A blast furnace is considered as a counter current type reactor where the blast gas flows upward while the packed bed of particles is slowly moving downward. The bed is consisted of a multiple of alternating layers of coke and iron ore. The particles of iron ore are heated up and chemically reduced until they change their phase into liquid. After passing through the cohesive zone, molten iron passes through the packed bed of coke particles which still undergoes oxidation. Lower part of a blast furnace is defined as a region under the cohesive zone, where liquid phase molten iron flows down through the packed bed of solid coke particles while blast gas from the tuyere flows upward.
The increasing interest on minimizing fuel consumption and reducing environmental problems of the iron making industry has led to efforts to optimize the blast furnace process. One of the unexplored fields emerging from the adoption of new operating conditions is the internal phenomena in the lower part of the furnace following the change of cohesive zone shape. The effective flow in the dripping zone of a blast furnace is important for stable operation with high iron productivity. Study of the liquid flow behavior in a packed bed needs to investigate the effect of various operational changes in the dripping zone.
In this research, mathematical formulations in the lower part of a blast furnace are derived for the gas, liquid and solid. Isothermal flow for three phases is simulated to understand flow and interaction among each phase. The results from the mathematical modeling include the radial distribution of velocity and mass flow rate. Coke size and viscosity which can change the porosity of the lower parts are used as parameters to analyze the basic results. And the results are simulated with the variation of the shape of cohesive zone to see the effect of the charging condition. After finishing the isothermal flow model, chemicals species and temperature distribution are also simulated during the change of the cohesive zone.
In conclusion, optimizing the production rate and preventing abnormality in the lower part of a blast furnace are derived from the plausible explanation of internal state. Understanding basic behavior in the lower part of a blast furnace can be achieved by isothermal flow modeling. In addition, the liquid flow and distribution of chemical species in the lower part can be controlled by varying the charging system to infer the effect of operating condition.
고로 공정은 제철산업의 대표적인 공정이라고 할 수 있다. 환경 문제와 연료 소비를 최소화 할 수 있는 연구가 많이 진행되어 왔다. 하지만 로의 크기가 대형화 되어있고 연속 운전되는 장치이기 때문에 장치를 해부해서 보는 것은 경제적인 관점에서 보았을 때 합리적이지 못하다. 실험적인 방법에 의해서 고로 공정을 재현하는 것도 매우 어려운 것으로 알려져 있다.
고로 공정 가운데 고로 하부에서의 열 유동 및 화학종 분포는 선철의 생산량과 품질에 직접적인 관련이 있다. 용융은 상부에서 거의 다 끝나지만 하부에서 coke silica환원 반응이나 silicon transfer 반응과 같은 이차적인 반응이 일어나게 된다. 이러한 고로하부에서의 내부 변화는 고로 전체의 온도분포와 선철에 함유되는 불순물의 함량이 좌우된다.
고로 하부의 내부 상황을 예측하기 위해서 먼저 고로 하부의 대상 영역을 결정하였다. 기존에 개발된 환원반응 모델로부터 연화 융착대를 이용하여 대상 영역의 위쪽 경계를 결정하게 된다. 이러한 영역은 코크스와 철광석의 장입 조건에 따라 달라지게 된다.
먼저 1800K일 때의 물성치를 이용하여 냉간 유동을 먼저 모사하였다. 코크스 입자 사이즈 분포에 의해 결정되는 가스의 투과율과 온도에 따라 바뀌는 점도 변화에 대한 인자해석이 이뤄졌다. 대표적인 운전조건으로 쉽게 조작할 수 있는 Lo/Lc변화에 따른 유동 변화를 확인할 수 있었다.
냉간유동 결과를 바탕으로 고로 하부에서 일어나는 이차적인 반응에 의해 온도 분포와 화학종 분포가 어떻게 이뤄지는지 볼 수 있다. 액체 유동의 반경에 방향에 따른 변화, 반응에 의한 온도 감소를 확인할 수 있다. 최종적으로 Lo/Lc 변화에 따른 연화 융착대 형상 변화를 이용하여 열유동 및 반응을 모사하였다. 운전 조건에 의해서 선철에 함유되는 탄소와 실리콘 성분을 최소화 하는 품질 최적화와 선철의 비이상적인 유동을 막을 수 있는 모델을 제시할 수 있다.
