MECHANIZMY NISZCZENIA I METODYKA POBIERANIA PRÓBEK WYŁOŻENIA OGNIOTRWAŁEGO WIELKIEGO PIECA

Transkrypt

1 25 Marian NIESLER Instytut Metalurgii Żelaza Bolesław MACHULEC Politechnika Śląska w Katowicach Andrzej UCHTO ArcelorMittal Poland S.A Oddział w Krakowie Włodzimierz BEDNARSKI ArcelorMittal Poland S.A Oddział w Dąbrowie Górniczej MECHANIZMY NISZCZENIA I METODYKA POBIERANIA PRÓBEK WYŁOŻENIA OGNIOTRWAŁEGO WIELKIEGO PIECA Koszty remontów wielkich pieców wynoszą od kilkudziesięciu do kilkuset milionów złotych. Istotne jest więc uzyskanie informacji, których wykorzystanie pozwoliłoby na zwiększenie trwałości trzonu i garu, a tym samym na przedłużenie kampanii pracy wielkich pieców do 15 lub więcej lat. Drogą do tego celu jest analiza przyczyn niszczenia wyłożenia ogniotrwałego trzonu i garu. Informacje takie można uzyskać m.in. poprzez wykonanie odwiertów i pobranie próbek ogniotrwałego wyłożenia węglowego trzonu wielkiego pieca, a następnie ich analizę. W artykule przedstawiono metodykę pobierania próbek wyłożenia ogniotrwałego. Próbki pobierano z trzech wielkich pieców o rożnej pojemności, zarówno podczas ich pracy, jak i podczas ich remontów. Słowa kluczowe: wielki piec, gar wielkiego pieca, trzon wielkiego pieca, materiały ogniotrwałe MECHANISMS OF DESTRUCTION AND METHODOLOGY FOR SAMPLING OF BLAST FURNACE REFRACTORY LINING The repair costs of blast furnaces range from a few dozen to a few hundred million zlotys. So, it is vital to obtain information the use of which would allow increasing life of the bottom and hearth of blast furnace, thus extending the campaign of blast furnaces up to 15 years or more. The means of achieving this aim include the analysis of the reasons for destruction of refractory lining of both the bottom and the hearth. This information can be obtained among other things by making drills and taking samples from refractory lining of the carbon hearth of blast furnace, followed by their analysis. This article presents the methodology for sampling of blast furnace refractory lining. Samples were taken from three blast furnaces with various capacities, both during their operation and repairs. Key words: blast furnace, hearth of blast furnace, blast furnace bottom, refractories 1. WSTĘP Długość kampanii pracy wielkich pieców w dużej mierze uzależniona jest od trwałości wyłożenia ogniotrwałego trzonu i garu. Na świecie i w kraju prowadzi się dyskusje i badania nad przyczynami niszczenia tej części pieca. Wskazuje się kierunek zwiększania żywotności wyłożenia garów i trzonów wielkich pieców poprzez polepszenie jakości materiałów ogniotrwałych i chłodzenia tych rejonów pieca. Poszukiwania zmierzające do obniżenia kosztów produkcji surówki żelaza prowadzą do systematycznego zwiększania objętości jednostek wielkopiecowych oraz do intensyfikacji procesu wielkopiecowego. Współczesne wielkie piece powinny być projektowanie z założeniem osiągnięcia 15-letnich kampanii, co w przypadku pieców o dużej objętości daje łączną produkcję około 50 milionów ton surówki żelaza. Wskaźnikiem oceniającym produktywność i trwałość wielkiego pieca jest wielkość produkcji surówki z 1 m 3 jego objętości, w okresie między kolejnymi remontami kapitalnymi. Wskaźnik ten osiąga wielkość 8000 t/m 3 dla wielkich pieców najlepiej i najdłużej pracujących. Jednym z czynników decydujących o okresie pracy wielkiego pieca jest trwałość wymurowania ogniotrwałego jego trzonu i garu. Jeżeli ubytki w materiałach ogniotrwałych powyżej osi dysz można naprawiać i uzupełniać podczas remontów średnich, to naprawę garów i trzonów prowadzi się tylko po całkowitym opróżnieniu przestrzeni roboczej wielkiego pieca z tworzyw żelazonośnych, koksu, żużla i resztek surówki żelaza. Koszty remontów wielkich pieców w zależności od zakresu wynoszą od kilkudziesięciu do kilkuset milionów

2 26 Marian Niesler, Bolesław Machulec, Andrzej Uchto, Włodzimierz Bednarski Prace IMŻ 1 (2011) złotych. Istotne jest więc uzyskanie informacji, których wykorzystanie pozwoliłoby na zwiększenie trwałości trzonu i garu, a tym samym na przedłużenie kampanii pracy wielkich pieców do 15 lub więcej lat. Drogą do tego celu jest analiza przyczyn niszczenia wyłożenia ogniotrwałego trzonu i garu w agresywnej przestrzeni roboczej wielkich pieców w czasie ich kampanii, wynoszących obecnie średnio 8 10 lat. Poznanie mechanizmów erozji chemicznej i mechanicznej wyrobów ceramicznych z węgla i grafitu pozwoli na przeciwdziałanie temu zjawisku przez zmianę koncepcji konstrukcji, zastosowania i ułożenia materiałów ogniotrwałych nowych generacji oraz ewentualne dostosowanie warunków technologicznych prowadzenia procesu. Informacje takie można uzyskać m.in. poprzez wykonanie odwiertów i pobranie próbek ogniotrwałego wyłożenia węglowego trzonu wielkiego pieca, a następnie ich analizę. W artykule przedstawiono metodykę pobierania prób z wyłożenia ogniotrwałego garu i trzonu wielkich pieców o różnej pojemności. Gar wielkiego pieca jest cylindrycznym zbiornikiem dla ciekłych produktów procesu wielkopiecowego (surówka żelaza + żużel) i generatorem gorącego gazu redukcyjnego. W dolnej części garu zachodzą procesy chemiczne, tj. ostatnie fazy redukcji krzemionki, tlenku manganu, związków fosforu, odsiarczanie surówki żelaza, nawęglanie metalu węglem z koksu. Natomiast w jego górnej części, przed dyszami, w strumieniu gorącego dmuchu spala się koks, a powstające redukcyjne gazy o wysokiej temperaturze niosą energię cieplną i chemiczną w górę pieca. Wymiary geometryczne garu powinny być uzależnione od ilości wytapianej surówki żelaza i żużla w okresach między poszczególnymi spustami, uwzględniające jednocześnie warunki procesu odsiarczania surówki. Proces odsiarczania surówki żelaza zależy od grubości warstwy żużla nad jej powierzchnią. Współcześnie jest to szczególnie ważne przy powszechnym stosowaniu bogatego wsadu żelazodajnego, co doprowadziło do zmniejszenia ilości żużla na jedną tonę wyprodukowanej surówki żelaza. Otwory surówkowe i żużlowe powinny być ustawione względem siebie pod kątem, aby uniknąć nadmiernej erozji obmurza garu, co może wystąpić przy niewielkim oddaleniu otworów od siebie. Ich liczba zależy od dobowej wielkości produkcji, bogactwa wsadu oraz od ilości powstającego żużla w stosunku do jednej tony surówki żelaza. Podwyższenie bogactwa wsadu i duże obniżenie zużycia koksu (podwyższenie parametrów dmuchu stosowanie wysokiej temperatury, tlenu, paliw zastępczych) współcześnie pracujących wielkich pieców spowodowało obniżenie ilości żużla nawet poniżej 250 kg/t surówki. Piece pracujące na ubogim wsadzie żelazonośnym, częściowo tylko przygotowanym, posiadały je den otwór spustowy i zazwyczaj dwa otwory żużlowe. W miarę wzrostu udziału wzbogaconego i lepiej przygotowanego wsadu rosła ilość otworów spustowych do dwóch lub czterech przy zachowanym jednym lub dwóch otworach żużlowych. Przy wysokim bogactwie wsadu coraz częściej cała ilość żużla jest spuszczana z wielkiego pieca w czasie spustu surówki żelaza, dlatego w nowych rozwiązaniach konstrukcyjnych wielkich pieców nie ma otworów żużlowych. Analizując skutki procesu niszczenia obmurza ogniotrwałego trzonów i garów wielkich pieców, można wyodrębnić dwa najczęściej spotykane schematy ich zużycia, rys MECHANIZMY NISZCZENIA GARÓW I TRZONÓW WIELKICH PIECÓW Rys. 1. Różne przykłady zużywania się garu wielkich pieców; A kształt stopy słonia, B kształt miski Fig. 1. Different examples of hearth of blast furnace Obmurze ogniotrwałe garu i trzonu wielkiego pieca w czasie całej kampanii, wynoszącej kilkanaście lat, narażone jest na wiele czynników niszczących takich jak: 1. Obciążenia cieplne temperatura w komorze spalania sięga powyżej 2000 C. Ciekła surówka wypełniająca dolną część garu ma temperaturę około 1450 C; natomiast temperatura ciekłego żużla jest zwykle o 100 C wyższa i wynosi około 1550 C. 2. Wahania temperatury okresowe wahania temperatury wynikają przede wszystkim z cyklicznego opróżniania garu z ciekłych produktów procesu. 3. Naprężenia termiczne wynikają z samej konstrukcji ścian pieca. Powszechnie uznaną zasadą jest obniżanie temperatury obmurza celem zwiększenia jego odporności na niszczenie. Ten pogląd jest podstawą konstruowania coraz efektywniejszych systemów chłodzenia obmurza, niestety kosztem większego zużycia energii. Obmurze jest więc silnie nagrzewane od wewnątrz pieca i równie energicznie chłodzone przez chłodnice, lub chłodzony pancerz. Powstające duże różnice temperatur powodują znaczne naprężenia cieplne, które powodują powstanie warstwy kruchej w ścianach garu. 4. Erozyjne działanie ciekłych produktów procesu znaczna część garu wypełniona jest tuż przed spustem ciekłą surówką żelaza i żużlem. W czasie spustu strumienie wypływającej surówki i żużla powodują znaczny ruch omywający ściany garu, zwłaszcza w rejonach otworów spustowych. Powoduje to niszczenie ścian garu poniżej otworów spustowych nazywane stopą słonia. 5. Chemiczne działanie ciekłego żużla w strefie utleniającej dysz żużel zmienia swój skład chemiczny. Rośnie zawartość FeO w żużlu, w wyniku czego stopień agresywności żużla wobec tlenkowych wyrobów ogniotrwałych gwałtownie ro śnie. W trakcie spływania żużla FeO redukowane jest do żelaza,

3 Mechanizmy niszczenia i metodyka pobierania próbek przez węgiel z koksu i gaz redukcyjny wypełniający gar. 6. Chemiczne działanie ciekłego metalu ciekła surówka żelaza jest nienasyconym roztworem węgla w żelazie. W warunkach panujących w garze wielkiego pieca roztwór równowagi fazowej odpowiada zawartości około 6% C w żelazie. Z tych względów zarówno metal o zawartości 3,5 4,2% C zbierający się w garze, jak i metal o jeszcze mniejszej zawartości węgla spływające przez komory spalania powodują rozpuszczanie węgla z ko ksu, ale i wyrobów węglowych, którymi jest wyłożony gar i trzon pieca. 7. Chemiczne działanie alkalii alkalia należą do czynników działających wysoce destrukcyjnie na materiały ogniotrwałe obmurza. Wprowadzone ze wsadem kumulują się przede wszystkim w górnej części pieca w formie związków tlenkowych, które z materiałami glinokrzemianowymi tworzą łatwo topliwe eutektyki. W dolnych strefach pieca niewielka część całej ilości wprowadzonych do pieca alkalii występuje w formie cyjanków lub krzemianów. Redukowane do par metalu wnikają w sieć krystaliczną węgla, składnika ogniotrwałych wyrobów węglowych. Powodują po wstanie naprężeń międzykrystalicznych, które kumulując się wywołują powstanie dużych naprężeń makroskopowych, a następnie pęknięć bloków i kształtek obmurza, zwłaszcza w części znajdującej się powyżej strefy ciekłej surówki w garze wielkiego pieca. 8. Niszczące działanie cynku i ołowiu coraz częściej do wielkiego pieca wprowadzane są cynk i ołów w wyniku recyklingu odpadów źelazonośnych (szlamy, pyły). Znaczna część Zn (ok. 80%) usuwana jest z gazem i pyłem wielkopiecowym. Pozostała część w postaci gazowej (temp. parowania Zn 910 C) może osadzać się w porach i szczelinach obmurza, szczególnie powyżej powierzchni ciekłych produktów procesu. Cynk metaliczny znajdowano w wymurówce w pęknięciach i porach od strony wnętrza pieca. Kształt płytek cynku wskazywał na to, że był on pierwotnie w stanie płynnym. Niszczenie wymurówki nie następuje w wyniku różnicy rozszerzalności cieplnej cynku i wykładziny, ponieważ przechodzący ze stanu ciekłego w stan stały cynk zmniejsza swoją objętość o 4%, a w wyższych temperaturach paruje. Niszczące oddziaływanie cynku może nastąpić w wyniku jego utleniania. Proces ten przebiega z 20% zwiększeniem objętości, co może prowadzić do lokalnych pęknięć. Cynk oddziałuje katalitycznie na przebieg reakcji Bella. Ołów wprowadzany jest do procesu najczęściej w postaci siarczków, które redukują się pod wpływem żelaza do ołowiu metalicznego w temperaturach C. Część zredukowanego ołowiu, pierwiastka cięższego od żelaza, gromadzi się w dolnej strefie garu, wnikając w pory i szczeliny trzonu. Pozostała część paruje i unosi się ku górze z gazem, utlenia się do PbO i osadza na schodzącym wsadzie wchodząc podobnie jak cynk ponownie w obieg. 9. Utleniające działanie dmuchu i pary wodnej utleniające działanie dmuchu i pary wodnej występuje przede wszystkim w strefie dysz. Dmuch wielkopiecowy zawiera co najmniej 21% O 2. W wielu piecach, zwłaszcza przy stosowaniu paliw zastępczych prowadzi się proces z podwyższoną, niekiedy do 30%, zawartością tlenu. Z tych względów zrezygnowano z użycia w strefie dysz materiałów węglowych zastępując je materiałami tlenkowymi. Podobnie jak tlen dmuchu, silnie utleniające działanie ma para wodna powstała w wyniku nieszczelnych elementów systemu chłodzenia, a przede wszystkim przepalonych dysz. Stosowana do niedawna technologia zatykania otworów spustowych wilgotną masą zawierającą około 16 18% wody oraz sposób Rys. 2. Czynniki niszczące gar i trzon wielkiego pieca Fig. 2. Conditions destructive to hearth and bottom of blast furnace

4 28 Marian Niesler, Bolesław Machulec, Andrzej Uchto, Włodzimierz Bednarski Prace IMŻ 1 (2011) przewiercania otworu spustowego za pomocą wiertarki udarowej i lancy tlenowej wprowadzają w rejon wyłożony blokami węglowymi dodatkowo parę wodną i tlen. Woda przenika w głąb obmurza, paruje, a powstała para wodna działa utleniająco na ogniotrwałe wyroby węglowe. 10. Wysokie ciśnienie gazu i zwiększone ciśnienie ferrostatyczne współczesny proces wielkopiecowy prowadzi się z tzw. podwyższonym ciśnieniem gazu. Przy założonym ciśnieniu gazu w gardzieli do 2,5 at, ciśnienie w garze pieca może dochodzić do około 4,0 at. Podwyższone ciśnienie gazu zwiększa jego penetrację w głąb wymurowania z wszystkimi szkodliwymi konsekwencjami. Wysoce szkodliwe jest zjawisko nieszczelności obmurza i ewentualnie pancerza pieca. Obecnie buduje się wielkie piece z dużą głębokością kotliny garowej, należy tutaj zwrócić uwagę na zwiększone oddziaływanie ciśnienia ferrostatycznego słupa ciekłej surówki żelaza, szczególnie na wyłożenie ogniotrwałe trzonu i ścian garu poniżej otworu spustowego. 11. Niszczące oddziaływanie reakcji rozkładu Bella, tj. 2CO = CO 2 + C sadza W zakresie temperatur C w obecności świeżo zredukowanego żelaza jako katalizatora, może zajść reakcja Bella z wydzieleniem węgla w postaci sadzy. Reakcja ta zachodzi szybciej w obecności cynku i jego tlenku oraz wodoru. Wydzielenie węgla w porach i szczelinach materiałów ogniotrwałych wiąże się ze zwiększeniem jego objętości, co może powodować pękanie kształtek. Graficznie oddziaływanie czynników niszczących na poszczególne strefy obmurza garu i trzonu wielkiego pieca przedstawiono na rys. 2. Pobrane w trakcie wiercenia otworów próbki wyłożenia ogniotrwałego trzonu wielkiego pieca poddane zostaną analizie chemicznej, celem określenia zawartości związków alkalicznych, cynku, ołowiu i żelaza, które destrukcyjnie oddziałują na wyłożenie węglowe. Założono również pobieranie próbek wyłożenia ogniotrwałego z garów wielkich pieców, które zostały zatrzymane do remontu. Pobrane próbki będą również analizowane na zawartość szkodliwych dla wyłożenia ogniotrwałego związków. Wyniki analiz chemicznych pobranych próbek wyłożenia ogniotrwałego dla określenia stopnia nasączenia materiałów ogniotrwałych szkodliwymi pierwiastkami i związkami chemicznymi, będą przedstawione w kolejnym etapie prac. Poniżej przedstawiono metodykę pobierania próbek z trzech wielkich pieców o pojemnościach określonych jako A, B, C POBIERANIE PRÓBEK WYŁOŻENIA OGNIOTRWAŁEGO PRACUJĄCEGO WIELKIEGO PIECA Dla oceny stanu wyłożenia ogniotrwałego dolnej części wielkiego pieca o pojemności A, podczas planowanego postoju, wykonane zostały od zewnętrznej strony pieca kontrolne odwierty. Zrobiono je w trzonie węglowym, poniżej otworów spustowych, w przewidywanym miejscu występowania skrzepu surówki tzw. wilka, któ- 3. POBIERANIE PRÓBEK WYŁOŻENIA OGNIOTRWAŁEGO Wstępna koncepcja zakładała wiercenie na odpowiednią odległość otworów w wyłożeniu węglowym trzonu pracującego wielkiego pieca z jednoczesnym okresowym pomiarem temperatury, aby nie dopuścić do niekontrolowanego wypływu surówki. W nawierconych otworach umieszczone zostaną termoelementy rejestrujące temperaturę w czasie normalnego biegu pieca. Rys. 3. Miejsca wiercenia i pobierania próbek w trzonie wielkiego pieca A Fig. 3. Points of drilling and sampling in bottom of blast furnace A Rys. 4. Schemat miejsc wiercenia i pobierania próbek w trzonie wielkiego pieca A Fig. 4. Diagram of points of drilling and sampling in bottom of blast furnace A

5 Mechanizmy niszczenia i metodyka pobierania próbek Rys. 5. Przykłady próbek pobranych z garu wielkiego pieca Fig. 5. Examples of samples taken from hearth of blast furnace ry może osłabiać strukturę bloków węglowych. Otwory wywiercono na trzech poziomach; Poziom 1 (siedem odwiertów), Poziom 2 (siedem odwiertów) i Poziom 3 (cztery odwierty), rys. 3. Wiercenia prowadzono symetrycznie po odwodzie wielkiego pieca tj. w osi dyszy nr 1 (2 odwierty), dyszy nr 3 (2 odwierty), dyszy nr 6 (3 odwierty), dyszy nr 9 (3 odwierty), dyszy nr 12 (3 odwierty), dyszy nr 16 (3 odwierty) i dyszy nr 19 (2 odwierty), rys. 4. Wykonanych zostało 18 odwiertów, w które zabudowane zostały termopary. Ze względu na bezpieczeństwo pracy wielkiego pieca wiercenia prowadzone były maksymalnie do 600 mm w głąb bloków węglowych. Próbki wyłożenia ogniotrwałego do analiz chemicznych pobierane były po nawierceniu 300 mm i 600 mm bloku węglowego. Przykłady pobranych próbek pokazano na rys. 5. W sumie pobrano 36 próbek. Analiza jakości wiercenia, obserwacja posuwu wiertła oraz analiza wzrokowa uzyskanych próbek wykazały, że stan bloków węglowych umożliwia dalszą bezpieczną pracę wielkiego pieca. Praktycznie we wszystkich przypadkach poza jednym na Poziomie 1 uzyskano zakładaną głębokość wiercenia. Po przewierceniu 500 mm bloku stwierdzono duży opór podłoża, wiertła tępiły się i w związku z tym odstąpiono od dalszego wiercenia POBIERANIE PRÓBEK WYŁOŻENIA OGNIOTRWAŁEGO REMONTOWANEGO WIELKIEGO PIECA W ramach pracy pobrano również próbki wyłożenia ogniotrwałego z garu wielkich pieców o pojemności B i C, które zostały zatrzymane do remontu, rys. 6 i 7. Po opróżnieniu wielkiego pieca z surówki i żużla, a przed procesem remontu i uzupełniania garu materiałami węglowymi, pobrano szereg próbek z bloków węglowych z okolic otworów spustowych, rys W sumie pobrano 15 próbek z wielkiego pieca o pojemności B, z czego pobrano 5 próbek z okolic otworu spustowego nr 1, 3 próbki z okolic otworu spustowego nr 2, 5 próbek z okolic otworu spustowego nr 3 i 2 próbki z okolic otworu spustowego nr 4. Z wielkiego pieca o pojemności C pobrano 22 próbki, z czego po 3 próbki nad otworem spustowym nr 1 i 2. Pozostałe próbki pobrano symetrycznie po obwodzie garu. Po rozbiórce pozostałego w garze skrzepu surówkowego ( wilka ) pobrane zostaną kolejne próbki, poniżej otworu spustowego. Rys. 6. Pozostałość koksu w garze po zatrzymaniu wielkiego pieca Fig. 6. Carbon residue in hearth after stoppage of blast furnace Rys. 7. Fragment opróżnionego garu wielkiego pieca Fig. 7. Fragment of emptied hearth of blast furnace

6 30 Marian Niesler, Bolesław Machulec, Andrzej Uchto, Włodzimierz Bednarski Prace IMŻ 1 (2011) Rys. 8. Miejsce pobierania próbek z wielkiego pieca B Fig. 8. Point of sampling from blast furnace B Rys. 9. Schemat miejsc wiercenia i pobierania próbek w trzonie wielkiego pieca B Fig. 9. Diagram of points of drilling and sampling in bottom of blast furnace B 4. PODSUMOWANIE Rys. 10. Miejsce pobierania próbek z wielkiego pieca C Fig. 10. Point of sampling from blast furnace C W sumie z trzech wielkich pieców pobrano ponad 70 prób. Uzyskany materiał badawczy będzie analizowany pod kątem zawartości szkodliwych dla wyłożenia ogniotrwałego związków. W ramach opisywanego etapu pracy wykonane zostały kontrolne odwierty i pobrane zostały próbki wyłożenia ogniotrwałego pracującego wielkiego pieca A. Wykonano je poniżej otworów spustowych, w przewidywanym miejscu występowania skrzepu surówki tzw. wilka, który może osłabiać strukturę bloków węglowych. Ze względu na bezpieczeństwo pracy wielkiego pieca wiercenia prowadzone były maksymalnie do 600 mm w głąb bloków węglowych. Analiza jakości wiercenia, obserwacja posuwu wiertła oraz analiza wzrokowa uzyskanych próbek wykazały, że stan bloków węglowych umożliwia dalszą bezpieczną pracę wielkiego pieca. Pobrano również próbki wyłożenia ogniotrwałego z garu wielkich pieców o pojemności B i C, które zatrzymane zostały do remontu. W sumie z trzech wielkich pieców pobrano ponad 70 prób. Uzyskany materiał badawczy będzie analizowany pod kątem zawartości szkodliwych dla wyłożenia ogniotrwałego związków.

7 Mechanizmy niszczenia i metodyka pobierania próbek Rys. 11. Schemat miejsc wiercenia i pobierania próbek z garu wielkiego pieca C Fig. 11. Diagram of points of drilling and sampling in hearth of blast furnace C Praca realizowana przez Politechnikę Śląską w Katowicach w ramach Projektu Rozwojowego nr N R pt. Obniżenie kosztów produkcji surówki wielkopiecowej poprzez opracowane metodyki bezpiecznej eksploatacji garu i trzonu wielkiego pieca, finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. LITERATURA 1. J. Buzek: Monitorowanie stanu fizycznego i cieplnego wyłożenia ogniotrwałego trzonu i garu wielkiego pieca w czasie jego pracy. Politechnika Śl. Wydział Inżynierii Materiałowej i Me- talurgii. Sprawozdanie z projektu badawczego 3T08B Katowice Recenzent: Prof. dr hab. Józef Paduch