A blast furnace process is applied to produce liquid pig iron that is suitable for subsequent refining to steel in an iron-making process. Increases in the productivity and reliability of the operation have been largely due to an enhanced understanding of the complicated physical and chemical phenomena in the furnace. However, methods such as a direct inspection and measurements of an actual furnace are limited, and conceptual descriptions and interpretive suggestions can supplement the working ideas of the complex phenomena inside the furnace. Computational modeling based on a mathematical formulation of the fundamental physico-chemical processes can significantly enhance the level of understanding by providing insight on the elementary steps of the process.
A blast furnace can be modeled in a similar approach using a counter-current bed reactor. The objective of this study is to present a numerical model for predicting the shape of cohesive zone and predict operation condition such as pressure and temperature in a blast furnace. Description of physical processes of flow, heat transfer, mass conservation with chemical reaction inevitably requires simplification. First simplification is related with the geometry. Although the blast furnace is characteristically 3-dimensional in nature, 2-dimensional axi-symmetry will be assumed for simplicity while not sacrificing the significance of the physics. Also, time variation is not allowed, so that only the steady-state is considered. It is assumed that only two phases (solid and gas phases) exist in the furnace. Material composition in the solid phase includes coke, limestone and iron ore which changes it s own chemical state from $Fe_2O_3$, $Fe_3O_4$, $Fe_wO$ and Fe. Gas phase materials include CO, $CO_2$, $H_2$, $H_2O$ and $N_2$. Blast furnace is considered as a layer of solid bed whose components are homogeneously distributed. This would enable to consider the solid bed as a continuum, so that discretization is possible. Gas flow and interaction with the bed, approach for the flow through the porous media will be adopted. Conservation of gas phase must be satisfied while the components of the gas phase may change according to the mass reaction. The charging material is treated as porous media constructed by coke and ore layers. The internal gas flow of the furnace is controlled by burden distribution owing to the different permeability of the two layers. For an understanding of the influence of the burden distribution on the operating conditions, the entire layer structure is predicted from the measured top layer structure and the solid flow is assumed according to the potential flow. Using this burden distribution, the flow, energy, and chemical species conservation equations are considered for each phase. In addition, the mass generation/consumption according to the reaction, heat transfer between the gas and the solid phases, and the reaction heat are reflected by source terms in the governing equations. For several calculation cases, layer structures are constructed and numerical simulations are conducted. The finite volume method was used for the numerical simulations. Through this approach, the flow, composition and temperature within the furnace are predicted by the model. Additionally, effect of thickness of layer, deadman height, radial particle size distribution and blast race was evaluated by parametric analysis.
고로공정은 철광석을 환원시켜 선철을 생산하는 공정으로써 제선공정의 핵심이라 할 수 있다. 고로는 향류식 반응기(Counter current reactor)로써 철광석은 고로에 괴코크스 및 석회석과 함께 장입되고, 고로 하부에서 $1100\deg C$ 가량의 뜨거운 공기 또는 산소 부화공기가 풍구로 유입되어 코크스를 연소시키고 이로부터 발생되는 환원가스(CO, $H_2$ )에 의해 장입물이 가열, 환원 및 용해되어 선철과 슬래그가 출선구를 통해 배출된다. 고로내부는 일어나는 현상에 따라 괴상대, 연화융착대, 데드맨, 연소대의 영역으로 나눌 수 있다. 고로 설비의 특성상 노 내의 현상을 파악하기 위한 실측이 어려운 부분이 많이 있다. 실제 고로의 해체와 같은 작업은 경제적, 시간적인 면에서 효과적이지 못하기 때문에 노 내 현상 이해에 대한 난점이 존재한다. 이러한 어려움을 해결하기 위해서 기본적인 노 내의 현상예측, 공정 운전 조건의 실시간 예측 그리고 공정을 제어하기 위한 모델링이 많이 이뤄지고 있다. 실제 고로 모델링에 관한 많은 연구가 일본을 중심으로 진행되어 왔으며, 기술적으로 선도하는 위치에 있다.
환원가스의 유동분포를 제어하기 위해서 노 상부에서의 코크스와 철광석의 장입을 조절할 필요가 있다. 이것을 위해 실제 고로 조업에서는 노정에서 장입되는 코크스층과 철광석층의 두께를 profilemeter를 이용하여 측정, 관리하고 있는데 이로부터 얻어지는 데이터를 통해 코크스와 광석의 장입이 적절히 이루어지고 있는지를 판단할 수 있는 근거가 필요하다. 이를 위해서는 노 상부에서 측정된 장입물의 profile을 이용하여 노 전체에서의 장입물의 층상구조를 예측하고 이러한 층상구조가 노 내 운전상황에 미치는 영향을 평가할 필요가 있게 된다.
따라서 이 연구에서는 층상구조를 고려할 수 있는 축대칭 2차원 정상상태 고로 해석 모델을 수립하였다. 측정된 Lo/Lc데이터로 층상구조를 구하고 그것을 바탕으로 격자를 구성하였다. 구해진 층상구조를 이용하여 장입물을 다공층(porous media)로 가정하고 고체상과 가스상에 대하여 지배방정식을 수립하였으며, 세부 모델들로 화학반응, 상간 열전달이 고려 되었다. 고로 모델링을 적용하여 노 내 열유동 현상을 해석하였다. 구해진 노 내 온도 분포를 통해 가스의 유동이 Lo/Lc의 영향을 받는 것을 알 수 있었고, 이러한 유동의 변화는 온도장이나 화학종 분포에도 영향을 미치게 된다. 또한 측정된 노 내 온도분포와 노정 가스 조성과의 비교를 통해 모델의 타당성을 검증하였다. 그리고, 층상의 두께, 데드맨의 높이, 반경방향으로의 장입물의 입경 분포 등의 운전 인자 변화가 환원 효율에 미치는 영향을 평가하기 위해 각 조건에서의 CO가스 이용율과 간접환원반응 비율을 비교하였다
