und daß wenigstens eine der drei Einflußgrößen nach Maßgabe folgender Beziehung geregelt wird: e,+e^tan-'/"C*;rj+tan-'£fr,ZJ (2)

   wobei mit Θ* und θ* seitlich zu der X-Achse und der Z-Achse weisende Winkel bezeichnet sind, die zwischen einer senkrecht durch die drei Achsen gehenden Geraden und den Geradenstücken eingeschlossen werden, wenn die drei Einflußgrößen bei tatsächlich erfaßten Arbeitsbedingungen die Werte X, Yund Zhaben,

   XnWf(X, yjeine Funktion von X und ^bezeichnet ist, die nach einer Entwicklungsgleichung der Größen X, Vermittelt wird, die sich aus den tatsächlich erfaßten Betriebskennwerten eines an sich üblichen Hochofens mit niedrigem Brennstoffdurchsatz unter Berücksichtigung eines Abstandes zwischen den X- und y-Achsen ergibt, und

   mit g(Y, Z) eine Funktion von Yund Zbezeichnet ist, die nach einer Entwicklungsgleichurig von Y und Z ermittelt wird, die sich aus den tatsächlich erfaßten Betriebskennwerten eines üblichen Hochofens mit niedrigem Brennstoffdurchsatz unter Berücksichtigung eines Abstandes zwischen den Y- und Z-Achsen ergibt
2. 2. Hochofenbetriebsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichung (2) nach Umformung wie Tolgt lautet:

   θ_χ+θ. = tan'

   (3)

   wobei mit a/f/= 1 oder 2) ein Koeffizient (Gradient bzw. Steigung) der Entwicklungsgleichung für X, Y und Y, Z, mit b-, (7= I oder 2) eine Konstante der Entwicklungsgleichungen für X, Yund Y, Z und mit e, (i= I oder 2) eine Konstante bezeichnet ist, die -to durch einen Abstand zwischen den Achsen (X — Y) und einem Abstand zwischen den Achsen (Y-Z) bestimmt ist.
3. 3. Hochofenbetriebsverfahren nach Anspruch '., dadurch gekennzeichnet daß die Abstände zwischen den jeweils drei parallel verlaufenden Achsen der graphischen Darstellung für die Eintragung der drei Einflußgrößen gleich oder willkürlich gewählt sind, daß Mittelwerte der drei Einflußgrößen, die sich aus den während des tatsächlichen Betriebes eines so üblichen Hochofens mit niedrigem Brentistoffdurchsatz erfaßten Betriebskennwerten ergeben, derart angeordnet werden, daß sie eine Bezugslinie auf den drei Achsen in derselben Höhe bilden, daß ein Verhältnis der Breiteneinteilungseinheiten für die drei Achsen nach Maßgabe der Koeffizienten (Gradienten bzw. Steigungen) nachstehender Gleichungen bestimmt wird, die aus den tatsächlich erfaßten Betriebskennwerten abgeleitet sind:

   60

   und daß die Abstände zwischen den Achsen unter Berücksichtigung einer Breiteneinteilungseinheit einer der drei Achsen bestimmt werden, wobei die Gleichung (4) eine Entwicklungsgleichung für f(X, Y) und die Gleichung (5) eine Entwicklungsgleichung für g(Y, Z) ist
4. 4. Hochofenbetriebsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß das Verhältnis der Breiteneinteilungseinheiten der Achsen X, Y und Z auf X: V: Z = ai : 1 : a₂ festgesetzt wird.
5. 5. Hochofenbetriebsverfahrefc nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der X-Achse und der y-Achse und der Abstand zwischen der y-Achse und der Z-Achse jeweils so gewählt sind, daß sie das ei-fache und das ej-fache einer Länge haben, die einer Breiteneinteilungseinheit der y-Achse entspricht, wobei mit e, (i= 1 oder 2) eine Konstante bezeichnet ist.
6. 6. Hochofenbetriebsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß e, (i=\ oder 2) zwischen 0,3 und 1,0 liegt.
7. 7. Hochofenbetriebsverfahren nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß die X-Achse und die y-Achse auf der linken bzw. rechten Seite der y-Achse in einem gleichen Abstand angeordnet sind, daß das Verhältnis der Breiteneinteilungseinheiten der Achsen (X, Y, Z) nach der Beziehung X: Y: Z= at: I : a_t bestimmt ist und daß der Abstand zwischen der V-Achse und der Z-Achse das e-fache einer Länge beträgt, die einer Breileneinieilungseinheit der y-Achse entspricht, wobei c eine Konstante ist, d, h, e= e, = C₂.
8. 8. Hochofenbetriebsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Breiteneinteilungseinheiten der Achsen (X. Y, Z) nach Maßgabe der Beziehung X: Y: Z= 1,25 :1 :0,063 bestimmt ist und daß die Abstände zwischen den jeweiligen Achsen das

   Q,7fache einer Länge betragen, die einer Breiteneinteilungseinheit der y^Achse entspricht,
   9, Hochofenbetriebsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wert Θ,+θ, durch die folgende Beziehung bestimmt wird:

   _θΛθζ =

   tan