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Recent Improvements in Blast Furnace Operation Within the AHMSA/GAN, Monclova México Works. (**)

J.M. Morales, H. Domínguez, M. Geerdes (1)

Altos Hornos de México S. A. de C. V.

(1) Hoogovens Technical Services B.V.

 

Abstract

 

 

Following the privatization of Altos Hornos de Mexico in November 1991 four areas were chosen to improve blast furnace performance and hot metal costs. These areas included improvement of pellet quality, start of oil-gas co-injection in the blast furnace, improved control of gas flow in the blast furnace and start of monitoring program to predict the remaining life of the hearth of the major blast furnace at AHMSA.

 

The efforts resulted in the following improvements in the first half of 1992:

 

- Production level increased to 2.4 ton/m3/24 hrs; moreover, the annual production record of blast furnace 5 (hearth diameter 11.2 m, 37 ft) set in 1992, was 1.639 mln tonnes.

 

- Coke rates decreased by 60 kg/tonne, half of which was due to process improvements and the other half to injection of oil.

 

- Silicon standard deviations decreased from 0.22% in 1991 to 0.20% in 1992.

 

- Hot metal costs decreased with 10.6%.

 

- The major reline of BF 5 can be postponed by at least 1.5 year.

 

 

 

 

Introduction.

 

Altos Hornos de Mexico, S.A. de C.V. (AHMSA) is the largest integrated Steel plant in Mexico. In November 1991 it was bought from the government by the GAN group (Grupo Acerero del Norte), who entered into an agreement with Hoogovens Technical Services, Netherlands for provision of assistance in quality improvement, operation and technology transfer.

 

AHMSA was founded in 1941 with a 4.0 M hearth diameter blast furnace and four Siemens Martin open hearth steelmaking furnaces. Presently, AHMSA is the largest integrated Steel plant in Mexico; AHMSA produced in 1992 2.4 mln tonnes of liquid Steel from which a complete product range including hot rolled coils, cold rolled coils, tinplate heavy profiles, light profiles, reinforcing bars and wire is made.

 

The hot metal production comes from two operating blast furnaces, BF4 with a hearth diameter of 7.5 m and BF5 11.2 meter (25 ft and 37 ft). The raw materials for the blast furnaces comes from two coke plants, a pellet plant and a sinter plant. AHMSA owns its ore and coal mines, which are located in the area. The AHMSA coal contains more than 13.5% ash and the coke ash amounts to 17% ash.

 

Following the privatization of the AHMSA Monclova Works at the end of 1991, four major opportunity areas were chosen to enhance performance and reduce costs in the hot metal production:

 

- Improvement of pellet quality;

- Start of co-injection of natural gas/oil in the BF 5;

- Improvement control of blast furnace gas flow;

- Hearth monitoring of BF 5.

 

The present paper deals with the operational improvements of the major blast furnace, BF 5, during the first half of 1992.

 

 

 

 

 

 

Improvement of pelet Quality.

 

 

AHMSA Pellet Plant started in 1984; it was designed to produce 3.0 mln tonnes per year based on ore from its own mines sited at Hercules, Coahuila, some 285 km (180 miles) from the AHMSA Steel Plant in Monclova. To feed the pellet plant, a pipeline transport is being used. the pipeline is also connected with "La Perla" mine at a 40 km distance from Hercules. La Perla was shutdown in December 1991 because it had reached the end of its life.

 

The design basis for the pellet plant was to use concentrate from Hercules and La Perla mines at 67:33 ratio. However, due to operating problems in the grinding system and metallurgical changes in the concentrate quality (% SiO2, alkalis) the designed pellet quality and quantity were not obtained until 1992.

 

In preparing for the situation after closure of the La Perla mine in December 1991, in February 1991 a plan to improve pellet quality was developed and several studies were initiated using only concentrates from Hercules. the main goal was to improve the pellets high temperature properties for better blast furnace operation and decrease overall ironmaking costs. Laboratory tests were done, using various binders; these were bentonite, hydrated dolomite, hydrated lime and synthetic binders. the test results are presented in Table 1. The best results were achieved using hydrated lime addition to increase the lime/silica ratio to 1.0 - 1.2, and dolomite to reach MgO/SiO2 ratio of at least 0.35.

 

With the support of the new AHMSA management, from January 1992 hydrated lime was used instead of bentonite to manufacture pellets with a lime/silica ratio of 1.1.

 

The trend of monthly data from 1991-1992 for lime/silica ratio and MgO/SiO2 is shown in Figure No 1. the quality of the production pellets is presented in Table 2. Reducibility improved from 78% to 86%, swelling (30 min) from 53 to 24% and the Burghardt index reached at international level.

 

Productivity in the pellet plant was not affected; pellet costs are even slightly lower with the present method. The most important result was, that upon charging the improved pellets in the blast furnace, coke rates decreased by more than 30 kg/tonne.

 

 

 

Start Of Oil-Gas Co-Injection.

 

 

The business-plan developed prior to the privatization of AHMSA was based on a production level of 3.1 mln tonnes of liquid steel. The required amount of coke was studied in detail, making maximum use of the possible auxiliary fuel injections i.e. natural gas, oil and coal. A summary of these studies is presented in Table 3.

 

The conclusions can be summarized as follows:

 

1.-Reductions in coke rate were strongly needed to avoid coke purchases (every ton of purchased coke costs AHMSA 145 dollars).

 

 

 

 

2.- Natural gas injection was not a good auxiliary fuel, because of price, availability and coke reduction potential.

 

3.- To restart oil injection was an obvious solution in the short term. However, because of the high sulfur content of the Mexican fuel oil available (4.0 - 4.5%), the oil injection also was limited to as much as 40-50 kg oil/THM.

 

4.- A coal injection system for B.F. 5 requires investment of 20-25 million dollars and was not a solution for the short term. Nevertheless, it seems to be a good solution for the long term.

 

As a first step, the operating gas injection system of BF 5 was replaced by a system for co-injection of natural gas and fuel oil.

 

BF 5 has a hearth diameter of 11.2 meter (37 ft), 28 tuyeres and a working volume of 2163 cubic meters (76000 ft3). It is a self supported furnace with Paul Wurth top, and the original design included a facility to inject fuel oil through the tuyeres. This vintage oil injection system was scheduled to be partially rebuilt. Therefore, a major effort was put into the study and development of the lance design and determination of operation limits, that were required to start use of the co-injection system.

 

The developed system was submitted to a series of trials using two tuyeres during March 1992 and brought into operation in April with 14 tuyeres using natural gas-oil and the remainder with natural gas only. During April, all the trials with gas-oil lances were finished and from the results the final lance design was selected: the concentric type lance, where the natural gas was injected through the outer ring and oil through its center, Figure 3.

 

Based on the experiences gained and information from the literature, the following starting points were used:

 

- The lance has to be centered.

 

- There is a critical distance between the tuyere nose and the lance tip; in Bf 5 the distance is around 10 cm (4").

 

- A lance diameter chosen to prevent carbonization; at 6 mm (1/4") diameter at least 300 kg oil per lance per hr.

 

- Accurate control of injectants

 

As soon as the injection rate increases, control of burden and burden distribution is vital. in practice we choose to keep the ore layer constant and as a first step reduced coke layers as soon as coke rates decreased, while charging level was kept constant.

 

Without any major problems, oil injection was increased to 35 kg/tonne and the replacement of coke was 1.05-1.10 kg/tonne. Further operating results are discussed below.

 

 

Operating Results.

 

The operation results of BF 5 are presented in Figures 2, 4 and 5 and Table 4. The results can be summarized as follows:

 

- The actions taken have reduced coke rate by 60 kg/THM and increased production capacities. An annual production record was set in 1992 at 1.639 mln tonnes. production at full blast was 2.4 ton/m3/24 hrs.

 

- Stability of the process increased as demonstrated by a decrease in standard deviation of Silicon from 0.22% in 1991 to 0.20% in 1992.

 

- Sulfur input has increased from 4.5 kg/tonne in 1991 to 5.5 kg/tonne in 1992. However, probably due to the increased process stability, S-levels in hot metal increased less than was expected and are so far controllable.

 

 

- Ironmaking costs have been reduced in our major blast furnace by 10.6%. The major influences being the lower coke rate and coke costs.

 

 

 

Improved Control of Blast Furnace Gas Flow.

 

The present control of blast furnace gas flow is based on a limited number of measurements; the thermocouples in the wall of the furnace and the temperatures of the gas over the diameter of the furnace above the burden. At the beginning of 1992 a technologist was appointed to control the BF-process on a daily basis. The major changes in the process control philosophy introduced were:

 

1.- More consistent maintenance of burden level;

 

2.- Introduction of automated charging of the furnace;

 

3.- Introduction of standard procedures for process control;

 

4.- Improvement of preparation of stops;

 

5.- Introduction of daily and weekly process evaluation and the improvement of process information required for these evaluations.

 

Subsequent process results demonstrated the improvements obtainable with the new process control philosophy. for example, there are predictable changes in the burden distribution available, when the proportion of sinter changes. An example is given in Table 5.

 

 

 

 

Hearth Monitoring System.

 

 

BF 5 was revamped in 1985; the hearth was designed for 9.0 million tons of hot metal, using Nippon Electrode quality BC-5 and carbon blocks for walls and bottoms respectively, with 1500 m3/hour of external spraying cooling system and 750 m3/hour for the under hearth cooling system. Included in the original design were 24 thermocouples in the hearth bottom and wall.

 

In 1989, 1990 and 1991, the furnace stack was gunned using robot gunning, window gunning and traditional gunning respectively. In all three jobs, the burden was blown down to the tuyeres.

 

In the 1991 job, after 21 days of furnace shutdown, and 3.5 days after blown in, the hearth shell below tuyere 26 cracked, (3 m. long and 35 mm. wide).

 

Clearly, blast furnace 5 is at the end of its campaign. However, in order to operate as safely as possible a monitoring system was installed in order to track the refractory condition and to receive early warning of any imminent risks.

 

The major steps taken were:

 

1.- Revamping and expansion of the design thermocouple system with more than 60 additional thermocouples; introduction of computerized data collection. The former and present thermocouple configuration are presented in Figure 6.

 

2.- Hearth shell temperatures are being tracked on a daily basis.

 

3.- Core drilling samples were taken from the hearth zones where temperatures were higher than the average, especially below the iron notches.

 

4.- In addition to the core drilling results, mathematical model calculations were made as well by Nippon Electrode as by AHMSA.

 

On the basis of the measurements the process conditions of the blast furnace and the hearth thermocouple readings can be correlated; f.i. it became clear from the thermocouple readings, that water leakage of a tuyere leads to higher and unstable thermocouple readings.

 

the core drills came all more than 0.50 meter deep within the original refractories and during core drilling the higher refractory temperatures found, were around 300 ° C. From visual and chemical examination it was found, that no "brittle zone" was present in the samples.

 

The final conclusion of this effort is, that the hearth is in an unexpectedly good condition considering the fact that production on this moment already amounts to 120% of the design and that AHMSA has a history of high alkali-burdens. the reline scheduled for March 1992 has been postponed, as a first step to 1994.

 

 

Concluding Remarks.

 

 

The improvement of the blast furnace process was not limited to the major BF5 of AHMSA, but similar rends can be observed in the BF 4, which will be equipped with oil injection as well. With respect to future work, improvement programs have been prepared to increase injection rates, improve cast house operation and to increase process stability.

 

Acknowledgments.

 

We greatly appreciate the contributions of Elmer Shigo and Maana Pattanayak during 1985-1991. The help pf prof. Dr. K van Laar with respect to the refractory condition inside BF 5 is gratefully acknowledged.

 

The present paper is the result of team work of management and operation at AHMSA. For this reason we dedicate the paper to our colleagues at AHMSA.

 

** Presented in the 52th ironmaking conference of Iron & Steel Society, March 28-31 of 1993 Dallas, Texas.

** Presented in the 1993 Annual Convention of Association of Iron and Steel Engineers, September 20 - 23 Pittsburgh, Pennsylvania.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Operación y mantenimiento del crisol del Alto Horno 5. Experiencia y resultados en A. H. M. S.A.

 

 

Borrego Villarreal Juan Alfredo

Superintendente de Operación.

Villarreal Ballesteros Miguel Isidro

Supervisor General.

Hector Rolando Mata Esparza

Departamento de Tecnologia.

Luevanos Gómez Juan

Sección de Refractarios.

 

 

Altos Hornos de Mexico S.A. de C. V.

Juárez S / N, Monclava Coahuila

01 (866) 649 38 00 Ext. 2920, 2029

 

 

 

Resumen.

 

El Alto Horno 5 fue modernizado en el año de 1994 y una de sus áreas de mayor impacto fue el crisol, el cual fue reconstruido con tecnología y asesoría de Hoogovens Technical Service bajo la premisa de una vida estimada en 20 millones de toneladas de arrabio.

 

A partir de 1994 y hasta el primer semestre del año 2000, el crisol no presento problemas, pero a partir del segundo semestre del año 2000 se han detectado zonas con alta temperatura en el área de las piqueras, estas condiciones nos a llevado a generar actividades para el monitoreo, mantenimiento y control operativo del crisol, con el objetivo de mantener una operación mas segura, con estos cuidados se a logrado prolongar la operación del crisol y proyectar una reparación inminente del área dañada para Abril del año 2003.

Antecedentes.

 

El Alto Horno 5 inicio sus operaciones en el mes de Diciembre del año de 1974, a la fecha se encuentra operando en su tercer campaña, la cual inicio en el mes de Octubre del año de 1994, para esta campaña se realizo una modernización total del alto horno en el área de control de procesos y en la capacidad de sus instalaciones para incrementar la capacidad nominal de producción en mil toneladas diarias de arrabio, alcanzando para esta campaña 5,500 tons. por día.

 

Derivado del incremento en la producción, la operación del alto horno presento un cambio en la filosofía de operación y proceso, sus prácticas operativas del vaciado han conducido a implementar el uso del sistema de soaking bar para asegurar el drenado del crisol.

 

Características del Alto Horno 5.

 

El Alto Horno opera actualmente a un ritmo de producción de 5,500 ton/día/Op, sus principales características se muestran en la figura 01 y se muestran en la tabla 1

 

Alto Horno 5.

(Ref 11) Figura 01

Parámetro

Unidades

Actual

Cap. Diseño.

Tons./Día.

5,500

Vol. Interno.

Mts3.

2,210

Vol. Soplo.

NMts.3/Min

4,500

Sist. Carga.

P. Wurth

Canalón

Preston Top.

Kg./Cm2

1.45

N° Toberas.

Cantidad

28

Diam. Crisol.

Metros

11.20

Temp. Soplo.

Centígrados

1,215

Iny. Carbon.

Kg./Ton.

150

Piqueras"Fe"

Cantidad

2

Apertura Piq.

Saoking Bar

Taladro

Vaciado.

Alternada

Dos Pisos

 

Características del A. H. 5

(Ref 11) Tabla 01.

 

 

 

Características del Crisol

 

En la Tabla N° 02 se mencionan las principales características del crisol, del Alto Horno 5.

 

Parámetro

Unidades

Actual

Diámetro

Metros.

11.20

Mat. Cuerpo

Carbón

- Carbón

Mat. Piquera

Grafito

- SiC

Piquera Fe.

Cantidad

2

Piquera Esc

Cantidad

1

Carbón

W / m°K

18.4

Semigrafito

W / M °K

47

Grafito

W / M °K

150

Flujo Agua

Mts3/Hr.

160

Tons. Vida

Millones

20

Enfto. Fondo

Tubos.

Agua

Apertura Piq.

Sistema

SoakingBar

Termopares.

Originales

67

Termopares.

Actuales

101

 

Características del Crisol A.H. 5. (Ref 11) Tabla N° 02.

 

En la Figura 02 se aprecia el perfil del crisol y los materiales utilizados en su construcción, así mismo en la Figura 03 se aprecia la distribución y ubicación de los termopares originales instalados en el crisol los cuales tienen la función de proporcionar la información de temperaturas para su monitoreo y control.

 

 

Materiales utilizados en el Crisol

(Ref 11) Figura 02.

 

 

Termopares en el crisol.

( Ref 11) Figura 03

 

Operación del Crisol hasta presentarse el problema.

 

El Alto Horno inicio su operación en el mes de Septiembre de 1994, el crisol tuvo un comportamiento normal y típico posterior al de una reparación mayor, pero en el periodo de1996 a 1999 los niveles de producción del alto horno fueron de alta productividad alcanzando 6200 Tons. por día.

 

Las practicas de vaciado desde el arranque del alto horno fueron desarrolladas con el sistema de taladro con martillo utilizando para terminar de abrir el agujero inyección de oxigeno mediante una lanza , posteriormente a partir del año 1996 y hasta el año 1999 estas practicas sufren un cambio técnico para la apertura de las piqueras cambiándolas al sistema de soaking bar con el objetivo de hacer mas eficiente el vaciado, cambio requerido de acuerdo a los niveles de alta productividad durante este periodo, este sistema presento una serie de ventajas y desventajas sobre el sistema convencional, tal como se muestra en la Tabla 03.

 

Parámetro

Taladro Mas Oxigeno

Soaking Bar

Antes

Soaking Bar

Actual

 

Periodo

 

1994 - 96

 

1996 - 99

 

2000 - 02

Longitud de Piquera (mts)

1.5 – 2.0

< 1.7

> 2.5

Diámetro de Agujero (mm)

38 - 62

50

50

Eficiencia de apertura.(%)

60 – 80

100

100

Vaciadas /día ( Cantidad)

16 – 20

22 - 24

12 – 15

Riesgo de

Flamas

SI

NO

NO

Vaciado Escoria (%).

50 – 70

60 – 80

60 – 80

Disponibilidad Equipo (%).

60 – 80

60 - 80

75 – 95

 

Resultados del método de apertura

Tabla 03.

 

Los resultados en la practica del sistema de apertura de las piqueras con soaking bar durante el periodo de 1996 al año 1999 no fueron satisfactorios, derivado de no conocer con exactitud la longitud del agüero de vaciado por lo que se opero el crisol con alto flujo de vaciado de arrabio y escoria con corta longitud de piquera, provocando un desgaste muy acelerado del refractario de la cara interna de la pared del agujero de la piquera, creando por consecuencia zonas de alta temperatura en la periferia de las piqueras.

 

 

 

Incremento de temperaturas en el área de las piqueras.

 

En el tercer y cuarto trimestre del año 2000 se manifestaron los primeros incrementos de temperatura en el crisol en base a esto se realizó una revisión del estado físico de las piqueras encontrándose filtraciones de hierro y coque entre 0.3 a 0.4 mts. del perfil de la pared del crisol tal como se muestra en la Figura 04.

 

Perfil supuesto del crisol A.H.5

( Ref 11) Figura 04.

 

Problemas que afectaron al crisol

y las piqueras.

 

Los principales problemas que afectaron el buen drenado del crisol fueron:

 

Disponibilidad de los equipos de vaciado cañón, taladradora

 

Calidad del material refractario utilizado para tapar la piquera.

 

Inconsistencia de la vida útil de los pisos de vaciado.

 

Entrada de agua al crisol.

 

Enfriamiento del crisol

 

 

El impacto principal del primero ocasiono un desbalance entre la cantidad de arrabio que se extrae y la velocidad de fusión dentro del horno mientras que el segundo parámetro se reflejo principalmente por la dificultad que ofrecía para abrir el orificio de vaciado por el método tradicional ocasionando con esto el tener que utilizar oxigeno, aunado al efecto ocasionado por el alto índice de extrucción del refractario que ocasiono no poder inyectar cantidad suficiente de refractario en la piquera, sus propiedades se muestran en la Tabla 03.

 

Elementos

Valor

SiO2 %

14.0

Al2O3 %

54.1

SiC %

11.7

FeSiN3 %

3.7

Carbón %

11.0

Densidad Verde Lb/Ft3

156

Perdida Volátil 2000°F

9.2

Extrusión PSI 150 °F

160

Temp. de Operación °C

115

 

Propiedades Químicas y Físicas del refractario.

( Ref 12 ) Tabla 03

La inconsistencia en la vida útil de los canales de vaciado fue otro factor que impacto para el control de nivel de líquidos en el crisol dado que para reparar un canal de vaciado se tiene que suspender la operación de la piquera, haciendo con esto que el flujo de líquidos este por un tiempo mas prolongado por la única piquera disponible.

 

Derivado de los problemas anteriores, se presentaron toberas dañadas con orificios que originaron la entrada de agua al crisol, haciendo con esto posible que se originaran huecos de hasta 2 mm en algunas zonas de la coraza y el bloque de carbón, en la Figura 05 se aprecia el equilibrio al tener un hueco entre la coraza y el bloque de carbón.

 

Equilibrio de la pared del crisol.

( Ref 02) Figura 05

 

La velocidad de transferencia de calor entre el agua de enfriamiento y el crisol es un parámetro de vital importancia por lo que se rehabilitaron los sistemas para que permitieran un enfriamiento constante.

 

Las entradas de agua al crisol significan cambios en las propiedades física del refractario como es el caso de la conductividad, ya que al estar la filtración de agua comunicada a la parte interna del crisol provoca desprendimiento del encostramiento del crisol provocando que el arrabio se ponga en contacto con el bloque de la pared interna generando mas carga térmica, cuando la filtración esta canalizada hacia el exterior del crisol a zonas de baja temperatura degrada y diluye el material de sello entre la chapa metálica y el bloque de carbón generando zonas con baja conductividad térmica hacia el exterior del crisol provocando altas temperaturas en el bloque interno de carbón por la pobre conducción de calor hacia la cortina de agua del crisol.

 

Otra deficiencia encontrada fue la cortina de agua que baña la coraza del crisol esta estaba dispareja, de tal forma que estaba generando zonas de bajo flujo de agua y a la vez creando zonas calientes por falta de enfriamiento, además la calidad del agua del circuito de enfriamiento del crisol no era la mas adecuada de tal manera que se estaban nucleando incrustaciones y formando costras que estaban mermando la transferencia de calor hacia el exterior del crisol.

 

Como resultado de los puntos anteriores se ocasionó que las piqueras presentaran un flujo de gases que estaban emanando del interior del horno por la periferia de la chapa metálica, y por el interior del block de material vaciado, el cual estaba limitando el flujo de arrabio y escoria durante el vaciado del horno, así como promoviendo el incremento de carga térmica por el flujo de los gases calientes y por el bajo flujo de vaciado mermas de producción al tener que ajustar el proceso por presión diferencial.

 

 

 

Estrategias para asegurar la operación y mantenimiento del crisol.

 

Con los problemas antes mencionados se desarrollo un sistema para monitoreo, y medición de las temperaturas del crisol en tiempo real con información histórica hasta un año en línea, con el objetivo de minimizar los riesgos por falta de información de los operadores y que brinde el soporte para la operación del crisol en forma segura y confiable como se observa en la Figura 06.

 

Localización de T/C en las piqueras.

( REF 11 ) Figura 06.

 

En los pisos de vaciado para incrementar la disponibilidad de los equipos como maquina taladradora, cañón y basculante se llevaron a cabo adecuaciones a las prácticas y rutinas del mantenimiento preventivo, así como aplicar el mantenimiento proactivo en la línea operativa y análisis de falla.

 

La disponibilidad de canales de vaciado sufrió un cambio total en su filosofía de operación y mantenimiento del refractario mediante una revisión con escantillón y mediante la implementación de una base de datos estadísticos que permite visualizar el impacto de los parámetros de vaciado y calidad de arrabio sobre el comportamiento refractario del canal, además efectuando un mantenimiento preventivo programado y de oportunidad.

 

Para minimizar las fugas de las piqueras por el cuello y el centro del refractario se efectúan reparaciones cada seis meses demoliendo 40 cms de profundidad en el interior del cuello de la piquera para rellenarlo con material refractario bajo cemento inyectado a 35 kgs./cm2 con el objetivo de sellar grietas y eliminar filtraciones de gas entre el bloque de carbón y la chapa metálica, logrando con esto la optimización del flujo de arrabio y escoria durante el tiempo de vaciado, en la Figura 07 se puede apreciar la zona que es reparada con este método.

 

 

 

Reparación de la piquera.

( Ref 11) Figura 07.

 

En el refractario para la operación de la piquera fue necesario aprender a conocer su comportamiento para adecuar la practica operativa, las principales variables de mayor impacto son la temperatura de operación del refractario y su resistencia a la extrucion debido al índice de plasticidad, ya que era demasiado alto por lo que hubo necesidad de definir nuevos rangos de temperatura de operación de 110 °C. subirla a 140 - 150 °C y un volumen máximo de refractario dentro del deposito del cañón de inyección para asegurar la maza refractaria necesaria dentro de la piquera, además de efectuar ajustes a las propiedades físicas del refractario para reducir su índice de extrucion desde 170 Kg./cm2 hasta 110 kg./cm2 con el fin de poder manejarlo e inyectarlo en la piquera de acuerdo a practica operativa y que este no ofreciera tanta resistencia para la apertura ni en la inyección de refractario para tapar la piquera, en la tabla 04 se puede apreciar un comparativo de análisis químicos y propiedades físicas anteriores y actuales del refractario que se esta utilizando para la operación de las piqueras.

 

 

Elementos

Ant.

Act.

SiO2 %

14

14

Al2O3 %

54.1

54.1

SiC %

11.7

11.7

FeSiN3 %

3.7

3.7

Carbón %

11

11

Densidad Verde Lb/Ft3

156

148

Perdida Volátil 2000°F

9.5

10.2

Extrusión PSI 150 °F

160

109

Temp. de Operación

115

140

 

Análisis del refractario de piquera.

(Ref 12) Tabla 04

 

Para optimizar el enfriamiento de la coraza se reconstruyeron y reubicaron espreas en el cuerpo del crisol, colocando mas agua en el área de los cuellos de las piqueras y área periférica, y debido al grado de incrustaciones en la chapa metálica se lleva a cabo dos veces por año limpieza de la coraza sobre todo en el área de las piqueras con sistema hidrojet y/o chorro de arena para remover las adherencias, paralelo a esto se intensifico el control de la calidad del agua, la cual se puede apreciar en la Tabla 05.

 

Parámetros

Rango

Antes

Actual

P.H.

8 – 9

8.5

8.0

Alcalinidad

< 300

250

140

D. Calcio

< 800

200

400

Cloruros

< 2000

550

950

M.M./cm2

< 7000

2500

4350

Turbidez

< 60

90

35

Molibdeno

2 – 6

2.5

4.5

I. Estabilidad

6

5.2

6.3

Ciclos Conc.

Max. 3

1

2.5

S. S. T.

< 40

70

25

 

Agua de enfriamiento del Crisol.

Tabla 05

Debido a la deficiencia del diseño original por falta de termopares en las zonas criticas del crisol se procedió a instalar 34 termopares en las zonas de alto riesgo, para conocer y evaluar el flujo de calor del crisol en esa zona, así como proyectar bajo un modelo matemático las isoterma de 1200 ° Centígrados, con el fin de ubicar el perfil interno real del block de carbón, ver figura 08, así como desarrollar un sistema de monitoreo de las temperaturas registradas en los termopares del crisol, los análisis de las isotermas demostró que el perfil del cuerpo del crisol tiene un desgaste de acuerdo a la producción acumulada de 15,500,000 Tons. de arrabio hasta el mes de Septiembre del año 2002.

 

Isotermas del crisol (25/02/02).

(Ref 08) Figura 08.

 

 

Además como medida preventiva en el proceso de alto horno se inyecta mineral de titanio (TiO2) pulverizado vía toberas, este método se aplica con un sistema de arrastre neumático hasta las toberas a una distancia de tres toberas a cada lado de la piquera, y parando la operación de la piquera el mayor tiempo posible para generar un arrabio rico en titanio con el fin de formar una capa protectora de carburo de titanio en el área de alta temperatura de las piqueras, este seguimiento se lleva a cabo en forma diaria mediante un balance de materia y energía, con el fin de conocer la cantidad de titanio retenido en el interior del crisol, el mecanismo de formación del Ti(C,N) en la pared del crisol se puede ver en la Figura 09, en la figura 10 se puede ver el balance total de titanio durante cuatro periodos de inyección del mineral al crisol.

 

 

 

Mecanismo de formación del Ti (C, N).

( Ref 01) Figura 09.

 

Balance de Titanio.

Figura 10.

 

 

Además de la inyección de mineral de titanio se llevo a cabo un seguimiento muy estrecho en las entradas de oxido de potasio, temperatura de arrabio, carbón rate, contenido de silicio, producción del alto horno, temperatura de soplo caliente, el resultado grafico de las variables claves de la campaña se puede observar en la Figura 10.

 

 

Principales Variables 1994 a 2002.

( Ref 11) Figura 10

 

 

 

 

Resultados obtenidos.

 

Como se puede apreciar en la Figura 11 el comportamiento de las temperaturas referenciadas al punto "D" de la piquera N°2 muestra un comportamiento que garantiza seguridad, ya que se logro bajar la temperatura de mas de 650 ° C. a nivel de 220 ° C., en la grafica se aprecian los principales acontecimientos que se llevaron a cabo en la periferia de la piquera para poner bajo control la temperatura.

 

 

Comportamiento típico de temperaturas en piqueras.

Figura 11

 

 

 

Conclusiones.

 

Los programas implementados de limpieza de coraza, práctica de vaciado, mantenimiento preventivo de los equipos de vaciado, inyección de mortero de carbón en la coraza y además de la inyección de mineral de titanio vía toberas hicieron posible que la temperatura en la periferia de las piqueras disminuyera de 650 a 220 °.

 

 

Agradecimientos.

 

Queremos agradecer al personal de Operación y Mantenimiento A.H. 5, al Departamento de Refractarios, Área Técnica, así como el apoyo técnico y operativo de las compañías de servicio para el mantenimiento de canales de vaciado y refractario de la piquera y muy en especial al personal del área de Desarrollo Tecnológico, por los invaluables apoyos recibidos para la realización de este trabajo.

 

 

Referencias.

 

 

Fundamentals of titanium-rich scaffold formation in the blast furance Herat. D. Bergsma and R.J. Freuehan. Corus Research Development Tech0nology.

Blast furnace Hearth design and operation for long campaign life. H. Stewart B. Titterington and E. T.James. British Steel plc. U.K.

Monitoring of hearth condition ( a novel experience) N.P. Singh, A. Mukhopadhay, G.P. Goswami. Bokaro Steel Plant Sail.

Prolongation of blast Furnace Campaigns Factors Affecting the Life of the hearth. E. Wilms, J. Janz, H. B. Lungen, M. Peters and P. Schmole Joint Meeting of AISI Iron Committee.

Monitoring and Maintenance of Blast Furnace Hearths, AHMSA experience. A. Garcia, R. Rodriguez, J. Borrego, F. Aldama, Y. Bañuelos. Altos Hornos de Mexico S.A.

Seminar on Blast Furnace Hearth Madhu G. Ranade, Fred Hyle, Roxie Graystone, Frank Fisher AISI Committee Ironmaking and Refractories.

The Tap Hole Zone – the critical Factor in Long Campaign Life. D. Jemeson, British Steel Research, M.G. Eden Kavaerner Metals, R. Gordon Kavaerner Metals.

UCAR Union Carbide Company, Refractory Systems.

The Management of Protective Hearth Skulls at British Steel Scunthorpe, Richard Hood, Senior metallurgist British Steel Scunthorpe Works.

Informacion Técnica del Alto Horno. A.H.M.S.A.

Certificate of Análisis and Compliance, Vesuvius USA.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

START UP AND OPTIMIZATION OF GCI PLANT

THE AHMSA EXPERIENCE.

 

Altos Hornos de México S.A. de C.V.

* Octavio Gamez Mier

** Juan Alfredo Borrego V.

*** Fernando Liceaga Mtz

**** Hector Rolando Mata Esparza

* Manager Blast Furnace ;** Supt. GCI Plant; ** * Control process manager , **** Technology Department

 

ABSTRACT

This paper describes the start up and improvements at the B.F. No. 5 granulated coal injection (GCI) facility, as well as the B.F. operation, production, hot metal quality and fuel consumption during the last two years.

 

 

1.- INTRODUCTION

 

Altos Hornos de México S.A. de C.V. (AHMSA) is an integrated Steel Plant, who was purchased from the Government in 1991 by Grupo Acerero del Norte (GAN). The AHMSA plant is situated in Monclova City, State of Coahuila, about 160 miles south of the US - México border.

 

No. 5 Blast Furnace and GCI plant were designed and built by DAVY, the latter with a design an injection capacity of 200 Kg./ T.H.M. at a production rate of 5,500 THM/ day.

 

2.- B.F.5 Coal Injection facility.

 

The instalations are designed in order to handle a maximum of 60 tons of granulated coal per hour, this range will allow coal injection levels of 200 Kg./ THM at a production rate of 5,500 THM/ day.

 

Coal Plant. Characteristics.

Conveyors 200 Tons. / hr.

Raw coal hopper. 400 tons.

Mill Dryer. 60 Tons. / Hr.

Classifier. Blade rotational

Exit Mill grain size. 100%< 5 mm. 98%< 3 mm. 95%< 2 mm. 30%< mesh 200

Gases temperature into the mill. Maximum 250° C - 280 °C.

Bag filters home - 816 bag filters.

Capacity of filtering. 70.000 mts3/ Hr. 30 mg./mt.3. Chimeny exit.

Temperature of bags filters. 80 to 110 °C. maximum

Screen. 70 Tons./ Hr. 3 mesh (5,6,7 mm.)

Coal pump . 70 Tons./ Hr.

Silos. 2 186 tons.

Inyectors. 4 190.8 Kg./ Min.

Injection capacity . 45.8 Tons./ Hr.

The production of granulated coal began in January 18 of 1997, and coal injection also began in January, 23 of 1997. Coal injection to the Blast Furnace has been a gradual process, since the blast furnace was operating with about 100 Kg/THM of natural gas plus oil, as a first step, both of them were replaced by coal.

The grinding and drying facilities were started with some difficulties. But the major one was periodic blockages during several months on the conveying lines and coal filters, mainly because of some debris, small pieces of wood, synthetic fibers, plastics and all kinds of "rare" materials that come as a characteristic of coal from underground mines.

This problems was solved by means of:

A.- A big campaign on coal miners to avoid the use of coal conveyors as garbage pits.

B.-Installation of screening systems at every coal mine and rehabilitation of same systems at the coal washing plants.

C.- Installation of a screening system at the homogenized coal handling facility.

 

3.- COAL QUALITY

At the begining, in january 1997 the injection start up with AHMSA (MIMOSA) coal (95 %) plus petrolum coke (5 %), and the last quarter of 1998 because of problems in MIMOSA coal mines, high volatile Colombian coal from "El Cerrejon" mine was used as a substitute.

The practical replacement ratio in both coals is 0.82 for AHMSA coal and 0.80 for colombian coal. With Colombian coal operation in the GCI plant was improved, mainly in the fluidization system.

The latest analysis for both coals (dry basis) is shown in table no. 1 :

 

4.- B.F. PROCESS CONTROL

Coke consumption decreased as coal injection level increased; the first goal was to replace the sum of oil and natural gas injection ( 100 Kg/THM ), as shown in charts no.1 and no.2.

Coke rate increases during June and July were because of a 12 day B.F. outage (to replace the gear box from Paul Wurth system, and to perform a preventive maintenance to B. F. Stack), plus certain problems in instrumentation and coal fluidization control systems at the GCI plant.

table no.1

%

AHMSA

COLOMBIAN

CARBON

76.77

73.55

HYDROGEN

4.53

4.79

NITROGEN

1.59

1.68

SULFUR

1.15

0.61

OXIGEN

2.64

9.64

ASH

13.72

9.82

VOLATILE

23

38

HGI

93

43

 

Results were that only about 55 Kg/THM of coal were injected during those two months.

Another issue was encountered because of the high input of alkalies and Zinc in the No. 5 B.F. burden. Certain difficulties to maintain the equilibrium between center and peripheric gas flow was experienced.

Alkalies and Zinc inputs are shown in chart No. 3 and No. 4. Heat losses are shown in chart No. 5.

From these charts, it is clear that alkalies and zinc inputs are higher than the standard international values. Taking this facts into account, a special burden distribution practice was developed to maintain certain assurance avoiding scaffold developments and acomplish at least the lower limits on alkalies and Zinc outputs.

This practice has proven to be effective on both goals, and it can be summarized as folows:

1.- Burden distribution is changed by moving only the coke to the center or at the walls, keeping wall temperatures higher to 150° C. At the same time, gas efficience is kept as low as 47.5 %.

2.-Slag basicity (CaO/SiO2) is kept between 1.05 and 1.10, and it is decreased to 0.95 to 1.0 when slag contents of potassium oxide are lower to 80 % of total inputs.

 

CHART No.1

COKE RATE Kg/THM

 

 

CHART NO.2

INJECTION RATE ( Kg/THM )

CHART No.3

ALKALIES INPUTS

 

CHART No.4

ZINC INPUT

 

 

CONCLUSION

 

1.- The learning curve was fast; 12 months.

 

2.- The main problems for coal injection were: the wood in the coal and the problems in instrumentation and fluidization control systems at the GCI plant.

 

3.- The best replacement ratio for AHMSA coal was 0.82 and as far as colombian coal is still in use, best replacement ratio for this coal has not been reached yet, present replacement is 0.80