Basic Concepts of Iron and Steel Making

644 Pages·2020·14.51 MB·English

by  Sujay Kumar Dutta, Yakshil B. Chokshi

Sujay Kumar Dutta
Yakshil B. Chokshi
Basic Concepts
of Iron and
Steel Making
Basic Concepts of Iron and Steel Making
Sujay Kumar Dutta Yakshil B. Chokshi
(cid:129)
Basic Concepts of Iron
and Steel Making
123
SujayKumar Dutta YakshilB. Chokshi
Metallurgical andMaterials Metallurgical EngineeringDepartment
Engineering Department Government Polytechnic Rajkot
Faculty of Technology andEngineering Rajkot, Gujarat, India
TheMaharaja SayajiraoUniversity
of Baroda
Vadodara, Gujarat, India
ISBN978-981-15-2436-3 ISBN978-981-15-2437-0 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-981-15-2437-0
©SpringerNatureSingaporePteLtd.2020
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189721,Singapore
Preface
Thesteelisthemostwidelyusedmetallic(i.e.iron)alloy,anditsproduction
(in world) is more than fifty times total production of combined all other
metals. That is why iron and steel form one group (i.e. ferrous metals), and
other metal combinations (except iron) form other group (i.e. non-ferrous
metals). India occupies third position in world steel’s production and will
become second in coming decade. All Metallurgical and Materials Engi-
neering Departments in technical colleges/institutes, particularly in India,
have teaching programmes in ironmaking and steelmaking. During the past
three and half decades, many advances have been made in the implemen-
tation of new technologies in the ironmaking and steelmaking. These tech-
nical advances have been reflected also on the curriculum given at the
technical colleges/institutes. This textbook covers almost all the important
basic concepts, derivations and numerical for undergraduate and graduate
engineering students in simple and easy to understand formats. Even plant’s
engineers or operators and research scientists can brush up their under-
standing of ironmaking and steelmaking and use as a source of reference.
This textbook is divided into six parts: Part I (Ironmaking) of the book
covers Raw Materials and Blast Furnace Ironmaking, Part II covers
Alternate Methods of Ironmaking including sponge iron, smelting reduc-
tion processes, etc., Part III covers Physical Chemistry of Ironmaking
including thermodynamics and kinetics, Part IV covers all Steelmaking
Processes, Part V covers Thermodynamics and Physical Chemistry of
Steelmaking, and Part VI discusses Pollution in iron and steel plants.
SujayKumarDuttataughtprocessmetallurgy,ingeneral,andironmaking
and steelmaking in particular, at M. S. University of Baroda, India, for
thirty-six years. He visited several iron and steel plants; interactions with
professionals have considerably enhanced his knowledge of the subject. He
wishes to gratefully acknowledge all of them. He expresses his gratitude to
his teachers Prof. A. K. Chakrabarti (earlier Bengal Engineering College,
Shibpur; presently Indian Institute of Engineering Science and Technology,
Shibpur, India) for introducing him to the metallurgy of ironmaking and
steelmaking and Prof. A. Ghosh (Indian Institute of Technology Kanpur,
India) for advance ironmaking and steelmaking, which have inspired him
throughout his career.
v
vi Preface
Despitetakingallthepossiblecare,theremaybesomeerrorsormistakes
leftoutunnoticed.Ifso,pleasefeelfreetointeractwithus.Inmouldingand
casting thistextbook, wepoured ourlongexperience initandalsocollected
the information from several sources. We are indebted to one and all, from
whose valuable knowledge we have been benefited. We thank our family
members for their cooperation during the preparation of the book.
Vadodara, India Sujay Kumar Dutta
Rajkot, India Yakshil B. Chokshi
Contents
Part I Ironmaking
1 Raw Materials.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 3
1.1 Introduction of Ferrous Extractive Metallurgy. ..... .... 3
1.2 Raw Materials..... .... .... .... .... .... ..... .... 4
1.2.1 Iron Ore.. .... .... .... .... .... ..... .... 5
1.2.2 Metallurgical Coke . .... .... .... ..... .... 7
1.2.3 Fluxes ... .... .... .... .... .... ..... .... 18
1.2.4 Air Supply.... .... .... .... .... ..... .... 18
1.2.5 Problem of Indian’s Raw Materials. ..... .... 19
1.3 Agglomeration Processes .... .... .... .... ..... .... 19
1.3.1 Sintering . .... .... .... .... .... ..... .... 20
1.3.2 Pelletization... .... .... .... .... ..... .... 24
1.3.3 Briquetting.... .... .... .... .... ..... .... 30
1.3.4 Nodulizing.... .... .... .... .... ..... .... 31
1.3.5 New Feed Material (Iron Ore–Coal
Composite Pellet)... .... .... .... ..... .... 32
1.3.6 Testing of Agglomerates . .... .... ..... .... 34
Probable Questions . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 42
Examples. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 43
Problems. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 47
References.... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 48
2 Blast Furnace Process... .... .... .... .... .... ..... .... 51
2.1 Outline of Blast Furnace Process .. .... .... ..... .... 51
2.2 Constructional Features of BF. .... .... .... ..... .... 52
2.3 Temperature Profile of BF ... .... .... .... ..... .... 56
2.4 Function of Charged Materials in BF ... .... ..... .... 57
2.5 Charging System of BF . .... .... .... .... ..... .... 58
2.5.1 Two-Bell Charging System ... .... ..... .... 58
2.5.2 Bell-Less Top (BLT) System.. .... ..... .... 62
2.6 Size of Charge Particles . .... .... .... .... ..... .... 67
Probable Questions . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 68
References.... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 68
vii
viii Contents
3 Blast Furnace Reactions . .... .... .... .... .... ..... .... 69
3.1 Blast Furnace Reactions . .... .... .... .... ..... .... 69
3.1.1 Tuyere Reactions or Combustion Zone
Reactions. .... .... .... .... .... ..... .... 69
3.1.2 Reactions in the Stack... .... .... ..... .... 71
3.1.3 Bosh Reactions .... .... .... .... ..... .... 73
3.1.4 Hearth Reactions... .... .... .... ..... .... 75
3.2 Slag.... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 76
3.2.1 BF Slag.. .... .... .... .... .... ..... .... 77
3.3 Modern Concept of BF Process ... .... .... ..... .... 78
3.3.1 Lumpy or Granular Zone. .... .... ..... .... 79
3.3.2 Softening and Melting Zone .. .... ..... .... 80
3.3.3 Dripping (or Dropping) Zone.. .... ..... .... 80
3.3.4 Raceway Zone. .... .... .... .... ..... .... 81
3.3.5 Hearth Zone... .... .... .... .... ..... .... 81
3.4 Direct and Indirect Reduction. .... .... .... ..... .... 81
3.5 Tuyere Flame Temperature (TFT).. .... .... ..... .... 82
3.6 Raceway Adiabatic Flame Temperature (RAFT).... .... 82
3.7 Modern Trends of BF Practice .... .... .... ..... .... 84
3.7.1 Large Capacity of Furnaces... .... ..... .... 85
3.7.2 Burden Preparation . .... .... .... ..... .... 85
3.7.3 Better Distribution of Burden . .... ..... .... 86
3.7.4 Blast Temperature .. .... .... .... ..... .... 86
3.7.5 Oxygen Enrichment of Blast .. .... ..... .... 86
3.7.6 Humidification of Blast .. .... .... ..... .... 87
3.7.7 Auxiliary Fuel Injection.. .... .... ..... .... 88
3.7.8 Pulverized Coal Injection (PCI).... ..... .... 89
3.7.9 Lime Injection. .... .... .... .... ..... .... 93
3.7.10 High Top Pressure.. .... .... .... ..... .... 93
3.8 Transfer of Silicon and Sulphur ... .... .... ..... .... 94
3.9 Aerodynamics..... .... .... .... .... .... ..... .... 95
3.10 BF Productivity.... .... .... .... .... .... ..... .... 96
Probable Questions . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 98
Examples. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 99
Problems. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 110
References.... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 111
4 Furnace Auxiliaries..... .... .... .... .... .... ..... .... 113
4.1 Cleaning of BF Gas .... .... .... .... .... ..... .... 113
4.1.1 Dust Catcher .. .... .... .... .... ..... .... 113
4.1.2 Primary Cleaning or Wet-Cleaning . ..... .... 114
4.1.3 Secondary Cleaning. .... .... .... ..... .... 116
4.1.4 Dry-Cleaning.. .... .... .... .... ..... .... 118
4.1.5 Comparing of Dry- and Wet-Cleaning.... .... 118
4.2 Hot Blast Stoves... .... .... .... .... .... ..... .... 119
4.3 Blast Furnace Control... .... .... .... .... ..... .... 121
4.3.1 Control of Temperature.. .... .... ..... .... 121
4.3.2 Control of Composition.. .... .... ..... .... 122
Contents ix
4.4 BF Cooling Arrangements ... .... .... .... ..... .... 122
Probable Questions . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 123
References.... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 124
5 Operation of Blast Furnace... .... .... .... .... ..... .... 125
5.1 Operation of the Furnace .... .... .... .... ..... .... 125
5.1.1 Blowing In.... .... .... .... .... ..... .... 125
5.1.2 Banking.. .... .... .... .... .... ..... .... 126
5.1.3 Blowing Out .. .... .... .... .... ..... .... 127
5.2 Operational Problems of BF.. .... .... .... ..... .... 127
5.2.1 Hot Spots. .... .... .... .... .... ..... .... 127
5.2.2 Scaffolding.... .... .... .... .... ..... .... 128
5.2.3 Slipping.. .... .... .... .... .... ..... .... 128
5.2.4 Breakouts. .... .... .... .... .... ..... .... 128
5.3 BF Refractory..... .... .... .... .... .... ..... .... 128
Probable Questions . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 130
References.... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 130
Part II Alternate Methods of Ironmaking
6 Raw Materials for DR Processes .. .... .... .... ..... .... 135
6.1 Introduction.. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 135
6.2 Iron Ore .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 135
6.2.1 Characteristics of Iron Ore.... .... ..... .... 135
6.3 Coal ... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 139
6.3.1 Reactivity. .... .... .... .... .... ..... .... 140
6.3.2 Ash Content... .... .... .... .... ..... .... 140
6.3.3 Volatile Matter and Sulphur Content..... .... 141
6.3.4 Coking and Swelling Indices.. .... ..... .... 142
6.4 Natural Gas.. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 142
6.4.1 Reforming Reaction. .... .... .... ..... .... 142
6.5 Other Raw Materials.... .... .... .... .... ..... .... 145
6.6 Sizes of Raw Materials.. .... .... .... .... ..... .... 145
6.7 Composite Pellets.. .... .... .... .... .... ..... .... 146
Probable Questions . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 146
References.... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 147
7 Sponge Iron.. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 149
7.1 Introduction of Sponge Iron .. .... .... .... ..... .... 149
7.2 Definition of Sponge Iron.... .... .... .... ..... .... 149
7.3 Sponge Iron Processes .. .... .... .... .... ..... .... 150
7.3.1 Coal-Based Processes ... .... .... ..... .... 150
7.3.2 Gas-Based Processes .... .... .... ..... .... 152
7.4 Reactions ... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 153
7.4.1 Coal-Based ... .... .... .... .... ..... .... 153
7.4.2 Gas-Based .... .... .... .... .... ..... .... 154
7.5 Coal-Based Processes... .... .... .... .... ..... .... 155
7.5.1 Rotary Kiln Process. .... .... .... ..... .... 155
7.5.2 Rotary Hearth Process... .... .... ..... .... 162
x Contents
7.6 Gas-Based Processes.... .... .... .... .... ..... .... 166
7.6.1 Midrex Process .... .... .... .... ..... .... 166
7.6.2 HyL Process .. .... .... .... .... ..... .... 169
7.6.3 Purofer Process .... .... .... .... ..... .... 174
7.6.4 FINMET Process... .... .... .... ..... .... 174
7.6.5 HIB Process... .... .... .... .... ..... .... 175
7.7 Forms of Sponge Iron... .... .... .... .... ..... .... 175
7.7.1 Cold Sponge Iron/DRI (CDRI) .... ..... .... 177
7.7.2 Hot Sponge Iron/DRI (HDRI). .... ..... .... 177
7.7.3 Hot Briquetted Iron (HBI).... .... ..... .... 177
7.8 Characteristics of Sponge Iron .... .... .... ..... .... 178
7.8.1 Metallization .. .... .... .... .... ..... .... 179
7.8.2 Carbon Content.... .... .... .... ..... .... 179
7.8.3 Gangue Content.... .... .... .... ..... .... 179
7.8.4 Impurities and Residual Elements .. ..... .... 180
7.9 Quality of Sponge Iron.. .... .... .... .... ..... .... 180
7.10 Re-oxidation of Sponge Iron.. .... .... .... ..... .... 180
7.10.1 Preventive Measures .... .... .... ..... .... 182
7.11 Use of Sponge Iron. .... .... .... .... .... ..... .... 184
7.11.1 Use of Sponge Iron/DRI in BF .... ..... .... 184
7.11.2 Use of Sponge Iron/DRI in LD/BOF..... .... 185
7.11.3 Use of Sponge Iron/DRI in EAF... ..... .... 186
7.11.4 Use of Sponge Iron/DRI in IMF ... ..... .... 187
7.12 Environmental Benefits of Sponge Iron/DRI.. ..... .... 188
7.13 Iron Carbide . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 189
Probable Questions . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 190
Examples. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 190
Problems. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 197
References.... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 197
8 Smelting Reduction Processes. .... .... .... .... ..... .... 199
8.1 Need of Smelting Reduction.. .... .... .... ..... .... 199
8.1.1 Why Are Smelting Reduction Processes
Required?. .... .... .... .... .... ..... .... 201
8.2 Significance of Smelting Reduction .... .... ..... .... 202
8.3 Principle of SR Processes.... .... .... .... ..... .... 202
8.4 Classification of SR Processes .... .... .... ..... .... 203
8.4.1 Processes Utilizing Coal and Electricity... .... 203
8.4.2 Processes Utilizing Oxygen and Coal .... .... 204
8.5 Advantages of Smelting Reduction Processes. ..... .... 205
8.6 Limitations of Smelting Reduction Processes . ..... .... 207
8.7 Major Smelting Reduction (SR) Processes.... ..... .... 207
8.7.1 Corex Process . .... .... .... .... ..... .... 208
8.7.2 Romelt Process .... .... .... .... ..... .... 212
8.7.3 DIOS Process . .... .... .... .... ..... .... 215
8.7.4 HIsmelt Process.... .... .... .... ..... .... 215