AUTOREFERAT. Przedstawiający opis dorobku i osiągnięć naukowych. dr inż. Mikołaj BERNASOWSKI

Transkrypt

1 AUTOREFERAT Przedstawiający opis dorobku i osiągnięć naukowych dr inż. Mikołaj BERNASOWSKI Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Kraków 2015

2 SPIS TREŚCI 1. Imię i nazwisko Posiadane dyplomy, stopnie naukowe z podaniem nazwy, miejsca i roku ich uzyskania oraz tytułu rozprawy doktorskiej Informacja o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych Wskazanie osiągnięcia wynikającego z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 ze zm.):...4 a) Tytuł osiągnięcia naukowego/artystycznego...4 b) Zestawienie materiałów dokumentujących zrealizowanie ww. osiągnięcia technologicznego stanowiącego podstawę postępowania habilitacyjnego...4 c). Omówienie celu naukowego ww. pracy/prac i osiągniętych wyników wraz z omówieniem ich ewentualnego wykorzystania: Omówienie pozostałych osiągnięć naukowo-badawczych (artystycznych) Przed uzyskaniem stopnia doktora Po uzyskaniu stopnia doktora

3 1. Imię i nazwisko Mikołaj Bernasowski 2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe z podaniem nazwy, miejsca i roku ich uzyskania oraz tytułu rozprawy doktorskiej Doktor nauk technicznych Miejsce uzyskania: Wydział Metalurgii i Inżynierii Materiałowej, AGH Rok uzyskania: 2000 Tytuł rozprawy doktorskiej: Wpływ ruchu wsadu i przepływu gazów na procesy wymiany ciepła i masy w szybie wielkiego pieca (praca wyróżniona) Promotor rozprawy: prof. dr hab. inż. Andrzej Łędzki Dyscyplina: Metalurgia Specjalność: Metalurgia żelaza Magister inżynier metalurg Miejsce uzyskania: Wydział Metalurgii i Inżynierii Materiałowej, AGH Rok uzyskania: 1995 Tytuł pracy magisterskiej: Analiza pracy wielkich pieców na zróżnicowanym wsadzie Zakres: Metalurgia Ekstrakcyjna 3. Informacja o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych od nadal Adiunkt, Katedra Metalurgii Stopów Żelaza, AGH Asystent, Zakład Metalurgii Stopów Żelaza, AGH 3

4 4. Wskazanie osiągnięcia wynikającego z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 ze zm.): a) Tytuł osiągnięcia naukowego/artystycznego Badania wpływu składu gazu garowego na równowagę procesów redukcji tlenków żelaza w wielkim piecu b) Zestawienie materiałów dokumentujących zrealizowanie ww. osiągnięcia technologicznego stanowiącego podstawę postępowania habilitacyjnego Jako osiągnięcie naukowe * wynikające z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 ze zm.) wskazuję wyniki badań opublikowane w cyklu publikacji: 1. Bernasowski M. Kierunki rozwoju procesu wielkopiecowego [Directions of development of blast furnace process] Branżowy Magazyn Przemysłowy : metalurgia, energetyka, górnictwo, automatyka : mega-industry. [2005] s Bibliogr. s Łędzki A., Stachura R., Sadowski A., Bernasowski M., Migas P., Klimczyk A.: Komputerowy system wspomagania technologii wielkopiecowej w HTS S. A., Hutnik Wiadomości Hutnicze, 2004, nr 3, str Mój wkład w powstanie tej pracy polegał na: opracowaniu algorytmu nadrzędnego wydającym zalecenia regulacyjne (Rys.3.), opracowaniu modelu identyfikacji rozkładu strumieni gazowych w szybie wielkiego pieca (rys.5), opracowaniu systemu monitoringu pracy pieca na bieżąco w postaci 24h wykresów (Rys. 7) oraz systemu archiwizacji. Mój udział procentowy szacuję na 25 %. 3. Łędzki A., Stachura R., Klimczyk A., Bernasowski M., Migas P., Zieliński K.; Ocena działania komputerowego systemu wspomagania technologii wielkopiecowej w krakowskim oddziale Mittal Steel Poland w warunkach rzeczywistych, Hutnik Wiadomości Hutnicze, 2006, nr 7, str * Oświadczenia współautorów określające indywidualny wkład w pracach stanowiących osiągnięcia naukowe znajdują się w Załączniku 5 do Wniosku 4

5 Praca prezentuje efekty wdrożenia systemu wspomagania technologii wielkopiecowej. Mój wkład w powstanie tej pracy polegał na opracowaniu wniosków. Mój udział procentowy szacuję na 25 %. 4. Łędzki A., Stachura R., Bernasowski M., Klimczyk A., Migas P.: Weryfikacja przydatności komputerowego systemu wspomagania technologii do sterowania wielkim piecem przy zastosowaniu paliw zastępczych, Hutnik Wiadomości Hutnicze, 2008, nr 7, str Mój wkład w powstanie tej pracy polegał na dostosowaniu działających modeli do uwzględnienia wdmuchiwania pyłu węglowego, opracowaniu nowego algorytmu wydawania zaleceń (rys2), oraz nowego sposobu prezentacji wybranych parametrów(rys.5.). Mój udział procentowy szacuję na 25 %. 5. Łędzki A., Stachura R., Klimczyk A., Bernasowski M.; Wpływ rozwoju modelowania na sterowanie procesem wielkopiecowym, Hutnik Wiadomości Hutnicze, 2009, nr 4, str Mój wkład w powstanie tej pracy polegał na opracowaniu algorytmu nadrzędnego, modelu identyfikacji rozkładu strumieni gazowych w szybie wielkiego pieca oraz dostosowaniu systemu do wdmuchiwania pyłu węglowego. Mój udział procentowy szacuję na 25 %. 6. Łędzki A., Stachura R, Klimczyk A., Bernasowski M.; Development and implementation of a computer-aided support system for AGH's blast-furnace technology, Polish metallurgy in time of the worldwide economic crisis, ed. K. Świątkowski; co-eds. L. Blacha,; Committee of Metallurgy of the Polish Academy of Sciences. Kraków: monografia Publishing House,,AKAPIT, 2010, s Mój wkład merytoryczny polegał na opracowaniu modelu rozkładu strumieni gazowych w szybie wielkiego pieca, określeniu wpływu składu garowego na procesy redukcji, a także na opracowaniu systemu wydawania zaleceń regulacyjnych. Oprócz tego brałem udział w modyfikacji algorytmów do stosowania technologii PCI, w pracach weryfikacyjnych i wdrożeniowych oraz opracowaniu dokumentacji technicznej systemu. Mój udział procentowy szacuję na 25 %. 7. Bernasowski M., Łędzki A., Stachura R, Klimczyk A., Wcisło Z.; Wpływ składu gazu garowego na zakres redukcji bezpośredniej w procesie wielkopiecowym, Hutnik Wiadomości Hutnicze, 2011, nr 9, s

6 Mój wkład w powstanie tej pracy polegał na opracowaniu koncepcji badań (Rys.1.), zebraniu danych z wielkiego pieca w Dąbrowie Górniczej(Tab.1), przeprowadzeniu obliczeń, analizie statystycznej (Rys. 2,3), opracowaniu wniosków. Mój udział procentowy szacuję na 60 %. 8. Bernasowski M. Utilizaciâ plastmassovyh othodov v domennoj peči [Utilization of plastic wastes in blast furnace] Novini Nauki Pridnïprov'â : naukovo-praktičnij zurnal. Serïâ: ïnzenernï disciplïni maj s Bibliogr. s Bernasowski M., Łędzki A., Stachura R., Klimczyk A.; Teoretyczne podstawy technologii wdmuchiwania tlenku węgla do dysz wielkiego pieca, Hutnik Wiadomości Hutnicze, 2012, nr 4, s Mój wkład w powstanie tej pracy polegał na opracowaniu koncepcji badań, dostosowaniu modelu minimalizacji zużycia paliwa do nowych warunków wejściowych (Rys.2.), przeprowadzenie obliczeń oraz wyciągnięciu wniosków. Mój udział procentowy szacuję na 60 %. 10. Bernasowski M: Theoretical study of the hydrogen influence on iron oxides reduction at the blast furnace process Steel Research International, 2014 vol. 85 iss. 4, s Bernasowski M., Łędzki A., Stachura R., Klimczyk A.; Basic structure of the fuel rate optimization model and its practical use at the blast furnace technology. Book Group Author(s): TANGER METAL 2014: 23rd International Conference on Metallurgy and Materials Location: Brno, CZECH REPUBLIC Date: MAY 21-23, 2014,Pages: Published: 2014, proceeding Web of Science Mój wkład w powstanie tej pracy polegał na opracowaniu koncepcji zastosowania modelu minimalizacji zużycia paliwa w sterowaniu procesami redukcji poprzez dozowanie dodatków do dmuchu. Mój udział procentowy szacuję na 70 %. 12. Bernasowski M. Wpływ wodoru na sterowanie zużyciem paliwa w procesie wielkopiecowym, Hutnik Wiadomości Hutnicze, 2013, nr 11, s

7 c). Omówienie celu naukowego ww. pracy/prac i osiągniętych wyników wraz z omówieniem ich ewentualnego wykorzystania: W ramach pracy naukowej i dydaktycznej na Wydziale Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej AGH zajmuję się technologią otrzymywania żelaza surowego w wielkich piecach. Po doktoracie byłem głównym wykonawcą kilku prac przemysłowych związanych bezpośrednio z wielkim piecem nr 5 w Krakowie. A także interesowałem się technologią prowadzoną na wielkich piecach w Dąbrowie Górniczej. W tych pracach moje zadania i zainteresowania dotyczyły m.in. sterowania pracą wielkiego pieca "od dołu" czyli poznaniem jak ilość i charakter dodatków do dmuchu wpływają na bilans materiałowo-cieplny wielkiego pieca oraz na procesy redukcji tlenków żelaza zachodzące w przestrzeni roboczej agregatu. Proces wielkopiecowy jest jedną z nielicznych technologii przemysłowych, w której zarówno agregat jak i zachodzące procesy zachowały swoja istotę i wagę podczas wszystkich rewolucji technicznych. Zasada technologii w przeciwprądzie zachodzącej w szybowym agregacie zamkniętym zapewnia maksymalne wykorzystanie podawanej energii i łatwość wykorzystania powstałych produktów. Warunki panujące w dolnej części wielkiego pieca narzucają charakterystyczną tylko dla danej technologii cechę połączenia w jednym agregacie trzech stanów skupienia wsadu (stałego, ciekłego oraz ciastowatego) znajdującego się w przeciwprądzie z gazem. Wraz z tym przebieg procesu we współczesnych wielkich piecach charakteryzuje się wysoką stałością przy ciągłym trybie pracy. Jednym z towarzyszących zadań procesu wielkopiecowego jest utylizacja stałych odpadów, przerób których w wielkim piecu jest bardziej głęboki niż w innych urządzeniach. Tlenki przechodzą do metalu lub żużla, węgiel i węglowodory zamieniają się w gaz, filtracja którego przez słup wsadu może być sterowana pod względem pochłaniania rzędu substancji szkodliwych [I.B.1] **. Podstawowym dodatkiem do dmuchu w technologii wielkopiecowej prowadzonej bez paliw zastępczych jest para wodna. Wnosi ona niewielkie ilości wodoru do gazu redukcyjnego, tym nie mniej praktyka wskazuje, że warunki redukcyjne w całym piecu oraz jego bieg ulegają polepszeniu. Przy stosowaniu paliw zastępczych warunkiem koniecznym do przeciwdziałania oziębienia komór spalania spowodowanym właśnie zimnym paliwem podawanym do dysz, jest dodatek tlenu do dmuchu. Tlen intensyfikuje spalanie i tym samym zwiększa temperaturę komór. Ale jednocześnie przyczynia się do zwiększenia udziału tlenku węgla w gazie garowym i może zmieniać warunki redukcyjne tlenków żelaza w kierunku zwiększenia redukcji pośredniej. Z kolei paliwo zastępcze, którym obecnie najbardziej popularny jest pył węglowy, dzięki dużej zawartości części lotnych (ok. 30% wag.) wnosi znacznie większe ilości wodoru do gazu garowego niż to miało miejsce przy dodatku do dmuchu tylko pary wodnej. Oprócz pyłu węglowego w wielkopiecownictwie krajowym i światowym jako paliwo zastępcze stosuje się gaz koksowy oraz gaz ziemny, które również wnoszą duże ilości wodoru do gazu garowego. Tak więc, w nowoczesnej ** Numeracja w nawiasach jest odpowiednia pozycjom Wykazu opublikowanych prac naukowych lub twórczych prac zawodowych oraz informacja o osiągnięciach dydaktycznych, współpracy naukowej i popularyzacji nauki (Załącznik nr 4 do Wniosku) 7

8 technologii wielkopiecowej dzięki stosowaniu bogatego w wodór paliwa zastępczego oraz towarzyszącego temu wzbogacaniu dmuchu w tlen, w gazie garowym został znacznie zwiększony udział wodoru i tlenku węgla w porównaniu do tradycyjnej technologii wielkopiecowej, gdzie jedynym dodatkiem była para wodna. Oprócz naturalnych paliw zastępczych w praktyce wielkopiecowej stosowano również nietradycyjne paliwa takie jak odpady plastikowe, oleje zwierzęce itd. w celu ich utylizacji przez spalanie. Paliwa tę niewątpliwie również wpływają na zmianę składu gazu garowego. Wskazany cykl publikacji opisuje ewolucję poznawczą wpływu zmiennego - w zależności od stosowanych paliw - składu gazu garowego, a zwłaszcza wodoru na procesy redukcji tlenków żelaza w procesie wielkopiecowym, oraz wykorzystania tej wiedzy przy sterowaniu procesem wielkopiecowym poprzez zmianę ilości dodatków do dmuchu. Uznałem, że zagadnienie to jest bardzo ważne w technologii wielkopiecowej podczas pracy nad Systemem Wspomagania Technologii Wielkopiecowej w latach [I.B.2-I.B.3], [II.B.1,II.B.3]. W 2004 roku, podczas weryfikacji systemu wspomagania technologii zaobserwowałem, że podział stopni redukcji wustytu jest zależny od dodawanej do gorącego dmuchu wilgoci, a więc od składu gazu garowego. Wilgoć rozkładając się na wodór i tlenek węgla, zwiększa ich zawartość w gazie garowym i tym samym polepsza warunki redukcji pośredniej i jednocześnie ogranicza redukcje bezpośrednią wustytu. Reasumując, należy stwierdzić, że w momencie wdrożenia systemu w 2004 roku na skład gazu garowego można było wpływać wyłącznie dodatkiem wilgoci do dmuchu. Po wdrożeniu technologii wdmuchiwania pyłu węglowego (PCI pulverized coal injection) w 2007 roku, algorytm sterowania dodatkami do dmuchu należało gruntownie zmodernizować. Po pierwsze ilość dodatków wzrosłą o dwie pozycje: sam pył węglowy oraz wzbogacanie dmuchu w czysty tlen. Po drugie: aby uwzględnić wpływ tych dodatków na model minimalizacji zużycia paliwa i algorytm sterujący należało zweryfikować bilanse materiałowy i cieplny. Zatem, wprowadzenie technologii PCI wymagało uwzględnienia zmiany wielu parametrów w systemie. Najważniejsze przyczyny, które wywołują te zmiany to [I.B.4-I.B.6]: wprowadzenie technologii PCI - zgodnie z jej przeznaczeniem - w celu zastępstwa koksu wymaga zmniejszenia udziału koksu w naboju. Należało to uwzględnić w modelach namiarowania i kohezji mechanizm spalania bogatego w części lotne paliwa jest inny niż koksu, a rozkład części lotnych wymaga dodatkowej ilości ciepła. temperatura wprowadzonego paliwa zastępczego przed dysze jest znacznie niższa, a elementem jej wyrównania jest wdmuchiwanie tlenu sposób wdmuchiwania tlenu był uwarunkowany lokalną technologią i tlen również podawano przez dysze przy pomocy lanc, a więc należało uwzględnić fakt, że gdy na piecu nie jest stosowana technologia PCI to przez te lance podawane jest powietrze w celu ich chłodzenia. 8

9 bogaty w części lotne pył węglowy oraz niezbędne przy jego wdmuchiwaniu dla polepszenia warunków cieplnych w komorze spalania stosowanie tlenu powodowało wzrost ilości gazów garowych, co z kolei wpływało na rozkład strumieni gazowych w strefie materiałów kawałkowych. Porównując pracę wielkiego pieca z okresów 2004 roku i 2008 roku należy zaznaczyć że wpływ wodoru na obniżenie redukcji bezpośredniej był zróżnicowany. Wykazano zależność składu gazu garowego na zużycie węgla w reakcji redukcji bezpośredniej. Ustalono, że na zakres reakcji redukcji bezpośredniej wyrażony ilością zużytego chemicznie węgla wpływają zarówno jak wodór tak i tlenek węgla zawarte w gazie garowym. Oznacza to, że na ten wskaźnik również wpływa rodzaj użytego paliwa zastępczego, a szczególnie ilość wodoru wyzwalająca się z niego podczas spalania przed dyszami. Niemniej jednak, największy wpływ na zakres reakcji redukcji bezpośredniej ma dostarczany tlen do komory spalania, który w gazie garowym występuje wyłącznie jako CO. W latach kierowałem projektem badawczym pt. Minimalizacja zużycia paliwa w wielkim piecu poprzez sterowanie ilością dodatków do dmuchu oraz jego parametrami. Finansowanie: MNiSW, Projekt badawczy nr N N , r. Głównym celem projektu była unifikacja pod względem stosowanego paliwa zastępczego algorytmu minimalizacji jednostkowego zużycia paliwa w procesie wielkopiecowym. W projekcie były brane pod uwagę stosowanie paliw tradycyjnych (pył węglowy, gaz koksowy, gaz ziemny) oraz paliwa odpadowe (plastiki, zużyte opakowania, oleje roślinne). Model został z powodzeniem zweryfikowany na wielkich piecach w Krakowie oraz Dąbrowie Górniczej i potwierdzono jego uniwersalność, gdyż pozwala on na skuteczne sterowanie wielkością stopnia redukcji bezpośredniej FeO na dowolnym wielkim piecu za pomocą regulacji dodatkiem wilgoci i tlenu do dmuchu. Ustaliłem następujące[i.b.7]. Ponieważ podczas zamierzonego zwiększenia zawartości wodoru w gazie garowym zarówno poprzez dodatek wilgoci, jak i dodatek paliw zastępczych zawierających węglowodory, występował również wzrost zawartości CO, (gdyż tlen był zawarty w tejże wilgoci lub był podawany wraz z paliwem zastępczym), to trudno było wówczas jednoznacznie określić mechanizm wpływu wzrostu zawartości CO lub H 2 na ograniczenie zakresu redukcji bezpośredniej. Jednak z badań statystycznych przeprowadzonych na dużej ilości parametrów operacyjnych i charakterystyk obliczeniowych uzyskanych z WP 5 w Krakowie można było wywnioskować, że zwiększenie zawartości wodoru znacznie ogranicza zakres redukcji bezpośredniej tylko przy jego niskich jego zawartościach (0-2%) uzyskanych wyłącznie podczas stosowania nawilżania dmuchu. Natomiast przy stosowaniu paliw zastępczych powodujących wzrost zawartości wodoru w gazie garowym powyżej 5% jego znaczenie ustępuje na korzyść tlenku węgla. Z powyższego wynikało, że dalszy zamierzony wzrost zawartości CO w gazie garowym przyczyni się do większego ograniczenia redukcji bezpośredniej. Jednak należy to przeprowadzać nie za pomocą zwiększenia dodatku tlenu lub wilgoci do dmuchu (znaczne ograniczenie efektywnej pod względem chemicznym redukcji bezpośredniej w tradycyjnej technologii wielkopiecowej spowoduje zwiększenie zużycia paliwa), lecz poprzez wprowadzenie do pieca tlenku węgla z innych procesów lub zastąpienie nim azotu dmuchu. Tworzy to podstawę do opracowywania nowych technologii w produkcji żelaza surowego. 9

10 Badania nad możliwością spalania jako paliwa zastępczego odpadów pozwoliła stwierdzić, że wielki piec wskutek wysokiej zdolności filtracyjnej słupa materiałów wsadowych oraz wysoko redukcyjnych warunków może służyć jako utylizator różnego rodzaju odpadów pochodzenia organicznego oraz paliw ze źródeł odnawialnych. Szczególną uwagę należy zwrócić na zalety utylizacji w wielkim piecu odpadów opakowaniowych, gdyż oprócz wnoszenia ciepła do procesu oraz oczywistej korzyści w redukcji składowanych odpadów przyczynia się ona do ograniczenia zużycia koksu i emisji CO 2 do atmosfery. Przeprowadzona analiza możliwości utylizacji odpadów plastikowych w wielkim piecu wykazała [I.B.8]: specyfika procesu wielkopiecowego, a konkretnie: warunki redukcyjne panujące w strefie wysokich temperatur, wysoka zdolność filtracyjna słupa materiałów wsadowych oraz blokowanie powstawania dioksyn przez wysokie stężenie siarki, pozwala na zupełną utylizację odpadów plastikowych bez konieczności stosowania dodatkowych urządzeń oczyszczających; plastiki już w niskich temperaturach ulęgają termicznemu rozkładowi na pierwiastki podstawowe, a szybkość rozkładu jest zależna od rozmiaru cząstki. Nawet gdy rozkład ten następuje w wyższych partiach pieca powstający węgiel posiada wyższą reakcyjność od koksu lub nie spalonego węgla PCI i ma pierwszeństwo na reagowanie z CO 2. W ten sposób pokrywać on może znaczną część zapotrzebowania na węgiel w redukcji bezpośredniej FeO i przyczynić się bezpośrednio do oszczędności koksu wielkopiecowego. Można również wywnioskować że w przygotowaniu odpadów do spalania w wielkim piecu można pominąć szczegółową segregację cząstkową, gdyż zarówno drobne (od 0,0 mm) i grube cząsteczki (do mm) są łatwo konsumowane jeśli nie przed dyszą, to przez redukcję bezpośrednią; popiół powstający przy spalaniu plastików korzystnie wpływa na żużel wielkopiecowy, gdyż wyższe zawartości Al 2 O 3 i MgO polepszają jego własności fizykochemiczne. Oprócz tego zawarte w popiele TiO 2 może się przyczynić do powstawania warstwy ochronnej z węglika tytanu na wyłożeniu ogniotrwałym garu. Należy zaznaczyć, że żużel wielkopiecowy zostanie następnie wykorzystany do produkcji cementu lub kruszywa budowlanego. Ta przesłanka przemawia za utylizacją odpadów z wysoką zawartością popiołu właśnie w wielkim piecu, a nie w spalarni. W latach prowadziłem dalsze badania nad możliwościami sterowania składem gazu garowego na procesy redukcji w wielkim piecu. W publikacji [I.B.9] opisano wytłumaczenie dlaczego tlenek węgla ma zastosowanie w agregacie do produkcji surówki w technologii ULCOS (Ultra Low CO 2 Steelmaking). Ponownie zwróciłem swoją uwagę na wzrastające znaczenie wodoru w procesach redukcji spowodowane coraz większych udziałów stosowanego pyłu węglowego (do 200 kgpci/ t surówki). Zdałem sobie sprawę, że mechanizmy, które powodują obniżenie redukcji bezpośredniej wustytu są mało poznane od strony teoretycznej i eksperymentalnej. Problemem technicznym w eksperymentach zawsze była obecność węgla stałego. Eksperymenty były przeprowadzane bez jego obecności gdyż jest on elementem trudnym do ujęcia w bilansie materiałowym. (Na podstawie ważenia próbek tlenków żelaza określa się ich stopień redukcji. Natomiast, gdy są one zanieczyszczone węglem, określenie stopnia zredukowania na podstawie ważenia jest niemożliwe). Dlatego w eksperymentach stosowane były wyłącznie 10

11 mieszanki tlenku węgla i wodoru, a wyniki nie mogą być przekładane na wielki piec, gdyż jego przestrzeń jest węglem wypełniona aż nadto. Przeprowadziłem bardzo dokładne obliczenia termochemiczne za pomocą specjalistycznego oprogramowania wraz z bazami danych FactSage. Ustalono przede wszystkim mechanizmy redukcji bezpośredniej wustytu i rolę wodoru w tych mechanizmach[i.b.10]. W szczególności ustalono że: wodór poszerza temperaturową strefę redukcji wustytu do żelaza poprzez obniżenie temperatury, przy której możliwa jest jego redukcja; oznacza to, że więcej wustytu może zredukować się na drodze redukcji pośredniej i dlatego zmniejszona będzie redukcja bezpośrednia; obniża się również temperatura początku redukcji magnetytu do wustytu; oznacza to, że strefy redukcji poszczególnych tlenków przesuwają się ku górze wielkiego pieca; przy zwiększeniu zawartości wodoru w gazie garowym, będzie ulegała zmniejszeniu minimalna ilość węgla, która należy spalić, aby uzyskać CO dla przeprowadzeniu redukcji pośredniej. Ponieważ jednak wpływ na tę wartość mają również inne składniki gazu garowego, korekta w konstrukcji modelu minimalizacji zużycia paliwa musi być obliczana dla konkretnego składu gazu powstającego w garze wielkiego pieca; obliczenia także wykazały że wodór nie bierze udziału w redukcji wustytu bezpośrednio, czyli nie zastępuje on całkowicie węgla, natomiast poprawia warunki redukcyjne dla tlenku węgla oraz przy udziale reakcji gazu wodnego zwiększa udział redukcji pośredniej. W ten sposób ustalono dokładny wpływ fazy gazowej składającej się z wodoru i tlenku węgla na redukcje wustytu przy obecności węgla stałego. Rys.1. prezentuje nowe ujęcie tego opracowanego przeze mnie zagadnienia w zakresie badań podstawowych. Położenie punktu początku redukcji wustytu jest obliczane dla ściśle konkretnego składu gazu redukcyjnego, który koresponduje z aktualnym składem gazu garowego w wielkim piecu. 11

12 Rys.1. Równowaga fazy gazowe oraz obszar stabilności wustytu w warunkach wielkiego pieca (1atm). W publikacjach [I.B.11, I.B.12] przedstawiłem podstawy konstrukcji modelu minimalizacji zużycia paliwa w wielkim piecu oraz określenie wpływu zmiennej fazy gazowej, a zwłaszcza wodoru, na zmianę struktury modelu. Wpływ wodoru jest następujący. Przy zwiększeniu zawartości wodoru w gazie garowym, będzie ulegała zmniejszeniu minimalna ilość węgla, która należy spalić, aby uzyskać CO dla przeprowadzenia redukcji pośredniej. O tę ilość węgla należy korygować konstrukcję modelu minimalizacji zużycia paliwa. Tak np. ilość wodoru w gazie garowym odpowiadająca użyciu około 70 kgpci/tonę czystego żelaza w redukcji pośredniej obniża zapotrzebowanie w węgiel z 537 do ok.529 kg. Ponieważ jednak wpływ na tę wartość mają również inne składniki gazu garowego, korekta w konstrukcji modelu minimalizacji zużycia paliwa musi być obliczana zgodnie z Rys.1. dla konkretnego składu gazu powstającego w garze wielkiego pieca. Opisane powyżej wyniki zostały wykorzystane w praktyce przemysłowej. 12

13 5. Omówienie pozostałych osiągnięć naukowo-badawczych (artystycznych) 5.1. Przed uzyskaniem stopnia doktora Studia magisterskie ukończyłem w Akademii Górniczo-Hutniczej na Wydziale Metalurgii i Inżynierii Materiałowej W 1995 roku. Po ukończeniu studiów zostałem słuchaczem studiów doktoranckich na tym samym wydziale. Przede wszystkim w dalszym ciągu prowadziłem zaczęte podczas praktyki dyplomowej, obserwacje pracy wielkich pieców w Hucie im. Tadeusza Sendzimira w Krakowie. Interesowała mnie technologia wsadowa wielkich pieców oraz nowe urządzenia zamontowane wówczas na wielkim piecu nr 5: bezstożkowe urządzenie zasypowe oraz pozioma sonda podwsadowa. Pozwalały one na prowadzenie badań nad rozkładem wsadu w gardzieli pieca oraz kontrolę rozkładu temperatur na poziomie sondy podwsadowej. Pracę doktorską pt. Wpływ ruchu wsadu i przepływu gazów na procesy wymiany ciepła i masy w szybie wielkiego pieca obroniłem z wyróżnieniem w 2000r. Oprócz tego podczas studiów doktoranckich uczestniczyłem w projektach badawczych dot. produkcji domieszkowanych tytanem i krzemem bloków i elektrod węglowych o podwyższonych własnościach fizycznych oraz produkcji surówki o niskiej zawartości siarki Po uzyskaniu stopnia doktora Po otrzymaniu stopnia doktora nauk technicznych zostałem zatrudniony w Zakładzie Metalurgii Stopów Żelaza AGH na stanowisku asystenta. Badania prowadzone przeze mnie wiązały się z rozwinięciem tematyki mojej pracy doktorskiej - zależności pracy szybu wielkiego pieca od zmiennych parametrów regulacyjnych pieca "od góry" i "od dołu". W pracy doktorskiej badałem pracę wielkiego pieca nr5 HTS w Krakowie o pojemności użytecznej 2000m 3. Natomiast w latach rozszerzyłem badania na wielki piec nr 3 w Hucie Katowice, Dąbrowa Górnicza. o pojemności użytecznej 3200m 3. Prace te ujęto w badaniach statutowych Modelowanie produkcji żelaza surowego"[ii.f.9]. Finansowanie: KBN, Badania statutowe nr , r. Byłem odpowiedzialny za opracowanie parametrów pracy szybu dla WP nr3 w Hucie Katowice. Piece te różnią się znacznie od pieców w HTS, dlatego w badania koncentrowały się na uwzględnieniu następujących czynników: Inna geometria pieca (większe wymiary i objętość użyteczną). Wielki piec nr 3 Huty Katowice S.A. jest wyposażony poziomą sondę podwsadową (Dango Dienenthal) przeznaczoną do pomiaru temperatury i ciśnienia gazu oraz do pobierania próbek gazu do analizy chemicznej wzdłuż promienia górnej części szybu. Sondę zainstalowano w odległości 5,8 m od poziomu zera technologicznego. Umożliwia ona przeprowadzenie pomiarów w dziesięciu punktach wzdłuż promienia szybu 13

14 w odstępach, licząc od osi pieca, co 0,52 m. (Na WP nr 5 HTS przeprowadza się pomiary w 8 punktach. Na tych pomiarach bazuję model identyfikujący strefę kohezyjną w wielkim piecu). Więc należało podzielić piec na 10 cylindrów bilansowych. Na WP3 HK prowadzi się czterowarstwową technologię zasypu wsadu. Tj. każdy kolejny nabój z czterech ma inną sekwencję ustawień kątowych rynny zasypowej. Taka technologia umożliwia lepszą kontrolę przepływu gazów i ich wykorzystania cieplno-chemicznego w piecu o przekroju szybu, znacznie większym od WP5 HTS (gdzie stosuje się jednowarstwowy system zasypu). Tak więc, należało uwzględnić różnorodność grubości warstw koksu przy obliczaniu powierzchni okien koksowych. Możliwość innego podejścia do rozwiązania problemu, które mógłby zapewnić profilometr radarowy, zainstalowany na WP3 HK. Oprócz wymienionych należało także uwzględnić: większą ilość materiałów żelazodajnych i gatunków koksu, stosowanych w jednym naboju; stosowanie gazu koksowniczego jako paliwa zastępczego oraz wzbogaconego tlenem dmuchu. Wynikiem pracy badawczej było opracowanie modelu rozkładu i schodzenia materiałów wsadowych w strefie nadkohezyjnej dla wielkiego pieca nr 3 Huty Katowice. Model ten korzystał z obliczeń identyfikujących strefę kohezyjną, promieniowego rozkładu prędkości schodzenia wsadu oraz modelu aerodynamiki przepływu gazów przez wielki piec. Nowością było wykorzystanie do wizualizacji i obliczeń pomiarów przeprowadzonych za pomocą profilometru, a przede wszystkim utworzenie modelu dotyczącego rozkładu wsadu, przepływu gazów i identyfikacji strefy kohezyjnej jako spójnego, pozwalającego na całościową regulację procesu wielkopiecowego w tym zakresie [II.L.14]. W byłem jednym z głównych wykonawców projektu " Wdrożenie komputerowego systemu optymalizowania parametrów procesu technologicznego wytwarzania surówki w wielkim piecu w warunkach HTS S. A".[II.B.3] Opracowałem model rozkładu strumieni gazu w strefie kawałkowej wielkiego pieca i algorytm jego obliczania oraz model nadrzędny, zadaniem którego było wydawanie zaleceń regulacyjnych. Oprócz tego brałem udział w projektowaniu i oprogramowaniu bazy danych, systemu archiwizacji i monitoringu; w pracach weryfikacyjnych i wdrożeniowych. Wówczas, po raz pierwszy zwróciłem uwagę na niejednoznaczna rolę wodoru pochodzącego z rozkładu wilgoci dmuchu. W latach brałem udział w pracy nad projektem pt. Opracowanie i wdrożenie technologii przetwarzania odpadowych pyłów i szlamów metalurgicznych na komponenty wsadowe do procesów hutniczych i produkcji cementu [II.B.2]. Finansowanie: MNiI, Projekt celowy nr 6 T C/06393, , r. Zajmowałem się opracowaniem procedur postępowania z odpadami hutniczymi składowanymi w tzw. lagunie Nowej Huty miasta Krakowa. W projekcie był opracowany sposób utylizacji poprzez dodatek ich 14

15 na taśmę spiekalniczą do produkcji aglomeratu z rud żelaza. Do określenia ścisłych procedur opracowałem specjalistyczny program "Spiekalnia". Program oblicza m.in. namiary zawierające składniki odpadowe w takich ilościach, żeby produkt końcowy (spiek rudny) zawierał dopuszczalne ilości cynku i alkaliów, a także spełniał inne wymagania wsadu wielkopiecowego. Program został specjalnie napisany na warunki technologiczne spiekalni Huty im T. Sendzimira. W latach uczestniczyłem w projekcie badawczym pt. Charakterystyka przemian związków tytanu w warunkach termodynamicznych przestrzeni roboczej wielkiego pieca. Finansowanie: MNiSW, Projekt badawczy nr 3 T08B [II.F.6] Zajmowałem się m.in. opracowaniem modelu powstawania ochronnego garnisażu składającego się z węglików i azotków tytanu na węglowografitowym wyłożeniu ogniotrwałym garu wielkiego pieca. Program uwzględnia wprowadzanie parametrów geometrycznych garu oraz temperaturę surówki i ilość naboi na dobę. Wyniki są obliczane na podstawie danych otrzymanych z programu namiar oraz opracowanych w projekcie zależności empirycznych przejścia tytanu do surówki i do fazy węgliko-azotkowej. Procedura może być stosowana na dowolnym wielkim piecu, po uprzedniej modyfikacji programu do konkretnej technologii wsadowej. Inne wyniki naukowe osiągnięte w tym projekcie badawczym są przedstawione w publikacjach [II.A.4-5, II.E.16,17,20-22]. W latach , po uruchomieniu instalacji do wdmuchiwania pyłu węglowego w Krakowskim oddziale ArcelorMittal Steel, byłem głównym wykonawca pracy wdrożeniowej "Dostosowanie i wdrożenie komputerowego systemu optymalizowania parametrów procesu technologicznego wytwarzania surówki w wielkim piecu w warunkach stosowania pyłu węglowego jako paliwa zastępczego "[II.B.1, III.M.3]. Oprócz opisanego w punkcie 4c), zaprojektowałem i zaprogramowałem pracę systemu w trybie symulacyjnym. Mianowicie, można obserwować pracę pieca korzystając z danych zarchiwizowanych. Służyło to dużą pomocą przy weryfikacji systemu, i jest przydatne nadal dla odtworzenia pracy pieca w wypadku awarii. Brałem także czynny udział w weryfikacji i wdrożeniu systemu oraz modyfikacji instrukcji opisowych. W latach pod moim kierownictwem był realizowany projekt badawczy N N pt. "Minimalizacja zużycia paliwa w wielkim piecu poprzez sterowanie ilością dodatków do dmuchu oraz jego parametrami", finansowany przez MNiSW. W ramach tego projektu przeanalizowano możliwość stosowania dodatków do dmuchu różnych rodzajów paliw zastępczych, w tym tworzyw sztucznych. Przygotowano również system wspomagania technologii wielkopiecowej do uwzględnienia takich paliw. Dotyczy to wszystkich segmentów systemu, który przystosowany do ewentualnych zmian koniunktury rynku i konieczności zastosowania innych rodzajów paliw. System wspomagania technologii wielkopiecowej musi być przystosowany do konkretnego wielkiego pieca. Właśnie w tym projekcie system wspomagania technologii był przystosowany do użycia na wielkim piecu nr2 koncernu ArcelorMittal oddział Dąbrowa Górnicza. Wielkie piece w Dąbrowie Górniczej różnią się od pieca, na który opisywany system był przeznaczony, m.in. wymiarami geometrycznymi (objętość użyteczna pieca wynosi 3200m3), technologią wsadową (ilością i rodzajem tworzyw), gazowym paliwem zastępczym, innymi warunkami technologicznymi dmuchu. Najpierw system 15

16 wspomagania technologii był zweryfikowany na danych rzeczywistych podczas stosowania jako paliwa zastępczego gazu koksowniczego. Oprócz tego były przeprowadzone symulacje pracy systemu przy stosowaniu jako paliwa zastępczego gazu ziemnego (który nie jest stosowany w krajowym wielkopiecownictwie ze względów ekonomicznych od ponad 10 lat lecz wciąż jest stosowany w Rosji i Chinach) oraz paliw płynnych takich jak mazut i oleje pochodzenia roślinnego. W każdym z opisywanych przypadków weryfikacja pracy systemu była pozytywna, co świadczy o uniwersalności założeń budowy głównego algorytmu systemu i możliwości implementacji na dowolnym agregacie wielkopiecowym przy uwzględnieniu jego konkretnych warunków wsadowych i technologicznych. W ostatnich latach uczestniczyłem w pracach związanych z produkcją cynku i ołowiu w piecu szybowym (Huta Cynku w Miasteczku Śląskim), którego zasada pracy jest bardzo podobna do wielkiego pieca produkującego żelazo. Oprócz podobieństwa pieców szybowych, podobna jest również technologia przygotowania wsadu przez spiekanie[iii.b.3]. Badania polegały m.in. na badaniu redukcyjności cynku i ołowiu na taśmie spiekalniczej [II.E.5]. Następne na badaniu przewiewności surowej mieszanki spiekalniczej oraz na opracowaniu programu obliczającego namiar spiekalni pracującej konkretnie w Hucie Cynku. W przyszłości, w sferze mojego zainteresowania leży możliwość dostosowania i wdrożenia systemu wspomagania właśnie dla pieca szybowego do produkcji cynku i ołowiu. Wstępne badania polegające na analizie zjawisk fizykochemicznych w tym piecu są aktualnie prowadzone przez zespół badawczy, do którego należę. 16