technologia sterowanie i automatyzacja procesów...

of 56 /56
AKADEMIA GÓRNICZO – HUTNICZA im. Stanisława Staszica w Krakowie WYDZIAŁ INŻYNIERII METALI I INFORMATYKI PRZEMYSŁOWEJ Prof. dr hab. inż. Andrzej Łędzki Dr inż. Arkadiusz Klimczyk Dr inż. Ryszard Stachura Dr inż. Mikołaj Bernasowski Dr inż. Piotr Migas TECHNOLOGIA, STEROWANIE I AUTOMATYZACJA PROCESÓW WYTWARZANIA ŻELAZA /do użytku wewnętrznego AGH/ Studia magisterskie, Semestr II

Author: others

Post on 23-May-2021

0 views

Category:

Documents


0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

Microsoft Word - Technologia sterowanie i automatyzacja procesów wytwarzania elaza.docw Krakowie
WYDZIA INYNIERII METALI I INFORMATYKI PRZEMYSOWEJ
Prof. dr hab. in. Andrzej dzki Dr in. Arkadiusz Klimczyk Dr in. Ryszard Stachura Dr in. Mikoaj Bernasowski Dr in. Piotr Migas
TECHNOLOGIA, STEROWANIE I AUTOMATYZACJA PROCESÓW
WYTWARZANIA ELAZA
I. Wsad do wielkich pieców. I.1. Kompleks produkcyjny spiekalnia-wielkie piece – stan aktualny.
I.1.1.Wprowadzenie.
Aktualnie i przynajmniej do 2020 r uznaje si, e najbardziej ekonomiczna i technologicznie najbardziej uzasadniona jest produkcja surowej stali w linii: spiekalnia (ewentualnie grudkowania), wielkie piece i konwertor tlenowy lub piec elektryczny. W tej linii ze wzgldów ekonomicznych i ekologicznych dy si bez przerwy do zmniejszenia zuycia paliwa, ograniczenia emisji pyów i gazów oraz zmniejszenia odpadów staych. Poniewa w w/w linii produkcji stali surowej spiekania i wielkie piece zuywaj ok. 80% energii (dla wyprodukowania surowej stali), w tych technologiach poszukuje si oszczdnoci, zakadajc jednoczenie stay lub lepszy poziom jakoci spieku, surówki elaza czy stali. Spiekalnia produkujc spiek jako wsad specjalnie przygotowany dla wielkich pieców zobowizana jest spenia warunki jakociowe spieku dyktowane przez wielkie piece. Podobnie musi by skoordynowana z wielkimi piecami masa produkowanego spieku. Do poowy lat szedziesitych produkowano spiek o zasadowoci od 0,9 do 1,05, a zatem spieki zwane kwanymi i nieznacznie zasadowymi. Dalsza poprawa technologii wielkopiecowej zmusia spiekalników na przeomie lat siedemdziesitych do produkcji tzw. spieku samotopliwego o stosunku CaO/SiO2 (zasadowoci) od ok. 1,05 do 1,2. Pozwalao to oulowa krzemionk popiou koksu, przez co zminimalizowano udzia surowego topnika we wsadzie wielkich pieców. Eliminacja surowych wglanowych topników ze wsadu wielkopiecowego jest jednym z najwaniejszych celów obnienia zuycia energii, bowiem np. na rozkad 100kg kamienia wapiennego na ton surówki zuywa si dodatkowo ok. 30kg koksu. Dla maej huty produkujcej ok. 1 mln t surówki oznacza to zmniejszenie kosztów o ok. (30.000 t/rok x 450 dolarów USA) dolarów USA 13,5 mln US Dolar lub ok. 7 mln Euro/rok (2008). Wyeliminowa surowy topnik mona tylko wtedy kiedy we wsadzie stosuje si wycznie spiek samotopliwy bez udziau elazodajnych tworzyw kwanych. Zwykle jednak tak dua produkcja spieku samotopliwego pociga za sob bardzo du emisj gazów i pyów. Wanie z powodów ekologicznych jak równie duej dostpnoci grudek ogranicza si produkcj spieku poprzez zmniejszenie iloci pracujcych tam produkujcych spiek. Z coraz bardziej dostpnych na rynku grudek najwicej jest jednak kwanych czyli pod wzgldem wartoci metalurgicznej najmniej przydatnych dla procesu wielkopiecowego. S one jednak najtasze, a czsto tasze od produkowanego spieku. Pojawia si zatem szereg wariantów struktury wsadu wielkopiecowego, a mianowicie: a. produkcja surówki elaza wycznie na spieku samotopliwym bez dodatku surowych
topników wglanowych. Wariant ten powoduje du emisj gazów i pyów na spiekalni i ze wzgldów ekologicznych jest on aktualnie powoli wycofywany,
b. produkcja surówki elaza wycznie na grudkach z duym dodatkiem surowych topników celem odsiarczania surówki w wielkim piecu. Produkcja ta jest energochonna a zatem nieekonomiczna ale proekologiczna bowiem eliminuje prac spiekalni,
c. produkcja surówki elaza jak w pkt. b, ale bez udziau topników surowych. Surówka ta jest zasiarczona i musi by pozapiecowo odsiarczana. Wymaga to duych nakadów na budow agregatów odsiarczajcych oraz nakadów ponoszonych na odsiarczanie w tych agregatach. Wariant ten stosowany jest gównie w USA, Kanadzie i Szwecji i wg. wylicze tamtejszych koncernów koszt surówki porównywalny jest w przedstawionym poniej wariancie „a”,
d. produkcja surówki elaza z wsadu zoonego ze spieku samotopliwego i grudek zasadowych. Jest to technologia porównywalna z prezentowan w pkt. „a”. Jest ona proekologiczna (bo mniej produkuje si spieku) ale drosza. Moe ona by stosowana z powodzeniem tylko wtedy, kiedy zmniejszenie kosztów, kar i opat ekologicznych pokrywa rónic cen pomidzy drogimi grudkami zasadowymi, a spiekiem,
3
e. produkcja surówki z grudek mao kwanych ok. 80-90% i spieku ok. 10-20%, który peni rol topnika. Spiekalnia produkuje mao bogaty w elazo i w maej iloci spiek, gównie z odpadów hutniczych. Odsiarczanie odbywa si poza wielkim piecem. Efekt pozytywny jest zarówno ekonomiczny jak i podwójnie proekologiczny (likwidacja odpadów i emisji gazowych). Wariant ten w przypadku jak w USA (Mittal) o duej dostpnoci do wasnych tanich grudek jest najwyej oceniany przez metalurgów, ekologów i ekonomistów,
f. produkcja surówki elaza ze spieku wysokozasadowego i tanich grudek kwanych lub odsiarczanych najtaszych rud surowych. Zasadowo spieku okrela si pomidzy 1,4 a 2,5 w zalenoci od kwanoci grudek. Taki wariant stosuj koncerny USS w USA, Thyssen w RFN, Mittal we Francji, oceniajc go jako docelowy. wariant ten jest stale modernizowany technologicznie a kady koncern ma swoj wasn technologi w zalenoci od posiadanych agregatów, poziomu konstrukcyjnego urzdze przeciwdziaajcych emisji a gównie od cen i dostpnoci na danym rynku grudek i innych tworzyw elazodajnych.
Ten ostatni wariant dostosowany do warunków technicznych, maych moliwoci finansowych inwestowania oraz rodków na zakup tworzyw zosta wybrany w strategii rozwoju huty za docelowy w Mittal-Steel Poland (w HTs w 1995 r i w H. Katowice lata 2000) I.1.2.Logistyka wsadowa w wiecie i w Polsce przy produkcji surówki elaza.
W kadej hucie prac spiekalni okrelaj wymogi stawiane przez wielkie piece. Dotyczy to
zarówno iloci, jakoci oraz rodzaju produkowanego spieku. Aktualnie w wiatowym hutnictwie w nowoczesnych wielkich piecach stosuje si prawie wycznie wsad przygotowany. Wsad ten skada si gównie ze spieku i grudek. W niewielkim jedynie stopniu jako dodatek do spieku stosuje si – bardzo dokadnie odsiane, bogate w elazo o neutralnej zasadowo skale ponnej – rudy surowe. W wiatowym wielkopiecownictwie jako podstawowy wic wariant wsadowy przyjmuje si:
spiek w iloci od 100 do 50% masy wsadu elazodajnego, grudki w iloci od 0-50% masy wsadu elazodajnego,
W Niemczech udzia spieku rudnego wynosi od 52-60% (rednio 55,8%), grudek 31,3%, natomiast rud kawakowych odsianych od 10 do15% (rednio 12,9%). W poszczególnych koncernach niemieckich udzia ten by nastpujcy:
Thyssen Stahl Krupp Sthal AG – ok. 65% spieku, 23% grudek, 17% rud kawakowych, Wariant ten jest stosowany jako gówny u najwikszych producentów surówki i stali w wiecie tj. Japonii, USA, Rosji, Ukrainy. Niemiec, Wielkiej Brytanii, Korei i Beneluksu. Stosuj oni ten wariant dlatego, e wg danych niemieckich wprowadzenie kadego jednego procentu spieku do wsadu obnia koszt produkcji surówki o 0,26%. Dane z hut USA przyjmuj obnienie kosztu produkcji surówki na poziomie 0,2% na 1% spieku. Przyjmuje si w tym wariancie spiek bogaty w elazo tj. od 55 do 59%, zwykle o wysokiej zasadowoci bliskiej 2, jeli udzia grudek jest wysoki tj. od 20-50%. Im spiek zawiera mniej elaza tym zuycie jego jest mniejsze a grudek wiksze. Drugi wariant stosowany w Kanadzie (Dofasco), Szwecji (Lulea), USA (Garry, LTV) przewiduje prac pieców na 100% udziale grudek lub okoo 20% spieku i 80% grudek. Huty te wykorzystuj wasn baz rud nadajcych si jedynie do grudkowania. Podstawowym problemem tej technologii jest niska jednostkowa masa ula wynoszca od 180 do 240 kg/Mg sur. Z jednej strony prowadzi to do zmniejszenia jednostkowego zuycia paliwa (topi si o poow mniej materiaów ulotwórczych), z drugiej strony produkuje si surówki ze jakociowo tj. o zawartoci:
siarki od 0,056 do 0,12% Si jedynie powyej 0,6%, Mn jedynie powyej 0,6%.
Technologia ta wymaga jednak dodatkowo jedno lub dwustopniowego odsiarczania poza wielkim piecem. Oznacza to z kolei:
budow kosztownej instalacji do samego procesu odsiarczania jak i do utylizacji pyów i gazów powstajcych w czasie tego procesu,
4
zuycia ok. 3-5kg ton surówki czynnika odsiarczajcego (40% CaO i 60% CaC2) o stopniu czystoci 80% wdmuchiwanych w atmosferze azotu, ew. stosowanie bardzo drogiego magnezu.
Z powyszych powodów technologia ta uznawana jest jedynie za lokaln. Stwierdzi tutaj naley, e technologii z wyszym ni 50% udziaem grudek we wsadzie wielkopiecowym nie stosuje si nawet u najwikszego producenta grudek w wiecie jakim jest Brazylia. wiadczy o tym fakt wybudowania dla pieca o pojemnoci uytecznej 4515 m3 zadmuchanego w 1983 r tamy spiekalniczej o powierzchni 440 m2. Stosuje si tam wsad do wielkich pieców zoony z 85% spieku i 15% grudek wasnych i tylko sporadycznie zwiksza si udzia grudek przy remoncie tamy. W dawnej HTS przyjto taki kierunek dotyczcy wsadu w którym stosowano spiek (20-75%) i grudki (80-25%) przyjty w technologii wielkopiecowej na najblisze lata. celowym jest jego dalsza kontynuacja nawet na najblisze 15 lat z stopniow minmalizacj produkcji spieku ze wzgldu na du emisje gazów i pyów w spiekalni. Ma to swoje uzasadnienie zarówno w wymaganiach technologicznych dotyczcych wsadu wielkopiecowego oraz ekonomicznych (czny koszt produkcji surówki dotyczy powinien wielkich pieców i spiekalni cznie) jak równie ekologicznych (utylizacja na tamach spiekalniczych odpadów staych huty). I.1.2.1. Jako spieku Spiek rudny ze wzgldu na swoje wasnoci (fizyczne i chemiczne) w peni odpowiada wymogom procesu wielkopiecowego we wszystkich trzech funkcjach charakterystycznych dla jego prawidowego przebiegu tj.: przewiewnoci, redukcji oraz wymianie ciepa i masy. Stosowanie spieku rudnego o odpowiedniej zasadowoci zalenej od rodzaju zuywanych grudek (zwykle kwanych) pozwala na wyeliminowanie surowych topników wglanowych, a gównie kamienia wapiennego. Pozwala to równie na stabiln prac pieca i atw wymian ciepa i masy, co w konsekwencji najbardziej ze wszystkich czynników obnia zuycie energii w wielkim piecu. Ju eliminacja tylko 1 kg kamienia wapiennego na ton surówki ze wsadu wielkopiecowego prowadzi do oszczdnoci paliwa koksowego o 0,3 kg/t sur, co w konsekwencji – przy produkcji wielkich pieców rocznie ok. 2 mln ton surówki i cenach z pocztku 2007 - daje efekt ekonomiczny ok. 2,3 mld zotych. Wysok jako spieku zagwarantowa moe jedynie stosowanie rud bogatych, które z kolei s równie przedmiotem rosncych wymaga co do dokadnoci skadu chemicznego i skadu granulometrycznego. Niemal wszystkie rudy drobne i koncentraty stosowane w RFN przechodz w kopalniach mniej lub bardziej zoony proces przygotowa. Rudy drobne i koncentraty, które maj by spiekane miesza si z dodatkami, które mog zawiera potrzebne skadniki zasadowe i regulowa okrelony skad ula w procesie wielkopiecowym i które dodatnio wpywaj na produkcj i jako spieku. Dodatki mog zawiera kamie wapienny, wapno palone, dolomit, oliwin, piasek oraz rude krzemionkow. Wapno palone(10-25 kg/t spieku) stosuje si gównie dla zwikszenia uzysku spieku. Na pocztku lat osiemdziesitych próby zmniejszenia zuycia paliwa doprowadziy do tego, e dolomit bdcy nonikiem MgO zosta cakowicie zastpiony przez oliwin. Piasek i rud krzemionkow stosuje si jedynie dla dokadnego wyregulowania okrelonej zawartoci SiO2. Stosowanie ula konwertorowego w postaci kawakowej lub granulowanej ma równie wpyw na stosowanie pewnych dodatków w produkcji spieku. W spiekalniach moliwe jest przerabianie pewnych substancji zawracanych do obiegu w hutach elaza i stali posiadajcych znaczne zawartoci Fe, np. uli konwertorowych, pyu wielkopiecowego, odpadów surówki i zgorzeliny walcowniczej. Dziki temu moliwe jest zmniejszenie iloci materiaów skadowanych na hadach. Cynk, oów , fosfor, alkalia, zwizki organiczne w materiaach zawracanych do obiegu wpywaj szkodliwie na sprawno elektrofiltrów, lub mog by niepodane jako skadniki spieku dla procesu wielkopiecowego. W zwizku z tym ze wzgldu na du zawarto fosforu stosowanie ula z procesu LD w ostatnich latach zostao znacznie ograniczone lub wstrzymane.
5
skadu chemicznego spieku, wyeliminowanie surowego topnika ze wsadu wielkopiecowego i obnienie FeO w spieku
(bez obnienia jego wytrzymaoci ) pozwala na znaczne obnienie zuycia koksu w wielkim piecu,
prawidowe przygotowanie mieszanki spiekajcej pod wzgldem skadu ziarnowego (kruszenie, sortowanie, domielenie i namiarowanie ) pozwolio w RFN na obnienie zuycia koksiku z 74 do 36 kg/t spieku ju w latach 1975-1988,
due znaczenie dla energetyki huty posiada odzysk ciepa z chodni spieku, które jest uywane w procesie spiekania do podgrzewania mieszanki i mediów do jej zapalania, a ponadto do wytwarzania pary zuywanej w hucie lub przerabianej na energi elektryczn.
I.1.2.2.Czynniki ekonomiczne Z czynników technologicznych w kompleksie wielkie piece – spiekalnia wpywajcych na koszt produkcji jako gówne zadanie naley przyj zasad, e koszt surówki moe by jeszcze duo mniejszy nawet przy wzrocie kosztu produkcji surówki, ale kompozycja wsadu na wielkich piecach musi by tak dobrana aby zapewni odpowiednie niskie zuycie paliwa przy regulowanej intensywnoci pracy pieca i zapewnieniu takiej masy i skadu ula, która gwarantuje dobr jako surówki. Oprócz jakoci rud kawakowych, spieku i grudek, czynnikiem decydujcym o ilociach tych materiaów we wsadzie wielkopiecowym jest równie cena. Powszechnie znan rzecz jest fakt, e wikszy udzia spieku i grudek we wsadzie wielkopiecowym ma korzystny wpyw na zuycie paliwa, mas ula i efektywno produkcji surówki. O udziale spieku i grudek we wsadzie wielkopiecowym decyduj zdolnoci produkcji spieku danej huty, koszty produkcji spieku, oraz cena okrelonej jakoci grudek na rynku wiatowym. W samej RFN nie ma w eksploatacji adnej wytwórni grudek. Przez ok. 10 lat wielkie piece firmy Thyssen Krupp pracoway na wsadzie zoonym 8-100% spieku przy czym udzia spieku wynosi od 51%-79%. Wida wyranie, e w cigu ostatnich 2-ch lat nastpio zmniejszenie udziau spieku, co byo zwizane z korzystnymi cenami grudek i rud kawakowych. Szerzej o zagadnieniach technologicznych zwizanych z ograniczeniem emisji gazowej bdzie mowa w dalszej czci niniejszego rozdziau. I.1.2.3. Czynniki ekologiczne Produkcja spieku w caym wiecie jest uwaana za bardzo uciliw dla rodowiska. Gównie dotyczy to emisji pyów i gazów. Spiekalnia (nowoczesna) musi wic zapewni tak technologi produkcji spieku (najtaszy kierunek) oraz by wyposaona w takie urzdzenia oczyszczajce spaliny aby dostosowa si do wiatowych i lokalnych norm w emisji gazów i pyów. Z powyszego wynika, e kompleks przedsiwzi technologiczno-modernizacyjnych poczynionych przez kierownictwo wydziau i dyrekcj dawnej huty im. Sendzimira przyniós okrelone efekty, ale nie s one wystarczajce. Efekty te jednak wymagaj dalszego postpu ograniczajcego gównie emisj gazow spiekalni. Dlatego te w niniejszym rozdziale rozpatrzone zostan moliwoci ogranicze emisji gazowych spiekalni poprzez:
dobór surowców wsadowych, przygotowanie surowców do spiekania, zmiany technologii.
6
Przykad. Zastosowanie spieku wysokozasadowego i grudek kwanych we wsadzie wielkich pieców Huty im. T. Sendzimira w Krakowie. (lata 90-te jako hit europejski). W wiatowym wielkopiecownictwie a gównie w Europie Zachodniej, od szeregu lat jako wsad wielkopiecowy stosuje si poczenie spieku kwanego z wysokozasadowym lub wysokozasadowego spieku z grudkami kwanymi czy te kawakow rud kwan. W krakowskiej Hucie im. T. Sendzimira zaistniaa podobna sytuacja zmuszajca do stosowania wyej wymienionej technologii z uwagi na ograniczanie produkcji spieku ze wzgldów ekonomicznych. Dotrzymanie odpowiednich norm emisji szkodliwych skadników spiekalni do atmosfery i gleby spowodowao ograniczenie pracujcych dawniej 4-ch tam do 2-ch lub jednej. Z uwagi na to,. e w HTS nie byo cigów technologicznych zasilania kadej tamy oddzielnie produkcja dwóch gatunków spieku jednoczenie jest niemoliwa. Due trudnoci stwarzaoby równie sortowanie kawakowych rud kwanych, a zatem celowa wydaje si technologia stosowania spieku wysokozasadowego w poczeniu z grudkami kwanymi jako wsadu dla wielkich pieców. Proponuje si dla przykadu stosowanie grudek potawskich, a w przyszoci grudek krzyworoskich, co dla otrzymywania odpowiedniego skadu ula w wielkim piecu o dobrych wasnociach odsiarczajcych wymusza niejako zasadowo spieku (CaO:SiO2) w granicach 1,65 – 1,75 dla grudek potawskich i 1,8 – 2,2 dla grudek krzyworoskich, przy masie ula okoo 320 kg/Mg surówki. W tej technologii dy si równie do minimalizacji topników surowych we wsadzie w celu osignicia obnienia zuycia koksu. 1 W zakresie produkcji spieku wysokozasadowego opanowano jego produkcj w sposób zadowalajcy
- uzyskujc wysze jednostkowe wyniki produkcyjne, - obniajc zawarto FeO w spieku, - uzyskujc wzrost wasnoci fizycznych spieku, - ograniczajc wahania w skadzie chemicznym wsadu.
Do mankamentów naley zaliczy: - ze dozowanie tworzyw, co wpywa na rozrzut zawartoci CaO i SiO2 w spieku, - zbyt wysokie zuycie paliwa.
2 W zakresie produkcji surówki osignito: - zmniejszenie zuycia koksu na obu piecach (rzeczywistego i skorygowanego), - zwikszenie dobowej produkcji surówki (rzeczywistej i skorygowanej) na obu
piecach, - stabilizacj skadu chemicznego surówki przy znacznym obnieniu zawartoci Si w
surówce o 0,33% na WP nr 3 i o 43% na WP 5; zawartoci siarki, fosforu i manganu byy stabilne na poziomie 0,023%S, 0,64% Mn i 0,09% P.
3 Pomimo wzrostu kosztów wsadu przy produkcji spieku (zgodnie z oczekiwaniami) nastpio zmniejszenie kosztu materiaów wsadowych (wraz z paliwami) uytych do produkcji surówki. Sumaryczne obnienie kosztu w tej technologii wynosio ok. 12 z na 1 ton surówki, co byo efektem znaczcym biorc pod uwag planowan produkcj surówki na poziomie 2,2 mln ton. Wstpne pomiary emisji pyu i SO2 w spiekalni wykazuj równie znaczce obnienie emisji o ok. 20% dla pyu i ok. 10% dla SO2
Otrzymywany wysokozasadowy spiek posiada lepsze wasnoci chemiczne i fizyczne od tradycyjnych spieków o zasadowoci CaO:SiO≅1,1 – 1,3. Zagadnienia te zostay przedstawione w pracy R. Benescha i innych. W oparciu o te badania oraz obliczenia symulacyjne namiaru wielkopiecowego przyjto nastpujce zaoenia: produkcj spieku o zasadowoci CaO:SiO2 = 1,5 – 1,75; bogactwo wsadu ogólnego na wielkich piecach nie powinno przekracza 55,5%; masa jednostkowa ula 320 kg/Mgsur, przy zasadowoci CaO:SiO2 =1,1 i zawartoci MgO = 7% oraz Al2O3 = 7%; stosowanie surowego topnika jako minimalna korekta wsadu. W recepturze wsadu spiekalnego zuywano: a) od 197 do 255 kg aglorudy A na ton spieku, b) od 185 do 327 kg koncentratu GOK na tone spieku, c) od 200 do 300 kg niskokrzemionkowej aglorudy
7
brazylijskiej na ton spieku, d) od 147 do 175 kg kamienia wapiennego na ton spieku, e) od 72 do 86 kg dolomitu na ton spieku, f) koksiku ok. 65 kg na ton spieku. Oprócz tego zuywano odpady w postaci: walcowiny (40kg), zendry muku (80 kg), odsiewu spieku (50 kg) i ula stalowniczego (ok. 50kg). Wyprodukowano spiek o nastpujcych rednich parametrach:
- Fe = 55,5% to jest dokadnie wg. zaoe, przy standardowym odchyleniu ±0,5%, - FeO = 6,82% , wahania w granicach 6%-8%, - CaO:SiO = 1,61; niestabilno poza zakresem zaoonym 1,5 do 1,7 wynosia 11,4%, - ISO – T = 75% a A = 4,5%, byy to wskaniki wysze od wartoci dla speiku
produkowanego tradycyjnie (68%, 4,7%), - wydajno jednostkowa ok. 1200 kg/m2 godz (wysza o ok. 150 kg), - zuycie koksiku od 58 do 70 kg/Mg spieku – przy redniej na poziomie 64 kg tj. mniejsze
ni dotychczas o 10,2 kg/Mg spieku, - skad ziarnowy: 70,7% w granicach 10-40 mm,
15,1% w granicach 6,3 –10 mm, 6,4% w granicach poniej 6,3 mm.
Wyniki te mona uzna za zadowalajce, niemniej uwaa si za zbyt duy rozrzut FeO. Na wielkich piecach nr 3 i 5 zuywano spiek wysokozasadowy wraz z grudkami potawskimi. W czasie prób piece pracoway bezawaryjnie, osigay znacznie wysz wydajno przy zmniejszonym zuyciu paliwa. Porównanie wskaników bazowych to jest z roku 1992 ze wskanikami osignitymi w czasie prób przedstawiono w tabeli 1. Na podstawie prezentowanych w tabeli 1 danych mona stwierdzi, e prawie pod kadym wzgldem nowa technologia jest lepsza od dotd stosowanej. Dla penego obrazu prób poniej podano dodatkowe informacje a to:
- jednostkowa masa ula wynosia rednio 350 kg/Mg sur, - bogactwo wsadu 54,6% dla pieca nr 3 i 54,8 dla pieca nr 5, - zuycie surowych topników ok. 4kg/Mg sur , czyli praktycznie byy wyeliminowane, - redni udzia grudek wynosi 41% dla pieca nr 5 i 43% dla pieca nr 3.
Na podstawie bada emisji wykazano jej zmniejszenie w zakresie: - CO o ok. 20%, - pyu o ok. 10%, - SO2 o ok. 22,5%,
co byo gównie zwizane z obnieniem zuycia paliwa, stosowaniem wikszej masy CaO i mniejszym udziaem pylastych rud i koncentratów w mieszance. Powysze naley obecnie 2008 r traktowa jako przykad a nie aktualne dane liczbowe cile stosowane. Analiza ekonomiczna natomiast wykazaa, e jednostkowy koszt wsadu elazodajnego i paliwa przy produkcji spieku wzrós o 8 z/Mg (1,9 dolara USA), gównie z powodu zakupów niskokrzemowej rudy brazylijskiej. Pomimo tego redni koszt jednostkowy produkcji surówki na obu piecach obniy si o ok. 12,5 z/Mg surówki. W skali roku dla byej HTS oznacza to sumaryczny efekt 30mln z. Dzisiaj ze wzgldu na szarsze moliwoci finansowe w Mitkalu efekty ekonomiczne, ekologiczne i jakociowe SA jeszcze wiksze. Niemniej myl technologiczna z lat 90-tych pozostaa ta sama, oczywicie z systematycznym doskonaleniem tej technologii.
8
I.2.Najistotniejsze problemy wiatowego koksownictwa Koksownictwo jako jedna z gai przetwórstwa wgla pozostaje integralnie zwizana z hutnictwem elaza i dlatego poziom produkcji koksu w skali wiatowej wyznaczaj w praktyce: ilo surówki elaza wytwarzanej w wielkich piecach oraz wskanik jednostkowego zuycia koksu potrzebnego do wyprodukowania 1 tony metalu. Cho znaczenie poziomu produkcji i zuycia stali jako miernika poziomu rozwoju cywilizacji ulego widocznemu ograniczeniu, pozostaje on jednak
9
w dalszym cigu wanym parametrem oceny standardu ycia i stanu gospodarki. wiatowa produkcja stali surowej i surówki w ostatnich piciu latach ksztatowaa si na poziomie przekraczajcym ju miliard ton rocznie a surówki elaza ponad 700 mln ton. Z analizy danych wieloletnich wynika, e przy okresowych wahaniach w wielkoci produkcji stali w duszym przedziale czasowym obserwuje si powolny przyrost lub skorygowanie tego wskanika. Stosunek produkcji surówki elaza do stali ma w skali wiatowej od prawie 50 lat warto zblion do 0,7 pomimo znacznego rozwoju elektrometalurgii stali. Niewielki, mona powiedzie marginalny udzia w wytwarzaniu stali maj procesy bezporedniej redukcji rud elaza z pominiciem wielkiego pieca. Wielki piec pozostanie podstawowym agregatem w linii produkcji stali. Istotnym zmianom, wanym dla interesu koksownictwa, ulega natomiast poziom wskanika jednostkowego zuycia koksu w wielkim piecu co nastpuje w efekcie substytucji koksu pyem wglowym (technologia PCI). Porównywanie cen i kosztów uytkowania obu paliw to jest koksu i wgla przy stosunku zamiany 1:1) wyranie przemawia na korzy technologii PCI. Jedyn barier ograniczajc stopie zamiany koksu wglem stanowi warunki gazodynamiczne niezbdne dla poprawnego funkcjonowania wielkiego pieca, w którym sup materiaów wsadowych powinien by w aktywnym kontakcie z przeciwprdowo poruszajcym si gazem. Obecnie realne stao si osignicie jednostkowego zuycia koksu na poziomie ok. 300 kg/t surówki, co potwierdzaj dane pracy wielkich pieców. Py wglowy wdmuchiwany do wielkiego pieca nie tylko ogranicza zuycie koksu, ale równie wymusza popraw jego jakoci. Aby zrekompensowa gorsz przewiewno wsadu w wielkim piecu (szczególnie w strefie kohezyjnej) przy malejcym udziale koksu w namiarze, da si od niego wyjtkowo dobrych waciwoci fizycznych i chemicznych. Wyprodukowanie koksu o takich cechach jakociowych wymaga z kolei zastosowania do jego wytworzenia najlepszych wgli ortokoksowych („hard”) o moliwie jak najmniejszej zawartoci skadników balastowych i szkodliwych w rodzaju popiou, siarki, fosforu czy alkaliów. Rynek wgla koksowego w odrónieniu od koksu jest rynkiem bardzo duym 40% przypada na wgiel koksowy. Do najwikszych eksporterów tego wgla nale takie kraje jak: Australia USA Kanada Polska RPA Rosja Chiny Najwikszymi importerami s natomiast: Japonia, Kraje Unii Europejskiej, Korea Pd.i Tajwan. Ceny wgli koksowych na rynkach wiatowych podlegaj cigym fluktuacjom. Ceny CIF (w portach Ara) wgla koksowego („hard”) tzw. standardowego czyli zale od zawartoci: czci lotnych Vdaf = 26%, wilgoci cakowitej %8=r
tW , popiou Ad = 7,5% i siarki cakowitej %8,0=d
tS . W podsumowaniu mona stwierdzi, e na podstawie wielu sygnaów i analiz naley spodziewa si w rozpatrywanym okresie czasu na rynku wiatowym wystarczajcych iloci dobrych wgli koksowych o cenach zblionych do uzyskiwanych obecnie. Czynnikiem który w nieodlegej przyszoci moe limitowa wielko produkcji koksu jest stan techniczny bazy wytwórczej czyli podstawowych agregatów produkcyjnych koksowni, a w szczególnoci baterii koksowniczych. Znana i odczuwana jest w koksownictwie niech inwestorów do lokowania rodków finansowych w te bran przemysu. Istniej ku temu okrelone powody takie jak: wysokie nakady na budow nowych baterii szacowane na ok. 200 Euro na ton koksu na rok, dugi czas zwrotu poniesionych kosztów budowy, silne ograniczenia legislacyjne zwizane z ochron rodowiska naturalnego itp. .Decyzje inwestycyjne s w efekcie odwlekane, a gówne agregaty starzej si zmniejszaj swe moliwoci produkcyjne. Szacuje si, e za ok. 10 lat, przy tym tempie modernizacji koksowni ponad 60% baterii pracujcych obecnie przekroczy wiek 25 kat, który do niedawna
10
dyskwalifikowa je jako. obiekty produkcyjne. W zaistniaej sytuacji koksownie s zmuszone podejmowa dziaania przeduajce ywot baterii nawet do 4O lat. Uzyskuje si to poprzez:
- zastosowanie nowoczesnych metod remontów gorcych (torkretowanie pósuche i pomieniowe, spawanie ceramiczne) oraz nowych materiaów (np. ksztatki zerorozszerzalnociowe),
- wprowadzenie nowoczesnych narzdzi umoliwiajcych dobr kontrol stanu technicznego baterii (endoskopy, laserowe mierniki stopnia deformacji cian, zautomatyzowane systemy kontroli temperatur pozwalajce na tworzenie map termicznych baterii),
- wdraanie procedur kompleksowej oceny i monitorowanie stanu technicznego masywu ceramicznego, zbrojenia i osprztu baterii,
- nieustanne szkolenie zaogi i doskonalenie dyscypliny technologicznej. Równolegle prowadzone s prace o charakterze innowacyjnym zmierzajce do odejcia od koncepcji klasycznej koksowni. Gówne i najbardziej obiecujce kierunki tych dziaa to:
- wielkokomorowy reaktor koksowniczy wyposaony w indywidualny system ogrzewania (Single Chamber System – SCS) rozwijany w ramach programu finansowanego przez kraje Unii Europejskiej,
- koksowania pracujca bez odzysku produktów wglopochodnych (Nonrecovery Coke Plant).
Reaktor SCS dziki duym wymiarom komory (do 150 m3) oraz indywidualnemu systemowi ogrzewania charakteryzuje si du wydajnoci oraz elastycznoci pracy, jest „przyjazny” dla rodowiska oraz umoliwia produkcj koksu najwyszej jakoci. Technologia procesu zakada suche chodzenie koksu i podgrzewanie wsadu wglowego np. Mittal, koksownia Przyja. Rezygnacja z odzysku wglopochodnych bdca podstaw drugiego kierunku (Nonrecovery Coke Plant) stanowi niejako powrót do pierwotnej koncepcji procesu koksowania i ma w dzisiejszych warunkach gbokie uzasadnienie. Analiza dochodów ze sprzeday produktów procesu klasycznego koksowania wykazuje bowiem, e koks którego redni uzysk z surowca wglowego mona oszacowa na ok. 75%, w wartoci sprzeday produktów koksowni na udzia z reguy przekraczajcy 90%. Wpywy ze sprzeday oczyszczonego gazu koksowniczego i produktów wglopochodnych stanowi wic niewielk cz przychodów i w adnej mierze nie pokrywaj kosztów ich produkcji. Procesy oczyszczania gazu koksowniczego, obligatoryjne ze wzgldów ekologicznych i technologicznych s wic balastem obciajcym koszty wytwarzania koksu. Koncepcje zaniechania aktualnie stosowanej technologii chodzenia i oczyszczania gazu koksowniczego zmierzaj w kierunku koksowni dwuproduktowej, w której produktem zasadniczym jest koks a ubocznymi alternatywnie:
- energia elektryczna wytworzona poprzez spalanie gazu w obrbie komory koksowniczej i ukadu grzewczego ( piec koksowniczy typu Jewell-Thompson), odzyskanie ciepa spalin w kotle i produkcj pary kierowanej do turbogeneratora (spaliny po kotle maj by odsiarczane),
- gaz syntezowy zoony z CO i H2, uzyskany z rozkadu surowego gazu koksowniczego. Tabela 2. Wasno produkowanego koksu metalurgicznego i wymaga odbiorców zagranicznych.
11
I.2.1. Koks w wielkim piecu. Koks jest jednym z podstawowych surowców procesu wielkopiecowego, a jego rol w tym procesie rozpatrywa naley w trzech aspektach: energetycznym, chemicznym i fizycznym. Aspekt energetyczny polega na dostarczeniu do ww. procesu ciepa niezbdnego do nagrzania wsadu, stopienia metalu oraz przebiegu szeregu endotermicznych reakcji chemicznych. Wraz z koksem i jego substytutami dostarcza si ok. 80% potrzebnego w tym procesie ciepa – pozostaa jego cz wprowadzana jest do wielkiego pieca wraz z gorcym dmuchem. Zawarty w koksie i jego substytutach wgiel w ponad 60% zuywany jest na cele energetyczne, a w pozostaej czci na cele redukcyjne. Spalanie koksu w wielkim piecu przebiega w komorach spalania, które powstaj przed dyszami wskutek dynamicznego dziaania strugi dmuchu. Odbywa si ono wokó powierzchni kawaków koksu, a jego szybko limitowana jest przez dyfuzj w gazowej warstwie granicznej. Konsekwencj tego jest uzalenienie szybkoci spalania koksu od wielkoci kawaków; ze wzrostem ich stopnia rozdrobnienia wzrasta wielko powierzchni przypadajcej na jednostk masy koksu, co w efekcie powoduje wzrost szybkoci spalania. Rozpatrujc rol chemiczna koksu, naley przypomnie, i podstawowym reduktorem w procesie wielkopiecowym jest tlenek wgla (CO). Jego gównym ródem jest reakcja Boudouarda. CO2 powstaje gównie w procesie spalania koksu i jego substytutów w dolnych partiach pieca. W warunkach procesu wielkopiecowego wystpuj trzy charakterystyczne obszary przebiegu reakcjo Boudouarda:
1. obszar kinetyczny (poniej 1000-1100oC) w którym zgazowanie przebiega gównie na wewntrznej powierzchni kawaka koksu, a stenie CO2 jest praktycznie takie samo wewntrz, jak i na jego zewntrz. Szybko zgazowania przyspieszaj niektóre tlenki metali – m.in. Na2O, K2O, CaO. Tlenki alkaliczne obniaj progow temperatur zgazowania koksu w wielkim piecu z 950oC do 750-850oC (w zalenoci od iloci tych tlenków i waciwoci koksu).
2. Obszar dyfuzji wewntrznej (od 1000-1100oC do 1350-1450oC), w którym szybko zgazowania jest ju na tyle dua, i reagujca powierzchnia wewntrzna koksu przestaje by w peni wykorzystana z powodu nienadania dyfuzji CO2 w gb porów koksu.
3. Obszar dyfuzji zewntrznej (powyej 1350-1450oC) w którym decydujcy wpyw odgrywa szybko dyfuzji czsteczek CO2 poprzez graniczn warstewk CO otaczaj mc kawaek koksu. Poniewa w rozpatrywanych temperaturach wspóczynnik dyfuzji w niewielkim tylko stopniu zmienia si z temperatura, dominujcy wpyw na przebieg procesu zgazowania wywiera wielko kawaków koksu. Zmniejszenie ich wymiarów powoduje wzrost zewntrznej powierzchni przypadajcej na jednostk masy koksu, co skutkuje zwikszeniem szybkoci zgazowania w tym obszarze.
Koks odpowiedzialny jest take za nawglanie metalu. Poniej temperatury topienia elaza w procesie tym uczestniczy wgiel – sadza, który powstaje w wyniku rozkadu zawartego w gazie CO,
12
a po roztopieniu elaza odbywa si take za pomoc wgla zawartego w koksie. Kocowe nawglanie przebiega poniej poziomu dysz wskutek rozpuszczania si w ciekym elazie zawartego w koksie wgla. Intensywno tego procesu zaley m.in. od warunków stycznoci i powierzchni kontaktu stopionego metalu z koksem. Wgiel koksu uczestniczy take w reakcjach zachodzcych w fazach ciekych metal-uel (reakcja tlenków elaza z fazy ulowej, która przebiega podczas ciekania uli pierwotnych pomidzy kawakami koksu) oraz w redukcji innych tlenków (krzemu, manganu, fosforu, chromu, wanadu, arsenu itd.). Fizyczna rola koksu sprowadza si do zapewnienia gazom odpowiedniej przewiewnoci zoa materiaów wsadowych w poszczególnych partiach wielkiego pieca, zapewnia przepuszczalnoci wsadu umoliwiajcej spyw ciekego metalu i ula w dolnych partiach pieca, a take podtrzymywania supa materiaów wsadowych strefie gdzie pozostae materiay wsadowe ulegaj stopieniu. Do zabezpieczenia wymaganej przewiewnoci wsadu w górnej czci pieca wymagany jest koks o uziarnieniu zblionym do uziarnienia pozostaych skadników wsadu, co gwarantuje odpowiedni porowato zoa materiaów wsadowych w tej czci pieca. W dolnej czci pieca, gdzie koks pozostaje jedynym skadnikiem wsadu w stanie staym, winieni on zachowa dostatecznie due wymiary, aby umoliwi spywanie ciekego metalu i ula do garu oraz swobodny ruch gazów w gór pieca. Przepuszczalno wsadu w dolnych partiach pieca ma te wane znaczenie dla zachowania si alkaliów w wielkim piecu. Z uwagi na nisz temperatur w tej czci pieca ni w komorze spalania, wystpuje tu zjawisko kondensacji alkaliów na powierzchni koksu i ula. Alkalia zgromadzone w ulu s wraz z nim usuwane z pieca, natomiast alkalia skondensowane na powierzchni koksu ulegaj ponownemu odparowaniu wskutek póniejszego wzrostu temperatury. Z tego wzgldu niska przepuszczalno wsadu w tej czci pieca intensyfikuje cyrkulacj alkaliów. Na przewiewno wsadu w caym piecu, jak te przepuszczalno ciekych materiaów w dolnych jego partiach decydujcy wpyw wywiera zjawisko degradacji ziarnowej koksu, które w warunkach wielkiego pieca powodowane jest przez trzy grupy czynników:
1. oddziaywania chemiczne, 2. oddziaywania mechaniczne, 3. oddziaywania termiczne.
W procesie wielkopiecowym stopie zgazowania koksu na poszczególnych jego etapach utrzymuje si na podobnym poziomie, niezalenie od jego reaktywnoci. Jest to wynikiem kontroli operacyjnej, zapewniajcej stabilne warunki temperaturowe procesu. Zrónicowana reaktywno koksu wywiera natomiast istotny wpyw na zmiany jego wytrzymaoci i zwizane z tym zjawisko degradacji ziarnowej. Kolejne oddziaywanie chemiczne wywierane na koks w wielki piecu zwizane jest ze zwizkami alkalicznymi. W strefie cyrkulacji alkaliów reaguj one z koksem tworzc zwizki kompleksowe charakteryzujce si du objtoci czstkow. W wyniku przemieszczenia si koksu do strefy najwyszych temperatur zwizki te ulegaj odparowaniu, co powoduje osabienie (spulchnienie) jego struktury. Rozmiar tego zjawiska, zaley m.in. od adunku oraz rodzaju cyrkulujcych alkaliów, a take porowatoci koksu w tej strefie, decyduje o stopniu pogorszenia wytrzymaoci koksu a w konsekwencji – o wielkoci jego degradacji ziarnowej. Do oddziaywa chemicznych wpywajcych na proces degradacji ziarnowej koksu naley zaliczy te:
procesy nawglania surówki i redukcji ula prowadzce do zmian strukturalnych koksu w dolnych partiach pieca,
katalityczne dziaanie elaza metalicznego, dziaanie stopionego metalu na powierzchni koksu.
Pierwsze oddziaywania mechaniczne na koks wystpuj ju podczas jego zaadunku do wielkiego [pieca. Powoduj rozkruszanie koksu przebiegajce wzdu istniejcych w jego kawakach szczelin i pkni. Od ich iloci i wielkoci zaley odporno koksu na rozkruszanie, a zjawisko to mona istotnie ograniczy poprzez stosowanie wczeniejszej stabilizacji mechanicznej koksu. W tzw. suchych strefach pieca koks podlega dalszej degradacji ziarnowej polegajcej gównie na cieraniu jego naroy oraz, w mniejszym stopniu, kruszeniu pod wpywem si ciskajcych. cieranie koksu
13
spowodowane jest jego przemieszczaniem si wraz ze wsadem w dó pieca, a take, cho w znacznie mniejszym stopniu, równie w kierunku poziomym. Ponadto z uwagi na rónice masy kawaków koksu i rudy, te ostatnie przemieszczaj si szybciej ni koks, co powoduje dodatkowe cieranie koksu. Wszystkie te oddziaywania cierajce, jak te wspomniane ju wczeniej kruszenie si koksu s szczególnie silne w dolnych partiach pieca, gdzie masa supa wsadu jest ju bardzo dua. Najsilniejsze oddziaywania mechaniczne wystpuj jednak w komorze spalania, gdzie wskutek wysokiej energii kinetycznej dmuchu wirujce z du szybkoci kawaki koksu ulegaj intensywnemu rozkruszaniu i cieraniu. Oddziaywania termiczne na koks wystpuj gównie w komorze spalania i zwizane SA z szokiem termicznym, na jaki w tym miejscu naraony jest koks. Do tych oddziaywa zaliczy naley te pewne porzdkowe struktury chemicznej koksu, jakie ma miejsce w tych partiach wielkiego pieca, w których temperatury przekraczaj kocow temperatur koksowania (ok. 1000o C). Nastpuje dziki niemu niewielka poprawa wytrzymaoci koksu gównie wskutek wzrostu jego wytrzymaoci strukturalnej. Wspomnie te naley o wysokotemperaturowych zmianach skadu i morfologii substancji mineralnej koksu (topienie, odparowanie, redukcja wglem itp.). Wskutek stosowania substytutów (py wglowy, gaz, paliwa cieke) jednostkowe zuycie koksu w procesie wielkopiecowym spado do wartoci nie przekraczajcych 300 kg na ton surówki. Byo to moliwe dziki przejciu przez te substraty czci energetycznej i chemicznej roli koksu. Równoczenie jednak istotnie wzroso znaczenie fizycznej roli koksu a tym samym zaostrzyy si wymagania dotyczce jego wytrzymaoci w warunkach panujcych w wielkim piecu. Charakteryzujca si duym zrónicowaniem wymiarów porów struktura koksu wywiera istotny wpyw na wypeni9anie przez niego kadej z trzech omówionych wczeniej ról w procesie wielkopiecowym. W sposób bezporedni wpywa na przebieg zgazowania koksu przez CO2, zwaszcza w jej obszarze kinetycznym, a take w obszarze, w którym czynnikiem limitujcym jest zjawisko dyfuzji wewntrznej, Wedug… kolejno poszczególnych czynników pod wzgldem intensywnoci ich oddziaywania na przebieg zgazowania koksu przedstawia si nastpujco: Katalityczne oddziaywanie tlenków alkalicznych > porowato> zawarto wodoru w koksie Wytrzymao koksu zalena jest od:
iloci (objtoci) staego materiau przenoszcego wystpujce w nim naprenia, która zalena jest od porowatoci koksu zwizanej z wystpujcymi w nim porami grubymi,
wytrzymaoci staego materiau (matrycy koksowej), która determinowana jest wystpujcymi w niej defektami (porami i pkniciami) o wymiarach rzdu mikrometra.
W ostatnim okresie, sporód caego szeregu testów oceny wasnoci mechanicznych koksu (próby bbnowe, próby zrzutowe itp.) najwiksze znaczenie przypisuje si wynikom testu Ippon Steel Co, a konkretnie wyznaczanemu w jego ramach wskanikowi CSR (Coke Strength after Reaction). Uwzgldnia on bowiem wpyw wystpujcych w wielkim piecu oddziaywa chemicznych i termicznych. Praktyczn przydatno wskanika CSR do oceny zachowania si koksu w wielkim piecu, jak te przebiegu samego procesu potwierdziy wyniki szeregu bada przemysowych. Wykazay one wpyw wskanika CSR m.in. na: proces degradacji ziarnowej koksu w wielkim piecu, dopuszczalny poziom substytucji koksu pyem wglowym, zuycie koksu w procesie, przewiewno i przepuszczalno wsadu szczególnie w przypadku duych jednostek produkcyjnych, rozkad stref reakcyjnych wewntrz pieca, wydajno procesu, stabilno spywu ula i ciekego metalu w dolnych partiach pieca, stopie nawglenia surówki, temperatur ciekego metalu oraz ywotno wyoenia wielkiego pieca w jego dolnych partiach. Z kolei wyniki innych bada potwierdzaj wystpowanie silnej zalenoci wskanika CSR zarówno od charakteru porowatej struktury koksu, jak i jego reaktywnoci.
14
II. Paliwa zastpcze - teraz i w przyszoci. Paliwa zastpcze nazw swoj bior std, e zastpuj czciowo koks jako podstawowe paliwo w wielkim piecu. W przedmiocie „Technologia i Podstawy Sterowania Procesami Redukcji” omówiono do szeroko jakie stosuje si paliwa zastpcze, co dotyczy: gazu ziemnego, mazutu, smoy pogazowej, gazu koksowniczego i pyu wglowego. Oprócz pyu wglowego wdmuchiwanego do wielkiego pieca rol technologiczn, ciepln i chemiczn ww. paliw omówiono szczegóowo w wykadach z III roku. Urzdzenia do wdmuchiwania pyu wglowego równie zostay omówione szczegóowo natomiast mao powiedziano o techniczno-technologicznych aspektach aspektach wdmuchiwania pyu wglowego jako paliwa zastpczego obecnie najbardziej wykorzystywanego w wikszoci hut wiatowych. W przyszoci równie py wglowy bdzie wykorzystywany ale przewiduje si jego iekcj w poczeniu z elementami rudnymi, zmielonymi tworzywami sztucznymi, topnikami i mieszaninami komponentów. Mona przewidywa, e nastpi duy postp w utylizacji tworzyw sztucznych przez wdmuchiwanie ich do wielkiego pieca samodzielnie lub w poczeniu z czynnikami dzisiaj jeszcze nieokrelonymi, bowiem podejmowane próby s bardzo zachcajce ze wzgldów ekonomicznych i proekologicznych. Obecnie równie bez przerobu rozpoczto wdmuchiwanie ropy naftowej ale ceny jej aktualne nie zachcaj do rozwijania tej technologii. Std aktualnie w nastpnym podrozdziale omówiono technologiczne- techniczne-ekonomiczne aspekty wdmuchiwania pyu wglowego do wielkiego pieca. Najwaniejsze argumenty przemawiajce za wdmuchiwaniem wgla (lub gazu ziemnego) do pieca hutniczego, to:
oszczdno kosztów przez nisze zuycie koksu. Koszt koksu jest znacznie wyszy ni wgla, ponadto, uycie wtryskiwacza pozwala na zuycie wyszych temperatur dmuchu, co równie prowadzi do niszego zuycia koku,
zwikszona produkcja przez uywanie dmuchu wzbogaconego tlenem. Powodem widocznej wszechstronnoci wielkiego pieca do pobierania wszystkich typów materiaów zawierajcych pierwiastek wgiel jest to, e przy dyszach temperatury pomienia s tak wysokie, e wszystkie wdmuchane materiay SA przeksztacone do prostych moleku jak H2 i CO i poza stref piec „nie wie” jaki typ paliwa by wtryskiwany. II.1. Wdmuchiwanie wgla (PCI): sprzt. Podstawowa konstrukcja dla urzdze wdmuchiwania wgla wymaga nastpujcych funkcji do spenienia:
Mielenie wgla. Wgiel musi by zmielony do bardzo maych rozmiarów. Najpowszechniej uywanym jest py wglowy: okoo 60% wgla ma poniej 75 um. Ziarnisty wgiel jest raczej grubszy z rozmiarami 1 do 2 mm.
Suszenie wgla. Wgiel zawiera znaczne iloci wilgoci, 8% do ponad 10%, Poniewa wdmuchiwanie wilgoci zwiksza szybko redukcji, wilgo powinna by usunita w tak duym stopniu jak to moliwe.
Transport wgla przez rurocigi. Jeli wgiel jest za may, transport pneumatyczny bdzie zahamowany. To moe skutkowa formowaniem si mniejszych usek na cianach i tez moe prowadzi do wycieku wgla z rur transportowych.
Wdmuchiwanie pyu wglowego: wgiel musi by wdmuchany w równych ilociach przez wszystkie dysze. Szczególnie przy niskim zuyciu koksu i wysokiej produktywnoci symetria obwodowa wdmuchiwania powinna by utrzymana.
S róni dostawcy osigalni do urzdze wdmuchiwania pyu wglowego, które podejmuj funkcje wspomniane wy ej w specyficzny sposób. Niezawodno sprztu jest najwyszej wagi, skoro wielki piec musi by zatrzymany w cigu 1 godziny, jeli wdmuchiwanie wgla koczy si. W materiaach dla I stopnia (III r) studiów urzdzenie do wdmuchiwania rónych firm i systemach omówiono szczegóowo.
15
II.1.1. Specyfikacja wgla dla PCI. Typy wgla s rozróniane wg ich zawartoci substancji lotnej. Substancja lotna jest zdeterminowana przez waenie wgla przed i po podgrzewaniu przez trzy minuty w 900oC. Wgle, które maj pomidzy 6 a 12% substancji lotnej SA klasyfikowane jako wgle o niskiej zawartoci czci lotnych. Wszystkie typy wgla byy pomylnie uyte. Najwaniejsze waciwoci wdmuchiwania wgla to;
Wysoki stopie wymiany koksu. Skad wgla i jego zawarto wilgoci determinuj ilo koksu zastpionego przez okrelony typ wgla. Prosta formua dla stopnia wymiany (w porównaniu z koksem o zawartoci 87,5% pierwiastka wgla To: RR=2xC(wgiel)+2,5xH%(wgiel)-2xwilgo%(wgiel)-86+ 0.9xpopió%(wgiel).
Skad: wysoka siarka i wysoki fosfor s prawdopodobne, aby zwikszy koszty stalowni. Te skadniki powinny by oszacowane przed kupnem okrelonego typu wgla. O modych wglach (o duej zawartoci tlenu) wiadomo, e s bardziej podatne na samoogrzewanie i zapalanie w atmosferach zawierajcych tlen. To jest take wany czynnik, który musi by rozwaony ze wzgldu na ograniczenia w systemie prze adunku zmielonego wgla.
Substancje lotne: wgle o wysokiej zawartoci czci lotnych s atwo gazyfikowane w strefie wirowania, ale maj niszy stopie wymiany w procesie.
Twardo. Twardo wgla, charakteryzowany przez Wskanik Zdolnoci Przemiaowej Hardgrove (HGI) musi odpowiada specyfikacjom sprztu mielcego. Wynikajcy rozmiar zmielonego wgla jest bardzo zaleny od tego parametru i musi odpowiada ograniczeniom obsugi wgla i systemu wdmuchiwania.
Zawarto wilgoci. Zawarto wilgoci surowego wgla jak równie wilgo powierzchni zmielonego wgla musi by brany pod uwag. Wilgo powierzchni w zmielonym koksie bdzie prowadzi do problemów z przywieraniem i problemów w przeadunku.
Potencjalnie wdmuchiwane wgle mog by oceniane na podstawie metody oszacowania gdzie wszystkie efekty w kosztach SA brane pod uwag. Czsto jest moliwe uycie dwóch lub trzech typów wdmuchiwanych wgli, tak e niesprzyjajce waciwoci mog by rozcieczone. II.1.2. Kontrola procesu z wdmuchiwaniem pyu wglowego. Przy wysokich operacjach wdmuchiwania pyu wglowego okoo 40% reduktorów jest wdmuchiwane przez dysze. Dlatego, jest wane, aby kontrolowa ilo wgla na ton surówki tak dokadnie jak zuycie koksu jest kontrolowane. Zbiorniki zasilajce wdmuchiwanie wgla s waone nieustannie i natenie przepywu wgla jest kontrolowane. Aby skalkulowa odpowiednie natenie przepywu wgla (w kg/minut) produkcja surówki musi by znana. Jest kilka sposobów , aby skalkulowa produkcj. Wielko produkcji moe by wyprowadzona z iloci materiau zaadowanego do pieca. Krótkoterminowe poprawki mog by wykonane przez kalkulowanie zuycia tlenu na ton surówki z parametrów dmuchu w stabilnym okresie i wtedy kalkulowanie rzeczywistej produkcji z danych dmuchu. Bdy systematyczne i/lub wymaganie dodatkowego wgla moe by wprowadzone do modelu kontroli. Techniczne sposoby wdmuchiwania wgla przez dysze jak i konstrukcje lanc zostay omówione w wykadzie na III r studiów, gdzie równie oceniano ich efektywno. Temperatura pomienia jest sama w sobie zdeterminowana przez ilo wgla, typ wgla, temperatur dmuchu, wilgo dmuchu i wzbogacenie tlenu. Procent tlenu w dmuchu moe by uyty do balansowania zapotrzebowa cieplnych wyszego i niszego pieca. Balans jest zaleny od miejscowej sytuacji. To zaley np. od jakoci wsadu i koksu oraz uytego typu wgla. Dla balansu istniej pewne techniczne i technologiczne ograniczenia, które s przedstawione jako przykad na rysunku 1. Dla wyszych wielkoci wdmuchiwania wymagane jest wicej tlenu. Ograniczenia s dane przez:
16
Zbyt nisk temperatur gazu wielkopiecowego. Jeli temperatura gazu wielkopiecowego staje si zbyt niska, to zabiera zbyt dugo dla wsadu, aby wyschn i wysoka skuteczno pieca hutniczego skraca si.
Zbyt wysoka temperatur pomienia. Jeli temperatura pomienia staje si zbyt wysoka, opadanie wsadu moe si sta nieregularne.
Zbyt nisk temperatur pomienia. Niska temperatura pomienia bdzie hamowa gazyfikacj wgla i topienia rudy wsadu.
Techniczne ograniczenia dla dozwolonego lub dostpnego wzbogacenia tlenu.
Rys.1. Czynniki ograniczajce, wpywajce na warunki strefy wirowania z wdmuchiwaniem sproszkowanego wgla (RAFT = adiabatyczna temperatura pomienia w strefie wirowania). Naley szczególnie zanotowa efekt uycia dodatkowego wdmuchiwania wgla dla regeneracji chodzonego pieca. Przez dodanie dodatkowego wgla do pieca, wielko produkcji zmniejsza si o okoo 2,5% dla kadych 10 kg dodatkowego wgla na ton surówki. Jednoczenie, temperatura pomienia spada o okoo 32oC. Dlatego, zalenie od specyficznej sytuacji, zdolno topienia na ton surówki moe si nawet zmniejszy. Jeli temperatura spada od 2,050 do 2,018oC, zdolno topienia zmniejsza si o 5% (32/2,050-1,400) i produkcja zmniejsza si o 2,5% skutkujc w zmniejszeniu si ciepa topnienia na ton surówki o 2,5%. Jeli ochodzony piec ma niewystarczajc zdolno topienia gazu, dodatkowy PCI moe pogorszy sytuacj. W takiej sytuacji skuteczno procesu musi by poprawiona, tj. przez nisz wielko produkcji i nisz ilo dmuchu. II.2. Kontrola przepywu gazu. Dla zoptymalizowanego procesu wielkopiecowego, kontrola wewntrzna przepywu gazu w wielkim piecu jest o krytycznym znaczeniu. Ogólnie mówic, zostao odkryte e bilans pomidzy przepywem centralnego gazu a przepywem gazu cianowego musi by utrzymany. W zakadach Corus Ijmuiden obecno centrum pieca bez rudy jest uywana, aby dystrybuowa gaz spadkowy przez szczeliny koksu . W konsekwencji rdze strefy topienia moe opada cakiem blisko od dysz (przeciek lub przechylanie). Wysokie PCI wymaga lepszej symetrii obwodowej procesu, nie tylko dla zamiarowania, ale take dla dystrybucji dmuchu i wdmuchiwania wgla przez dysze.
17
Z powyszego wida jak trudno jest oceni optymalne wdmuchiwanie masy pyu wglowego do wielkiego pieca w poczeniu z ww. czynnikami okrelajcymi takie ,moliwoci. Jedyne jest dzisiaj pewne to fakt, e nie jest moliwe zmniejszenie zuycia koksu w wielkim piecu poniej 300 kg/t surówki. Spowodowaoby (i w badaniach oraz praktyce powodowao) to brak tzw. „rusztu koksowego” (za wskich okien koksowych w strefie kohezji) konicznego do przepywu gazów garowo-spadkowych do strefy suchej wielkiego pieca. Ju wynika z dowiadcze wielu hut, e taki przypadek to za praca z zawisaniem i samozarywaniem wsadu i wynikajca std ma produkcyjnoci czyli duo wikszymi kosztami produkcji. O tym musi pamita kady technolog i ekonomista w hucie. III. Awaryjny przebieg procesu wielkopiecowego. Rozdzia ten jest powicony awaryjnym przebiegom technologicznym a nie wynikajcymi awariami zwizanymi z uszkodzeniami mechanizmów wielkiego pieca i urzdze mu towarzyszcych. Naley równie nadmieni, e ju powicono na I stopniu studiów (III r) du uwag przy omawianiu tzw. pierwiastków szkodliwych w procesie tj. cynku i alkaliów powodujcych równie awaryjne przebiegi technologiczne procesu wielkopiecowego oraz awarie mechaniczne (narosty obmurza i zarastanie garu i dysz). Obecnie za awaryjne stany zwizane gównie z technologi prowadzon na piecu uwaa si:
centralny i obrzeny bieg pieca (przepyw gazów), zawisanie wsadu w piecu, kominowy przepyw gazów w piecu, zarywkowy bieg pieca, zamroenie garu wielkiego pieca.
Czsto ww. stany awaryjne wi si z czynnikami i zjawiskami konstrukcyjno- technicznymi jak: palenie si dysz, uszkodzeniu urzdzenia zasypowego, narosty szybowe i garowe (omówiono na I stopniu studiów) ale nie s one przedmiotem tak czstych stanów wynikajcych z przesanek technologicznych. Poniej omówiono w miar szczegóowo stany przebiegów awaryjnych procesu wielkopiecowego.
III.1. Zaburzenia i awarie w procesie wielkopiecowym. Podstawowym warunkiem uniknicia powanych strat produkcyjnych przy nienormalnym biegu pieca jest wczesne rozpoznanie nienormalnego biegu oraz niezwoczne przeciwdziaanie. III.1..1 Nadmiernie gorcy bieg wielkiego pieca.
A. Przyczyn powstawania jest zmniejszenie zuycia ciepa w porównaniu z jego przychodem. Moe to by spowodowane zmian jakoci wsadu, lepszym rozdziaem gazów w wielkim piecu i w zwizku z tym lepszym wykorzystaniem ich energii cieplnej i chemicznej, obnieniem obcienia R:K na skutek nadwaania koksu lub rudy, podwyszeniem faktycznej wilgotnoci dmuchu na skutek rozregulowania aparatury.
B. Rozpoznanie. a. cinienie gorcego dmuchu stopniowo si podwysza. b. Rozrzut punktów temperatury gazu gardzielowego staje si wyszy. c. Diagram schodzenia sond wskazuje na nierówny bieg pieca (poziome odcinki
wykresu sond lub gwatowne zarywnie wsadu) d. Dysze pracuj bardzo gorco, uel staje si nadmiernie gorcy i bardziej zasadowy,
wzrasta zawarto krzemu w surówce. e. Zmniejsza si intensywno biegu pieca.
C. Przeciwdziaanie. a. Przy chwilowym nadmiernym podgrzaniu si pieca naley podwyszy wilgotno
dmuchu, a w bardzo ostrym przypadku obniy temperatur dmuchu.
18
b. Jeeli zaistniay warunki duszego lub trwaego podgrzania si pieca naley zwikszy obcienie R:K.
c. Jeeli podgrzanie pieca jest spowodowane nieprawidowym waeniem wsadu lub rozregulowan aparatura pomiaru i regulacji temperatury i wilgotnoci, naley te przyczyny niezwocznie usun, a chwilowo dziaa jak w punkcie a.
III.1.2. Chodny bieg wielkiego pieca.
A. Zimny bieg wielkiego pieca mog wywoa te same przyczyny jak w punkcie 43, a dziaajce w przeciwnym kierunku. Poza tym moe go wywoa dusze stosowanie nieprawidowego systemu zasypu powodujcego niewaciwy rozdzia strumienia gazów w wielkim piecu, przedostawanie si wikszych iloci wody do pieca z uszkodzonych elementów chodzenia pieca.
B. Rozpoznanie. a. Stopniowy spadek cinienia gorcego dmuchu z równoczesnym wzrostem iloci. b. Intensywno biegu pieca zwiksza si nieproporcjonalnie do wzrostu i8loci
dmuchu. c. Rozrzut punktów temperatury gardzieli zawa si. d. Temperatura gazów gardzielowych spada. e. Temperatura gazów peryferyjnych w wikszoci wypadków spada i zwiksza si
rónica pomidzy wskazaniami poszczególnych termopar. f. uel staje si chodniejszy a do czarnego elazistego, jego zasadowo spada, a w
surówce obnia si zawarto krzemu z równoczesnym wzrostem zawartoci siarki. g. Dysze pracuj intensywnie, ale chodno (ciemniej) w polu widzenia moe pojawia
si uel i „nieprzygotowane” kawaki materiaów wsadowych (czarne). C. Przeciwdziaanie.
Ochodzenie biegu wielkiego pieca jest jednym z najniebezpieczniejszych odchyle od normalnego biegu i dla uniknicia powaniejszych skutków wymaga powaniejszego przeciwdziaania.
a. Naley zmniejszy obcienie R:K. b. Stopniowo obnia wilgotno dmuchu. c. Stopniowo (b. ostronie) podnosi temperatur, tak by nie spowodowa zawisania
wsadu. d. Zmniejszy stopie przeadowania peryferii pieca rud. e. adowa dodatkowe porcje koksu. f. Zmniejszy intensywno biegu pieca przez obnienie spadku cinienia i iloci
dmuchu. g. Jeeli pojawiaj si oznaki opornego biegu pieca i grozi zawieszeniem wsadu naley
obniy temperatur dmuchu z równoczesnym obnieniem wilgotnoci i obserwowa prac dysz. Jeeli uel zalewa dysze naley temperatur podnie.
h. Normalne parametry cinienia, ilo temperatury i wilgotnoci ustala si ponownie po cakowitym zlikwidowaniu ochodzenia i uzyskania równego biegu pieca.
III.1.3. Nadmiernie obrzeny bieg pieca. A. Zjawisko to powstaje w wypadkach.
a. Nadmiernego „rozlunienia” obrzey pieca przy nieodpowiednim systemie zasypu. b. Niedostatecznej iloci dmuchu. c. „Przeadowania” garu pieca grafitem, miaem koksowym, ulem i surówk stanie
ciastowatym przy maej iloci dmuchu. d. Spadku temperatury dmuchu.
B. Rozpoznanie. a. w pocztkowej fazie spada cinienie gorcego dmuchu (ilo i temperatura
niezmienione). Gdy nastpnie osiowa cz pieca staje si coraz mniej przewiewna
19
w wyniku nadmiernego rozwoju obrzenego cinienia dmuchu wzrasta, a ilo maleje.
b. Wzrasta rednia temperatura gardzieli, a rozrzut punktów na diagramie temperatury gardzieli staje si nadmiernie szeroki.
c. Na diagramie sond pojawiaj si oznaki nierównego schodzenia wsadu. d. Spada zawarto CO2 w gazach peryferyjnych o 2-3%, a nieznacznie wzrasta CO2 w
odlegoci 1,5-3m od ciany pieca. e. W pocztkowym okresie stan dysz jest normalny. Surówka i uel SA normalne ale
pojawiaj si spusty z zawyon zawartoci siarki. Nastpnie osiowa cz pieca coraz gorzej pracuje, wystpuj oznaki ochodzenia pieca oraz zjawisko czstego palenia si dysz.
C. Przeciwdziaanie. a. Zmiana systemu zaadunku, a jeeli nie wywouje to dostatecznego rezultatu to
naley zmienia poziom zasypu i wielko naboju. b. Jeeli nastpuje „przeadowanie” garu naley podwyszy pynno ula i surówki
przez dodatek rudy manganowej do naboju i podniesienie zawartoci manganu w surówce.
III.1.4. Przeadowanie obrzey pieca rud. A. Przyczyny. Zjawisko to powstaje w rezultacie duszej prac y pieca przy duej zmiennoci sitowej analizy skadników wsadu. Prac pieca charakteryzuje nierówny bieg ze skonnoci do zawieszania wsadu. A. Rozpoznanie. a. wzrost cinienia gorcego dmuchu przy niezmienionej iloci i temperaturze. b. diagram cinienia gorcego dmuchu wykazuje coraz czstsze wahania. c. diagram temperatury gardzieli przyjmuje ksztat wskiego paska (may rozrzut punktów) a rednia temperatura spada o 20-30oC. d. spada temperatura wskazywana przez termopary pod pytami ochronnymi. e. diagram sond wskazuje na nierówne schodzenie wsadu w w. piecu. f. na wykresie zawartoci CO2 w gazie wzdu rednicy szybu wystpuje wzrost do 10-12% CO2 przy cianach i spadek zawartoci CO2 w osi pieca. B. Przeciwdziaanie.
a. Naley rozluni sup materiaów wsadowych przy cianach pieca. b. Jeeli zmiana systemu zasypu jest mao skuteczna, naley zmieni wielko naboju
(powikszy wielko naboju z odpowiednimi zmianami poziomu zasypu. c. Dziaanie prowadzi ostronie, aby nie spowodowa zahamowania pracy w osi pieca.
Zmiany naley przeprowadza stopniowo, pocztkowo na krótkie okresy. Przy zbyt gwatownym likwidowaniu nadmiernie osiowego biegu pieca mona bardzo atwo doprowadzi do zawisania wsadu.
d. Przy likwidacji osiowego biegu pieca, moe nastpi przeadowanie garu wraz z zachodzeniem. Dlatego naley to zjawisko uprzedzi przez obnienie obcienia R:K.
III.1.5. Kanaowy bieg wielkiego pieca powstaje w pewnej ograniczonej czci pieca gdy nastpuje, w porównaniu z reszt rozlunienie supa materiaów wsadowych.
A. Podstawowymi przyczynami wywoujcymi powstawanie kanaowego biegu pieca s: a. wzrost zawartoci miau we wsadzie rudnym, b. zbyt intensywny bieg pieca zwaszcza przy stosowaniu duego spadku cinienia w.
pieca,
20
c. praca na gstych i chodnych ulach, d. nierówny rozdzia dmuchu lub mazutu w dysze e. duszy okres pracy na przeadowanej osiowej a w szczególnoci peryferyjnej czci
pieca f. nierównomierne zuycie obmurza szybu wzgldnie nieprawidowa praca aparatu
zasypowego g. zmiana profilu w zwizku z powstaymi narostami.
B. Rozpoznanie.
a. stosunkowo due wahania cinienia gorcego dmuchu, b. diagram temperatur gardzieli nie przedstawia punktów rozrzuconych w pewnym
pasie lecz punktu odpowiadajce temperaturom w poszczególnych przewodach gazowych formuj oddzielne linie. Termopary o wyszej temperaturze wskazuj na lokalizacj kanau
c. wyrany wzrost temperatury na jednej lub kilku nad sob pooonych termopar w obmurzu szybu. Te termopary wskazuj równoczenie lokalizacj kanau,
d. diagram pracy sond wykazuje silne zarywanie wsadu, zwaszcza jeli kana powsta w pobliu osi sond,
e. krzywa zawartoci CO2 wzdu rednicy szybu wykazuje silny spadek iloci CO2 w gazie w rejonie kanau, zwaszcza jeli objty on jest stref poboru prób gazu,
f. wzrasta zawarto siarki w surówce, g. dysze w osi kanau pracuj intensywniej, ciemniej i pojawiaj si w nich,
nieprzygotowane kawaki materiaów wsadowych.
jak najwikszej iloci rudy w miejscu powstaego kanau, wzgldnie zaadunek koksu w rejony poza kanaem
b. kanay tworz si najczciej w obrzenej czci pieca, dlatego najlepiej doprowadzi do tego by piec pracowa intensywnie na caym obwodzie,
c. zasadniczym warunkiem skutecznoci wszelkich rodków zmierzajcych do likwidacji kanaowego biegu, jest usunicie przyczyn powstawania kanau,
d. zaadunek wybranych stref pieca odpowiednimi materiaami (rud , koksem) prowadzi przez ustawienie rynny zsypowej aparatu zasypowego,
e. usunicie kanau powstaego na skutek lokalnego jednostronnego zuycia wymurówki lub innych podobnych defektów jest niemoliwe, naley wic likwidowa przez zmniejszenie rednicy dysz pracujcych w rejonie kanau
f. czciowe lub cakowite za lepienie niektórych dysz g. naley pamita e dusze prowadzenie pieca na biegu kanaowym powoduje
podwyszenie zuycia koksu na skutek zego wykorzystania energii cieplnej gaz ów. Jeeli podjte rodki dla zlikwidowania kanau daj rezultaty, wykorzystanie gazów poprawi si i piec zacznie si podgrzewa. Naley wic równoczenie w odpowiednim momencie podnosi obcienie, aby nie dopuci do powstania gorcego biegu.
III.1.6. Przeadowanie osiowe czci pieca rud.
A. Zjawisko to powstaje najczciej na skutek prowadzenia pieca na zbyt wysokim poziomie zasypu przy równoczesnym ustawieniu niewaciwego systemu zasypu. Przeadowanie osi pieca rud, charakteryzuje nierówny bieg pieca, oporny bieg z podwieszaniem wsadu, zarywkowy bieg, zwikszony wydmuch pyu. Duszy czas trwania tego stanu sprzyja powstawaniu kanaowego biegu pieca.
B. Rozpoznanie.
21
a. diagram cinienia dmuchu wykazuje bardzo due wahania, b. diagram sond charakteryzuje podwieszanie si wsadu, nage zarywania, nierówne
schodzenia wsadu, c. due wahania rednich temperatur gazu gardzielowego, d. na wykresie zawartoci CO2 – wzrost zawartoci CO2 w osiowej czci pieca oraz due
wahania (w czasie) zawartoci CO2 w poszczególnych czciach obrzenej czci pieca.
C. Przeciwdziaanie. „Rozlunienie” wsadu w osiowej czci pieca poprzez za adunek do tej czci koksu.
III.1.7. Jednostronny bieg wielkiego pieca. A. Zjawisko to powstaje w wyniku nierównomiernego rozdziau dmuchu lub mazutu na
poszczególne dysze albo nieprawidowej pracy rynny zasypowej aparatu zasypowego. B. Rozpoznanie.
a. due rónice temperatur wykazywanych przez termopary pod gardziel pieca, b. due rónice wgbnoci wykazywanej przez sondy, c. liniowy charakter diagramu temperatur gazu gardzielowego (parami obok siebie
duej rónicy wskaza obu par. C. Przeciwdziaanie.
a. tak ustawi rynn zasypow Wurtha by wiksze iloci materiaów wsadowych byy zaadowywane w ten rejon gdzie poziom zasypu jest niszy.
III.1.8. Zawieszanie si wsadu.
A. Zawieszanie wadu niezalenie od przyczyn wywoujcych to zjawisko, polega na tym, e materiay wsadowe nie schodz pynnie (oporny bieg pieca) lub w ogóle przestaj schodzi w dó pieca. Zasadnicz przyczyn wywoujc to zjawisko jest mao przewiewny wsad (mia koksowy przy zym przesiewaniu koksu, spiek z nadmiern iloci podziarna lub obecno we wsadzie niesortowalnych, surowych rud)i powstaa w wyniku tego praca wielkiego pieca niepenym przekrojem, przy intensywnym przepywie gazów w czci pieca z gorszym lub cakowitym zanikiem przepywu w pozostaej czci przekroju. Ma to miejsce przede wszystkim przy utrzymujcym si duszy czas kanaowym biegu, nadmiernie osiowym. Rozrónia si dwa rodzaje zawiesze:
III.1.9.Zawieszenie wsadu górne. A. Zjawisko to powstaje w wyniku klinowania si materiaów wsadowych w górnej czci
szybu przy dowolnym stanie cieplnym wielkiego pieca. B. Rozpoznanie. a. wzrasta spadek cinienia w górnej czci szybu, b. wsad zawiesza si, c. cinienie gorcego dmuchu pocztkowo nieco spada, a nastpnie wzrasta w stosunku do
normalnego, d. wzrasta zawarto CO2 w gazie gardzielowym, e. dysze pracuj intensywnie i w wikszoci wypadków równomiernie, f. temperatura gardzieli pocztkowo nieco maleje, a nastpnie stopniowo powiksza si. C. Przeciwdziaanie.
a. naley przede wszystkim nie dopuszcza do cakowitego zawieszania wsadu stosujc zwikszenie wilgotnoci i obnienie temperatury dmuchu,
b. zastosowa bardziej obrzeny system zasypu na 10-20 naboi, c. zarywa wsad przez obnienie cinienia na dyszach, d. pierwszego zarywania dokona po okoo 20 min. Od zawieszenia, a nastpnie w
odstpach 20-30 minutowych. Dusze przetrzymywanie powoduje wzrost temperatury na gardzieli w. pieca, która nie moe przekroczy 300oC,
e. górne zawieszenie wsadu mona równie likwidowa przez krótkotrwae obnienie iloci dmuchu.
22
III.1.10. Zawieszenie wsadu dolne A. Zjawisko to powstaje w wyniku naruszenia warunków cieplnych (temperaturowych) w
dolnej czci pieca. W tych warunkach gstopynna, ciastowata masa ula i surówki zlepia kawaki koksu tworzc nieprzenikliwa dla gazu zapor. Zwiksza si znacznie opór supa materiaów wsadowych w zwizku z czym wzrasta cinienie gorcego dmuchu wraz ze spadkiem jego iloci.
B. Rozpoznanie. a. wzrasta spadek cinienia w dalszej czci pieca, b. stopniowo wzrasta cinienie gorcego dmuchu, a na diagramie sond obserwuje si
zarywanie wsadu, a nastpnie cakowite zawieszanie, c. rozrzut punktów temperatury gazu gardzielowego zawa si, d. dysze w czasie zawieszania pracuj nierównomiernie i sabo.
C. Przeciwdziaanie. W zalenoci od stanu cieplnego pieca zawieszenie dzielimy na gorce i chodne. a. zawieszenie gorce likwidowa naley przez odpowiednie podniesienie wilgoci wzgldnie obnienie temperatury dmuchu przez zmian systemu zaadunku na korzy bardziej obrzenego. Jeeli tymi rodkami nie dao si usun zjawiska zawieszania wsadu, zarywanie wsadu naley przeprowadza jak przy zawisaniu górnym, tylko przy niszym cinieniu dmuchu, b. zawisanie wsadu w zimno pracujcym piecu jest jednym z powaniejszych i niebezpiecznych odchyle od normalnego biegu pieca. Jeeli nastpi ochodzenie biegu pieca naley wszystkimi rodkami przeciwdziaa zawieszaniu wsadu, zarywanie wsadu chodno pracujcego pieca naley przeprowadza szczególnie ostronie. W tym wypadku bowiem przy zarywaniu grozi zalewanie dysz. Po zarywaniu wsadu naley podnosi cinienie moliwie najszybciej. W czasie zarywania prowadzi c starann obserwacj dysz. Wskazane jest przeprowadzenie spustów surówki czciej ni normalnie.
III.1.11.Zaronicie garu.
A. Zaronicie garu prowadzce do zmniejszenia jego uytecznej pojemnoci dla pomieszczenia pynnych produktów procesu wielko[piecowego na skutek nagromadzenia w garze duych iloci miau koksowego, nadmiernego wydzielania grafitu, nalepiania na cianach garu tych materiaów w pomieszczeniu z gstym ulem. Zjawisko to jest wynikiem nieprawidowego przebiegu procesu, schodzenia do garu nieprzygotowanych materiaów, duszej pracy pieca na gstych ulach, czstego lub dugotrwaego zachodzenia pieca, pracy na wsadzie zej jakoci (nadmierna zawarto miakich tworzyw, sabego koksu) wreszcie zachodzenie samego garu du iloci przeciekajcej wody.
B. Rozpoznanie. a. wzrost spadku cinienia midzy gardziel a poziomem dysz, b. zmniejszenie szybkoci schodzenia naboju przed spustami i ponowny wzrost po
spustach, c. zwikszenie iloci spalonych dysz, d. nierówne ilociowo spusty surówki, e. nadmierne iloci grafitu i miau koksowego wypywajce z surówk w czasie
spustów. C. Przeciwdziaanie.
Spónione przeciwdziaanie zjawiska zaronicia garu prowadzi do powanego i dugotrwaego rozregulowania biegu pieca. Dlatego w wypadku pojawienia si pierwszych oznak zaronicia garu naley:
a. obniy wilgotno dmuchu wzgldnie dodatku mazutu, b. nie dopuszcza do ochodzenia pieca i zawaha stanu cieplnego, c. w miar moliwoci obniy zasadowo uli,
23
d. podwyszy pynno uli przez podwyszanie zawartoci MgO i MnO, e. wyeliminowa moliwie najwiksz ilo podziarna z koksu i poprawi jako
koksu, f. sprawdzi stan elementów chodniczych, g. szczególnie skrupulatnie dotrzymywa harmonogramu spustów, h. utrzymywa piec na penym biegu i nie zmniejsza iloci dmuchu.
IV. Komory spalania – optymalizacja parametrów dynamicznych dmuchu i ksztatu komór spalania. Spalanie koksu w wielkim piecu jest gównym ródem ciepa. Spalanie koksu w wielkim piecu nastpuje dopiero po jego zejciu od gardzieli a do strefy dysz i nastpuje wanie przed dyszami doprowadzajcymi dmuch do pieca. Proces spalania zachodzi w tzw. komorach spalania wytworzonych energi kinetyczn i du szybkoci dmuchu. Dmuch przez dysze wprowadzony jest do pieca z du szybkoci i pod cinieniem od 2 do 4,5 atm, w zalenoci od wielkoci i objtoci wielkiego pieca (rednicy garu).
W przekroju komora spalania przed dyszami WP. Ilo dysz zaley od rednicy garu pieca i wynosi np.32 dla pieca o φ garu 12m. i objtoci 3200 m3 (Huta Katowice). Dugo komory spalania l = l1 + l2 gdzie: l2 = dugo strefy redukcyjnej l1 = dugo strefy utleniajcej (równoznacznej ze stref cyrkulacji koksu). Dugo i objto komór spalania zaley od energii kinetycznej dmuchu oraz wasnoci fizycznych koksu. Te wasnoci koksu to: reakcyjno , kawakowo, porowato, zawarto wgla. IV.1. Reakcja spalania koksu przed dyszami przebiega w dwu etapach.
24
W pierwszym etapie przy wylocie dyszy znajduje si strefa utleniajca (l1)prawie równoznaczna ze stref cyrkulacji koksu. W tej strefie tlen dmuchu zostaje zuyty na powierzchniowe spalenie kawaków koksu w myl reakcji:
C + O2= CO2
W drugim etapie w tzw strefie redukcyjnej (l2) powstay CO2 reaguje z nieruchomym koksem w myl reakcji
CO2 + C = 2CO Gaz opuszczajcy komor spalania skada si zatem z : CO, H2 i N2, gdy azot nie reaguje w piecu a H2 powstaje bd z rozkadu pary wodnej (wilgoci) dmuchu bd pochodzi ze spalin wprowadzonych przez dysz paliw zastpczych (gazu ziemnego, oleju itp.) w myl reakcji
CH4 + ½ O2 = 2H2 + CO
W wyniku spalania koksu i paliwa zastpczego ustala si w komorze spalania temperatura (od 1800 do 2500oC), której maximum przypada w strefie utleniajcej w miejscu gdzie wystpuje maximum CO2. Chodak poda wzór na dugo komory spalania:
L = 0, 118 EK + 770 [mm] gdzie: EK = energia kinetyczna dmuchu [ kgm/sek] W pojciu chemicznym (mona zrobi pomiary sond) strefa utleniajca koczy si w miejscu gdzie zawartoci O2 wynosi 2% a strefa redukcyjna gdzie zawarto CO2 wynosi 2%.
Od dugoci i objtoci komór spalania zaley wstpny kierunek gazów przez wielki piec. Im dusza komora spalania tym przepyw jest bardziej rodkowy a im krótsza tym bardziej przepyw jest przy cianach pieca. Badajc skad gazu u wylotu dysz mona stwierdzi, e zawarto CO2 w tych gazach wzrasta poczwszy od ryjka dysz i osiga swe maksimum w odlegoci okoo 800mm od niego, po czym zaczyna si zmniejsza; w odlegoci 1200-1800 mm CO2 zupenie zanika. Zamiast CO2 pojawia si CO, którego zawarto w gazie stopniowo wzrasta do okoo 40%. Przy spalaniu wgla koksu tlenem dmuchu objto otrzymanego CO2 równa si objtoci tlenu. Gdy CO2 rozkada si pod dziaaniem wgla koksu na CO, wtedy z jednej objtoci CO2 otrzymuje si dwie objtoci CO. W rezultacie wic ze 100 objtoci suchego dmuchu, zawierajcego 79 objtoci N2 i 21 objtoci O2, otrzymuje si 42 objtoci CO i 79 objtoci azotu, tj. 121 objtoci gazu; wobec tego jego skad objtociowy przedstawia si nastpujco:
%CO= 121 42 =34,7 i %N2 =
121 79 =65,3
25
Powietrze dmuchu zawiera jednak zawsze pewna ilo wilgoci, które pod dziaaniem rozarzonego wgla rozkada si, przy czym powstaje wodór i tlenek wgla: H2O + C = H2 + CO – 29 730 kcal Reakcji tej towarzyszy dwukrotne powikszenie objtoci, tzn., e z jednej objtoci pary wodnej powstaj dwie objtoci gazu, zoonego w poowie z H2 i w poowie z CO. W nastpstwie tej reakcji ostateczny teoretyczny skd gazu po ukoczeniu spalania wgla koksu przed dyszami, zalenie od wilgotnoci dmuchu, przedstawia si nastpujco: Tabela. 3. Zaleno skadu chemicznego dmuchu i produktów spalania od wilgotnoci powietrza. Zawarto wilgoci
w dmuchu Skad w % objtociowych
Dmuch po rozkadzie wilgoci
Produkty spalania % obj. g/m3
100* 2 2
N O
0 21,00 0,00 79,00 34,7 0,0 63,3 26,58 0,5 4,017 21,09 0,49 78,42 34,8 0,4 64,8 26,90 1,0 8,035 21,184 0,995 77,821 35,0 0,8 64,2 27,22 1,5 12,052 21,28 1,48 77,24 35,1 1,2 63,7 27,53 2,0 16,070 21,37 1,98 76,65 35,2 1,6 63,2 27,85 Przestrzenie w garze przed kad dysz, w których odbywa si reakcja spalania, przyjto nazywa komorami spalania. W odlegoci 1200 mm od ryjka dyszy gaz zawiera ju 34,7% CO, zgodnie z wyej opisanymi reakcjami, po czym w miar oddalania si od ryjka dyszy zawarto CO wzrasta do okoo 48%. Ten wzrost CO ponad teoretyczn zawarto jest nastpstwem powstawania w rodkowej czci pieca dodatkowych iloci CO, wskutek redukcji bezporedniej tlenku elazowego i tlenków innych skadników surówki poniej osi dysz. Wykres zmiany skadu gazów przed dyszami (rys…..) podaje wartoci przecitne, jakkolwiek odlego9ci od ryjka dyszy, w których zanika tlen, a zawarto CO2 osiga maksimum, nie s stae dla rónych pieców i mog zmienia si w do szerokim zakresie. Przebieg spalania i wielko komory spalania zale od jakoci koksu. Im grubsze s kawaki koksu, a take im mniejsza porowato, tym mniejsza jest powierzchnia koksu, która bezporednio styka si z dmuchem i moe z nim reagowa. Dlatego, gdy piec prowadzi si na takim koksie, komory spalania zwikszaj swa objto; Odwrotnie, jeeli koks jest drobny i porowaty, to spalanie odbywa si szybko i rozmiary komór spalania s mniejsze. Ilo dmuchu równie wpywa na rozmiary komory spalania; im wicej dmuchu wprowadzamy do pieca, tym wiksze s komory spalania.
26
Rys. 2. Wykres skadu gazu przed dyszami wielkiego pieca wg L. Króla.
Rys. 3. Zaleno przebiegu spalania w garze wielkiego pieca od szybkoci powietrza przy wylocie dysz. W razie zwikszenia cinienia dmuchu ronie szybko jego wypywu z ryjków dysz i komora spalania wydua si w gb pieca, zmniejszaj si jednak jej wymiary poprzeczne, tj. proces spalania przebiega w mniejszej przestrzeni, a miejsce najwikszej zawartoci CO2 odsuwa si od ryjka dyszy. Tak zmian wymiarów komory spalania stwierdzono dowiadczalnie w wielkich piecach pracujcych z rónymi cinieniami dmuchu. Nagrzanie dmuchu równie wydatnie wpywa na wielko strefy utleniajcej przed dyszami. Podwyszenie temperatury dmuchu wywouje wzrost temperatury spalania, co sprzyja przyspieszeniu reakcji spalania i zmniejszeniu objtoci komór spalania. Zaleno t przedstawia rys 3 na którym podano przebieg spalania w garze wielkiego pieca przy temperaturach dmuchu 500 i 700oC.
27
Rys. 4. Zmiana skadu gazów przed dyszami wielkiego pieca przy temperaturze dmuchu 700oC (linie pene) i 500oC (linie przerywane). Jak wynika z wykresu, wysoka temperatura dmuchu przyblia ognisko spalania do ryjka dyszy, natomiast niska temperatura dmuchu powoduje rozszerzenie strefy spalania. Specjalny wpyw na spalanie koksu w garze wielkiego pieca wywiera dmuch o zwikszonej zawartoci tlenu. Jak wida z rys. zwikszenie zawartoci tlenu w dmuchu dziaa podobnie jak podwyszenie temperatury dmuchu; ognisko spalania w miar wzbogacania dmuchu w tlen przyblia si do ryjka dyszy, wywoujc zmniejszanie si komory spalania. Zjawisko to wynika zreszt z tych samych przyczyn; gdy dmuch zawiera wicej tlenu, to koks spala si szybciej, a wic na krótszej odlegoci od ryjka dyszy i w mniejszej przestrzeni. Wielko strefy spalania ma due znaczenie dla biegu wielkiego pieca; im wiksze komory spalania, tym wiksze s te leje, którymi zasypuje si koks z góry przed dysze, tym atwiej i równiej schodz w dó nowe porcje materiaów. W razie zmniejszenia wielkoci komór spalania kurcz si przestrzenie, do których koks moe zsuwa si z góry. Koks oraz materiay wsadowe opuszczaj si wic z trudnoci i zawieszaj si w piecu. Od rozmiarów strefy utleniajcej i pooenia ogniska spalania oraz maksimum zawartoci CO2 zaley równie rozkad temperatur na wysokoci pieca: im wiksza jest strefa spalania, tym wyej siga strefa wysokich temperatur. Gdy przybliamy ognisko spalania do ryjka dyszy, wtedy wysokie temperatury koncentruj si w garze tym silniej, im bardziej cieniona jest komora spalania.
28
Rys.5. Zmiana zawartoci CO2 w gazie przed dyszami wielkiego pieca przy rónej zawartoci tlenu w dmuchu. Gazy unoszce si z tej strefy oddaj swe ciepo wsadowi tak, e ich temperatura w najniszej czci szybu nie przekracza 1000oC, a w gardzieli pieca od ok. 100 – 200oC. Ustalenia dotyczce wymiarów komór spalania i szybkoci dmuchu w dyszach s przedmiotem wicze obliczeniowych. V. Zasady i modelowanie niektórych procesów czstkowych zachodzcych w wielkim piecu. V.1. Strefa kohezji – miknicia w wielkim piecu. Wielki piec jest najbardziej zoonym urzdzeniem w zespole reaktorów do wytwarzania stali. Przyczyny tej zoonoci wynikaj z zaadunku materiaów, których wasnoci zale w duym stopniu od pochodzenia surowców, od wywizujcych si reakcji chemicznych i od zmian stanu (topnienia) we wntrzu reaktora. Mimo tej zoonoci nastpi znaczny postp procesu wielkopiecowego w cigu ostatnich 20 lat. w zakresie zuycia ciepa i zdolnoci produkcyjnej. Jego przyszo zdaje si by zapewniona na do dugi okres czasu, poniewa odznacza si godn uwagi wasnoci, a mianowicie zuywa energi pochodzc z wgla w iloci 90%. Jego wydajno cieplna jest poza tym doskonaa, równie w przyblieniu 90%. Aktualne denia sprowadzaj si do jeszcze wikszej poprawy osigni, przy czym chodzi o dwa zasadnicze kierunki.
obnienie kosztów zuytej energii przez zmniejszenie cakowitego zuycia ciepa, a take przez zastpienie koksu taszymi paliwami,
wyduenie kampanii przez zapewnienie moliwie najbardziej regularnej pracy poprzez sta kontrol zjawisk wystpujcych we wntrzu pieca.
Realizacja tych celów wymaga lepszej znajomoci zjawisk metalurgicznych, aby zidentyfikowa czynniki, które aktualnie nie s dostatecznie znane (charakterystyka wsadu, reakcje chemiczne, „ zakócenia” itd.), oraz aby znale sposób ujcia stanu reaktora (rozdzia gazów, posta strefy topnienia itd.), celem lepszego opanowania sposobów dziaania (regulacji). W celu pogbienia znajomoci tych zagadnie stosuje si róne metody badawcze:
uycie dowiadczalnych pieców o maym wymiarach. Tej metody praktycznie nie stosuje si ju, ze wzgldu na znieksztacenia wynikajce ze zmniejszenia skali,
szybkie ochadzanie wielkich pieców o rednich wymiarach, a nastpnie szczegóowa analiza pod koniec kampanii (Japonia). Sposób ten umoliwia dokadne rozeznanie, ale jest bardzo kosztowne,
badania przeprowadzone w czynnych wielkich piecach. Instytuty badawcze i huty przywizuj due znaczenie do tej ostatniej, w zwizku z czym wielkie piece wyposaone s
29
w coraz bardziej dokadn i precyzyjn aparatur pomiarowo-kontroln (Spirotherm, sondy poziome w gardzieli i w szybie, pomiary cinie wzdu wysokoci pieca itd.).
Jest rzecz oczywist, e w takim reaktorze jak wielki piec wydajno, zuycie koksu oraz prawdopodobiestwo przerwania stabilnej pracy pieca zaley od przepywu gazu, od wzajemnego oddziaywania przepywajcych gazów i cieczy oraz od wzajemnego oddziaywania przepywajcych gazów i ruchu materiaów staych. Dotychczas stosowane modele matematycznego wielkiego pieca, majce na celu zapewnienie sposobu lepszego sterowania, a szczególnie popraw warunków termochemicznych i wynikajc std kontrol jakoci surówki, opieraj si na bilansach materiaowym i cieplnym. Sterowanie takimi modelami nie gwarantuje w peni sterowania caoci procesu bowiem nie uwzgldnia zjawisk aerodynamicznych. Wspóczesne, naukowe sterowanie prac nowoczesnych wielkich pieców polega na identyfikacji trzech podstawowych zjawisk w procesie wielkopiecowym tj. przenoszenie ciepa, redukcja i topnienie w piciu oddzielnych strefach wielkiego pieca:
strefa materiaów kawakowych – gdzie rudy i koks zachowuj uwarstwienie, które miay po zaadowaniu,
strefa kohezyjna – skadajca si w warstw koksu oraz z warstwy czciowo stopniowej masy zlepiajcych si czstek rudy,
strefa aktywna koksu – skadajca si wycznie z koksu przez który cieka surówka i uel,
komora spalania – stanowi czciowo pusta przestrze, gdzie koks spala si poruszajc si gwatowanie pod wpywem energii kinetycznej dmuchu z dysz,
strefa garu – wypeniona koksem przesiknitym surówk i ulem, Surówka i uel s produktami szeregu reakcji chemicznych zjawisk fizycznych i cieplnych. Naley zdawa sobie spraw, e reakcje te zachodz odmiennie nie tylko w zalenoci od ich lokalizacji w jednej z w/w stref lecz równie w ramach tej samej strefy w zalenoci od usytuowania wzdu promienia pieca od osi do obrzea. Przenoszenie ciepa, redukcja chemiczna i topienie si s trzema najwaniejszymi reakcjami, które zachodz w poszczególnych strefach w warunkach przeciwprdowych. Praca wielkiego pieca zaley równie w znacznej mierze od przewiewnoci kolumny wsadowej i od warunków przetapiania. Obecnie usiuje si uzyska informacje dotyczce uksztatowania si strefy kohezyjnej oraz oddziaywujcych na ni czynników. Do czynników oddziaywujcych, które naley uwzgldni przy optymalizacji profilu strefy kohezyjnej, zalicza si opór stawiany przepywajcym gazom w wielkim piecu, obcienie cieplne wyoenia w strefie przestronu, wydajnoc procesu, stabilno pracy pieca. Zwraca si uwag na znaczenie, jakie w duej mierze przypada górnej czci strefy kohezyjnej, od której zaley równomierna przewiewno w wielkim piecu. Z dotychczasowych bada wynika, e mona poprawi i osignc bardziej równomiern przewiewno w poczeniu z lepszym wykorzystaniem gazu i mniejszym zuyciem koksu przez wewntrzne przesunicie alboi przez obnienie wysokoci strefy kohezyjnej. Pooenie strefy kohezyjnej w wielkim piecu mona stosunkowo dokadnie okreli na podstawie albo pomiarów cinienia wzdu wysokoci pieca albo na podstawie okrelenia rozkadu temperatur wzdu wysokoci wielkiego pieca. V.2. Identyfikacja strefy kohezyjnej na podstawie rozkadu temperatur wzdu wysokoci wielkiego pieca – wiadomoci ogólne. Na podstawie bada wygaszonych wielkich pieców przeprowadzonych w Japonii wykazano, e mona scharakteryzowa w sposób globalny rozdzia gazów na podstawie ksztatu strefy topnienia. Warstwy spieku czciowo stopionego uoone s w ksztacie piercieni i speniaj rol „okien”, które rozdzielaj gaz we wntrzu szybu. Warstwa kohezyjna jest gst mas czciowo zredukowanych rud elaza, która hamuje przepyw gazu. Uksztatowanie strefy kohezyjnej zaley w znacznym stopniu od sposobu zasypu, gdy w zalenoci od rozkadu ruda/koks wzdu promienia i od ich uziarnienia, zmienia si przewiewno wsadu. W przypadku stosowania
30
stokowego urzdzenia zasypowego nastpuje znaczna segregacja pod wzgldem uziarnienia adowanych materiaów wsadowych i koksu. Due kawaki gromadz si bliej osi a drobne na obrzeu. W zwizku z tym przewiewno w osi pieca jest normalnie wiksza ni na obrzeu, co powoduje rodkowy przepyw gazu. Powierzchnia wsadu uksztatowana normalnie w ksztacie litery V, skraca drog gazu bardziej w osi ni na obrzeu. Jest to dodatkowy czynnik zwikszajcy skonno gazów do rodkowego przepywu. Z drugiej strony, kt zsypu koksu jest zawsze bardziej stromy ni w przypadku wsadu rudnego, co powoduje utworzenie si warstw rudy osi pieca. Uwaa si jednak, e ta skonno zmniejsza si wskutek tego, e nabój rudy przepycha koks w kierunku osi pieca, czego nie czyni nabój koksowy. Poniewa warstwa rudna wykazuje zawsze mniejsz przewiewno ni warstwa koksu, rónica któw zsypu powinna wpyn niekorzystnie na rodkowy przepyw gazu. Omówione wyej trzy czynniki tzn. segregacja, powierzchnia wsadu i kt zsypu przyczyniaj si normalnie do mniejszego lub wikszego przepywu gazu rodkiem pieca o ile oczywicie gaz w dolnej czci pieca moe przenika w kierunku osi pieca. W nastpstwie rodkowego przepywu gazu rudy adowane w osi pieca stykaj si z wikszymi ilociami gazu, ogrzewaj si i redukuj wczeniej ni rudy dowane na obrzeu. Wynika std jasno, e rodkowy przepyw gazu powoduje wczeniejsze utworzenie si warstwy kohezyjnej w osi pieca ni na obrzeu. W ten sposób scentralizowany do pewnego stopnia przepyw gazów powoduje stokowe uksztatowanie si strefy kohezyjnej. Gaz wypywajcy ze szczelin strefy kohezyjnej ma temperatur w granicach 1200o-1400oC i skada si z CO.H2 i N2. W drodze do gardzieli wp. gaz ten najpierw redukuje tlenki elaza w strefie materiaów kawakowych a nastpnie nagrzewa wsad i koks. Zgodnie z tym pojawia si CO2 i H2O których zawarto w gazie zwiksza si, a temperatura gazu stopniowo si obnia. Temperatura i skad gazu w dowolnym miejscu w strefie kawakowej daje wskazówk co do iloci wsadu z koksu, z któr gaz ju si zetkn. Stokowa posta strefy kohezyjnej powoduje przewanie wysze temperatury i nisze temperatury i wysze zawartoci CO2 w gazie na obrzeu. Moliwe s cztery charakterystyczne uksztatowania si strefy kohezyjnej w wielkim piecu, przedstawione na rys. 7. Schemat „A” ma ksztat odwróconej litery V. W tym schemacie wystpuj liczne szczeliny w warstwie koksu, które umoliwiaj du przewiewno. Tym samym przewiewno w caym piecu jest doskonaa. Poniewa jednak w tym schemacie przepywu strefa kohezyjna wystpuje w pobliu cian pieca, gazy o wysokiej temperaturze uchodzce ze strefy miknienia i topienia oddziaywuj na ciany pieca. Niezalenie od tego strefa materiaów kawakowych jest niewielka, a wykorzystanie gazów niedostateczne i zuycie paliwa due. Schemat przepywu „B” ma równie ksztat odwróconej litery V, przy czym jednak cz rodkowa jest zwona. Obcienie cieplne cian jest w tym przypadku mae, poniewa odstp midzy stref kohezyjn i cianami pieca jest duy, w zwizku z czym wobec duej strefy materiaów kawakowych osiga si wysokie wykorzystanie gazów. Zawenie strefy miknienia i topnienia powoduje lepsz przewiewno na dwóch schematach przepywu „A” i „B”. Schemat „C” jest prawie paski. Ten schemat stanowi przykad niedoskonaej przewiewnoci, która powoduje zawisanie i zarywanie wsadu. W przypadku tego schematu trudno spodziewa si ustabilizowanej pracy pieca. Schemat przepywu „D” ma ksztat litery W. Mimo lepszej przewiewnoci ni w schemacie „C” dolna cz pieca, a zwaszcza spadki s naraone na dziaanie gazów o wysokiej temperaturze. Za idealny uwaa si ksztat tej strefy w postaci odwróconej litery V, jednak pod warunkiem zawania czci rodkowej. W takim przypadku odstp midzy stref kohezyjn a cianami pieca jest stosunkowo duy, w zwizku z czym gazy o wysokiej temperaturze uchodzce ze strefy miknienia i topienia nie atakuj bezporednio cian pieca, obniajc ich obcienia cieplne. Ponadto wobec duej strefy materiaów kawakowych osiga si wysokie wykorzystanie gazów, a zawenie strefy miknicia i topnienia powoduj lepsz przewiewno wsadu. Powierzchnia szczelin midzy warstwami kohezyjnymi a koksem winna by w tej strefie wystarczajco dua, aby przepuci gaz bez nadmiernego spadku cinienia. Jednoczenie pooenie warstw kohezyjnych na obrzeu powinno na tyle by dostatecznie wysokie, aby surówka i uel, które ciekaj w dó pieca byy odpowiednio przegrzane przed zejciem do komory spalania przed dyszami. Istniej zatem
31
moliwoci okrelenia strefy kohezyjnej równie na podstawie ustalenia rozkadu temperatur czyli ksztatu izoterm (800-1400oC). Bezporedni metod zastosowano we Francji, gdzie opracowa oryginalny sposób oparty