ROLA ZIARNISTOŚCI KOKSU W PROCESIE WIELKOPIECOWYM

Transkrypt

1 Monografi e Marian Niesler ROLA ZIARNISTOŚCI KOKSU W PROCESIE WIELKOPIECOWYM Gliwice 2012

2 RECENZENCI Prof. dr hab. inż. Kazimierz MAMRO Prof. dr hab. inż. Leszek BLACHA KOMITET NAUKOWY SERII MONOGRAFIE Prof. dr hab. inż. Leszek BLACHA Prof. dr hab. inż. Włodzimierz DERDA Prof. dr hab. inż. Henryk DYJA, Dr h.c. Prof. dr hab. Roman KUZIAK Prof. dr hab. inż. Andrzej ŁĘDZKI Prof. dr hab. inż. Kazimierz MAMRO Prof. dr hab. Józef PADUCH ISBN: Wydawca: Instytut Metalurgii Żelaza, ul. K. Miarki 12-14, Gliwice ZESPÓŁ REDAKCYJNY redaktor naczelny prof. dr Tadeusz BOŁD zastępca redaktora naczelnego prof. dr hab. Józef PADUCH redaktorzy tematyczni prof. dr hab. Roman KUZIAK, dr Grażyna STANKIEWICZ, prof. dr hab. Jerzy WIEDERMANN, redaktorzy techniczni mgr inż. Ewa PACZOSKA, dr inż. Joanna FURMANEK Skład i łamanie: AKAPIT Gliwice, tel Druk: D&D Sp. z o.o. Gliwice, tel

3 Autor składa hołd Wielkopiecownikom, którzy ukształtowali jego sylwetkę naukową i swym oddziaływaniem przesądzili o wyborze przez niego życiowej drogi naukowej w wielkopiecownictwie, a wśród nich nieżyjącym już: Prof. Janowi Buzkowi, Dr. inż. Tomaszowi Misiunowi oraz nadal najbliżej współpracującym z autorem od wielu lat: Prof. Kazimierzowi Mamro, Prof. Andrzejowi Łędzkiemu, Prof. Władysławowi Sabeli, Prof. Janowi Mrozowi, Prof. Ryszardowi Budzikowi i Dr. inż. Tadeuszowi Olkowi.

4 Spis treści 1. WPROWADZENIE ROLA KOKSU W PROCESIE WIELKOPIECOWYM OPTYMALNA KAWAŁKOWOŚĆ KOKSU W PROCESIE WIELKOPIECOWYM WYMAGANIA DOTYCZĄCE JAKOŚCI KOKSU WIELKOPIECOWEGO WPŁYW REAKTYWNOŚCI KOKSU NA PRZEBIEG PROCESU WIELKOPIECOWEGO OGÓLNE ASPEKTY STOSOWANIA KOKSU O OBNIŻONEJ ZIARNISTOŚCI JAKO ZAMIENNIKA CZĘŚCI KOKSU PODSTAWOWEGO W ŚWIETLE DOŚWIADCZEŃ ŚWIATOWYCH I KRAJOWYCH SELEKTYWNY ZASYP DO WIELKIEGO PIECA RÓŻNYCH KLAS ZIARNOWYCH KOKSU WIELKOPIECOWEGO SYSTEMY ZAŁADUNKU MIESZANIN DROBNOZIARNISTYCH SORTYMENTÓW KOKSU I TWORZYW ŻELAZONOŚNYCH MOŻLIWOŚĆ STOSOWANIA KOKSIKU WE WSADZIE WIELKOPIECOWYM TEZA, CEL I ZAKRES PRACY DOŚWIADCZALNE OKREŚLENIE WPŁYWU ZIARNISTOŚCI KOKSU NA PRACĘ WIELKICH PIECÓW BADANIA WŁASNE MATERIAŁY DO BADAŃ METODYKA BADAŃ I APARATURA BADAWCZA Badania wpływu uziarnienia koksu na stopień redukcji różnych tworzyw żelazonośnych Badania przewiewności wsadu wielkopiecowego Badania rozpadu spieku Badania właściwości termoplastycznych spieku Analiza fazowa spieku Badania reaktywności koksu

5 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym Program do obliczania bilansu cieplno-materiałowego wielkiego pieca z uwzględnieniem stosowania w procesie drobnoziarnistych sortymentów koksu WYNIKI BADAŃ Wpływ uziarnienia koksu na redukcyjność i przewiewność spieku Wpływ uziarnienia koksu na redukcyjność i przewiewność odsiewu spieku Wpływ uziarnienia koksu na redukcyjność i przewiewność rudy magnetytowej i grudek połtawskich Wpływ zmian udziału wybranych sortymentów koksu we wsadzie na redukcyjność i przewiewność spieku Rozpad spieku po redukcji statycznej Właściwości termoplastyczne spieku Skład fazowy spieku Reaktywność różnych sortymentów koksu i koksiku OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ WPŁYW UZIARNIENIA I SPOSOBU WPROWADZANIA RÓŻNYCH SORTYMENTÓW KOKSU NA REDUKCYJNOŚĆ I PRZEWIEWNOŚĆ WYBRANYCH MATERIAŁÓW ŻELAZONOŚNYCH WPŁYW UZIARNIENIA I SPOSOBU WPROWADZANIA RÓŻNYCH SORTYMENTÓW KOKSU NA REDUKCYJNOŚĆ, PRZEWIEWNOŚĆ I WŁAŚCIWOŚCI TERMOPLASTYCZNE SPIEKU WPŁYW WIELKOŚCI ZIARNA RÓŻNYCH SORTYMENTÓW KOKSU NA ICH REAKTYWNOŚĆ WYNIKI OBLICZEŃ BILANSU CIEPLNO-MATERIAŁOWEGO WIELKIEGO PIECA PRZY WYKORZYSTANIU PROGRAMU BILANS Z UWZGLĘDNIENIEM STOSOWANIA W PROCESIE DROBNOZIARNISTYCH SORTYMENTÓW KOKSU Działanie programu BILANS Wyniki testów praktycznych programu BILANS

6 6 Marian Niesler 7. WERYFIKACJA WYNIKÓW BADAŃ LABORATORYJNYCH W WARUNKACH PRZEMYSŁOWYCH ARCELORMITTAL POLAND S.A BADANIA WARUNKÓW PRZEWIEWNOŚCI WSADU Z UDZIAŁEM KOKSIKU BADANIA REAKTYWNOŚCI STOSOWANYCH W ARCELORMITTAL POLAND S.A. SORTYMENTÓW KOKSU I KOKSIKU PROPOZYCJA ZMIAN TECHNOLOGICZNYCH DOTYCZĄCYCH WPROWADZENIA WYBRANYCH SORTYMENTÓW KOKSU DO PROCESU WIELKOPIECOWEGO WYNIKI PRZEMYSŁOWYCH BADAŃ WERYFIKACYJNYCH ANALIZA EKONOMICZNA ZASTOSOWANIA KOKSIKU W WIELKIM PIECU PODSUMOWANIE I WNIOSKI KOŃCOWE STRESZCZENIE

7 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 7 Wykaz głównych symboli i oznaczeń Symbole łacińskie: C 0 C 1 C pył stężenie stosowanego CO 2 obliczane według wzoru (18), % obj. zawartość CO 2 w gazie poreakcyjnym obliczana według wzoru (18), % obj. zawartość węgla w pyle, kg/mg sur. CRI wskaźnik reaktywności koksu wobec CO 2 metodą NSC, % CSR wskaźnik wytrzymałości koksu po reaktyności metodą NSC, % d PD d Pm E j d średnia wielkość ziarna wsadu (rudy/spieku i koksu), m średnica cząstek koksu w martwym słupie wsadu, m średnica cząstek koksu w górnej części strefy topnienia, m jednostkowy efekt ekonomiczny, zł/mg sur. F wartość testu F odpowiednio dla wyjściowej postaci funkcji regresji FeO zawartość tlenku żelazawego w próbce przed redukcją, % mas. Fe og ogólna zawartość żelaza w próbce przed redukcją, % mas. H wysokość warstwy, m I sp.koksu intensywność spalania koksu, Mg/m 3 24h K wskaźnik oporu przepływu gazu w zależności od składu ziarnowego wsadu K m wskaźnik zdolności reaktywnej koksu, m 3 /kg s m masa badanej próbki koksu, obliczana według wzoru (18), kg m 0 m 1 masa próbki tworzywa żelazonośnego bezpośrednio przed rozpoczęciem redukcji, g masa wyjściowa próbki tworzywa żelazonośnego, g m a masa badanej próbki tworzywa żelazonośnego po redukcji i przed bębnowaniem, g m b masa produktu nadsitowego tworzywa żelazonośnego po bębnowaniu Ø 6,30 mm, g m c masa produktu nadsitowego tworzywa żelazonośnego po bębnowaniu Ø 3,15 mm, g m d masa produktu nadsitowego tworzywa żelazonośnego po bębnowaniu Ø 0,50 mm, g m t masa próbki tworzywa żelazonośnego po czasie t min redukcji, g P w przewiewności wsadu wielkopiecowego, Pa Q koksiku jednostkowa cena koksiku, zł/kg Q paliwa jednostkowa cena paliwa, zł/kg R współczynnik korelacji R b udział redukcji bezpośredniej,% R CO udział redukcji pośredniej,% RDI wskaźnik rozpadu tworzywa żelazonośnego po redukcji składający się z trzech składników RDI +6,3 ; RDI -0,5 ; RDI -3,15 RDI +6,3 statyczna odporność na rozpad tworzywa żelazonośnego w czasie redukcji, % RDI -0,5 statyczna ścieralność tworzywa żelazonośnego w czasie redukcji, %

8 8 Marian Niesler RDI -3,15 statyczna podatność na rozpad tworzywa żelazonośnego w czasie redukcji, % R t t k t p V 0 V m V z W prod. w o W pyłu W z Z koksiku Z orz Z orzii+gr Z pal Z skipowy z śr stopień redukcji, po t min, w odniesieniu do maksymalnego wyjściowego stopnia utlenienia żelaza w rudzie, obliczany według wzoru (14), % temperatura końca mięknięcia spieku lub rudy, o C temperatura początku mięknięcia spieku lub rudy, o C natężenie przepływu CO 2 przy temperaturze oznaczania, obliczane według wzoru (18), m 3 /s szybkość ubytku masy koksu, %/min szybkość ubytku wielkości ziarna koksu, mm/min wydajność produkcyjna wielkiego pieca, Mg/24h szybkość przepływu gazów, m/s wydmuch pyłu, kg/mg sur. współczynnik zamiany koksikiem pozostałego paliwa, kg paliwa/kg koksiku zużycie koksiku, kg/mg sur. jednostkowe zużycie koksu orzecha II, kg/mg sur. jednostkowe zużycie koksu orzecha II i koksu groszku, kg/mg sur. zużycie paliwa bez koksiku, kg/mg sur. jednostkowe zużycie koksu skipowego, kg/mg sur. średnia wyjściowa wielkość ziarna koksu, mm Symbole greckie: maksymalne dopuszczalne prawdopodobieństwo popełnienia błędu I rodzaju poziom istotności δd p zakres ziarnistości tworzyw żelazonośnych i koksu, mm lepkość gazu, Pa s μ F Δp spadek ciśnienia w warstwie wsadu, Pa Δp % procentowa zmiana spadku ciśnienia w stosunku do układu wyjściowego, % współczynnik wolnych przestrzeni, m 3 /m 2 CO wskaźnik wykorzystania energii chemicznej gazu wielkopiecowego, % gęstość gazu, kg/m 3

9 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 9 1. WPROWADZENIE Wielki piec jest piecem szybowym, w którym na drodze redukcji tlenków żelaza zawartych w spieku lub grudkach żelaza, uzyskuje się dzięki spalaniu koksu, ciekłą surówkę żelaza. Wsad żelazonośny i koks jest ładowany w sposób ciągły do gardzieli wielkiego pieca. Materiały wsadowe opuszczają się stopniowo w dół pieca dzięki temu, że w garze koks jest spalany za pomocą powietrza wdmuchiwanego przez dysze. Gorące gazy powstające ze spalania koksu, zawierające m.in. tlenek węgla i wodór, płynąc w górę pieca, nagrzewają w przeciwprądzie wsad schodzący w dół i równocześnie redukują zawarte we wsadzie tlenki metali. Koks zapewnia również gazom odpowiednią przewiewność w poszczególnych partiach wielkiego pieca. Proces wielkopiecowy jest najbardziej energochłonnym procesem spośród wszystkich procesów produkcji surówki żelaza i stali. Wielkie piece wykorzystują około 60% energii zużywanej w całej hucie zintegrowanej. W wielkim piecu stosowany jest tzw. koks wielkopiecowy o ziarnistości mm i wartości opałowej 27,5 29,5 MJ/kg. Proces wielkopiecowy o wysokiej wydajności i niskim zużyciu paliwa, wymaga bardzo dobrej jakości koksu, co wiąże się z wysoką jego ceną [1 4]. Odnotowywany w ostatnich latach wzrost cen surowców żelazonośnych i paliw przekłada się na znaczny wzrost kosztów produkcji surówki, pociąga za sobą wzrost kosztów produkcji stali i w dalszej kolejności wyrobów gotowych. Koszt zużycia koksu wielkopiecowego jest jednym z najważniejszych czynników oddziaływujących na efektywność ekonomiczną tego procesu. Zastosowanie w wielkim piecu tańszych sortymentów koksu, np. o obniżonej ziarnistości, jest istotnym czynnikiem umożliwiającym obniżenie kosztów produkcji surówki. Trzeba jednak pamiętać, że zbyt duża ilość podziarna, wprowadzanego do wielkiego pieca ze spiekiem żelaza lub paliwem, pogarsza przewiewność materiałów wsadowych, zwiększa jednostkowe zużycie koksu i obniża wydajność produkcyjną wielkiego pieca. Dzieje się tak dlatego, że drobne frakcje spieku lub koksu, wprowadzanego w całej jego masie, powodują obniżenie średniej wielkości ziarna oraz zasypywanie wolnych przestrzeni utworzonych przez grubsze kawałki tego materiału. To ostatnie pogarsza w sposób znaczący tzw. przewiewność wsadu. Z tego też powodu w rozwoju procesu wielkopiecowego występowały wyraźne trendy podwyższania dolnej, dopuszczalnej granicy wielkości ziarna wsadu, zwłaszcza koksu, przeznaczonego do wielkiego pieca. To z kolei powodowało pogarszanie się uzysku koksu, produkowanego dla potrzeb procesu wielkopiecowego, co zmusiło wielkopiecowników do szukania kompromisu w tym zakresie. Obniżono więc dolną granicę ziarna dla koksu wprowadzanego do wielkiego pieca do ok. 25 mm, koncentrując się na poprawie właściwości wytrzymałościowych koksu wielkopiecowego. Przed podaniem do wielkiego pieca z koksu wielkopiecowego odsiewane jest więc

10 10 Marian Niesler podziarno poniżej 25 mm (tzw. koks skipowy). Odsiewana jest także najdrobniejsza frakcja (poniżej 4 mm) ze wsadu żelazonośnego (ze spieku i grudek). Przy ocenie poszczególnych klas koksu i wyborze najlepszej wielkości ziarna, duże znaczenie ma ustalenie kryteriów oceny, uwzględniających rolę koksu w procesie wielkopiecowym. Wybór optymalnej wielkości kawałków koksu uzależnia się czasem tylko od stosunku wielkości kawałków spieku, rud żelaza i koksu, znajdujących się w mieszaninie wsadu. Takie uzależnienie jest nieprawidłowe, ponieważ w suchej strefie pieca rudy żelaza i koks rozkładają się głównie warstwami, a w dolnej części pieca tworzywa żelazonośne nie występują już w stanie stałym. Ze zwiększeniem intensywności procesu wielkopiecowego zwiększa się obciążenie przenoszone na koks w dolnej części pieca. Dlatego też rola koksu w procesie sprowadza się przede wszystkim, do zapewnienia optymalnej przewiewności gazów wzdłuż wysokości wielkiego pieca. W ostatnich latach w światowym wielkopiecownictwie obserwuje się intensywny rozwój nowych technologii zasypu wsadu żelazonośnego i koksu do wielkiego pieca. Technologie te polegają głównie na selektywnym wprowadzaniu do wielkiego pieca określonych ilości drobnoziarnistych i gruboziarnistych frakcji danego tworzywa żelazonośnego lub koksu. Umożliwia to zużywanie części drobnoziarnistych frakcji materiałów wsadowych w wielkim piecu bez pogorszenia się warunków pracy pieca, a często wpływa na nie korzystnie. Dzieje się tak dlatego, że drobne frakcje koksu, jako bardziej reaktywne (reaktywność koksu podatność koksu na utlenianie dwutlenkiem węgla) ze względu na większą powierzchnię właściwą, wpływają na wzrost udziału redukcji pośredniej w wielkim piecu, ograniczając udział endotermicznej reakcji redukcji bezpośredniej. Ulegając zgazowaniu przed zejściem w dolne strefy wielkiego pieca, nie zwiększają tam ilości drobnego koksu i tym samym nie pogarszają przewiewności wsadu w tym rejonie. Stopień wykorzystania zdolności redukcyjnej gazu w wielkim piecu zwiększa się przez natychmiastowe wykorzystanie CO, powstającego dzięki szybszemu zgazowaniu koksu drobnoziarnistego, będącego w bezpośrednim kontakcie z rudą. Wskutek lepszego wykorzystania CO, współczynnik zamiany koksu kawałkowego koksem drobnoziarnistym może być korzystniejszy, niż wynikałoby to z porównania właściwości obu sortymentów koksu. Mimo bardzo wielu badań nie uzgodniono jednoznacznej konkluzji z której wynika, jakie i w jakich ilościach drobnoziarniste sortymenty koksu należy stosować, aby uzyskać właściwy przebieg procesu wielkopiecowego i pożądane efekty ekonomiczne [5 10]. Bazując na doświadczeniach światowego, a głównie japońskiego wielkopiecownictwa można stwierdzić, że uzasadnione jest stosowanie w procesie koksu będącego odsiewem z koksu wielkopiecowego (koksu orzecha II o ziarnistości mm, koksu groszku o ziarnistości mm, a nawet tzw. koksiku o ziarnistości 10 0 mm), jako paliwa zastępczego zamiennika części koksu wielkopiecowego. Badania zjawisk zachodzących w procesie wiel-

11 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 11 kopiecowym, w wyniku stosowania drobnoziarnistych sortymentów koksu, prowadzone są w wielu laboratoriach naukowo-badawczych i przemysłowych w świecie [11 27]. Również Instytut Metalurgii Żelaza prowadzi od wielu lat badania nad wykorzystaniem drobnoziarnistych materiałów wsadowych w procesie wielkopiecowym. W wyniku tych prac zostały wdrożone technologie stosowania w wielkim piecu koksu orzech II, koksu groszku i odsiewu spieku (odsiana frakcja spieku poniżej 4 mm) w hutach ArcelorMittal Oddział w Dąbrowie Górniczej i Krakowie (dawniej huta Katowice i huta im. T. Sendzimira), Częstochowie oraz w Zakładach Metalurgicznych (dawniej Huta Bobrek) w Bytomiu [28 73]. Technologie te polegają na wprowadzaniu w określony sposób do wielkiego pieca danej ilości mieszaniny drobnoziarnistych sortymentów koksu z odpowiednio dobranym pod względem uziarnienia wsadem żelazonośnym. W wyniku wdrożenia opracowanych technologii nie nastąpiło pogorszenie warunków pracy wielkich pieców, uzyskano ponadto niezwykle korzystne współczynniki zamiany, wynoszące 1,1 kg koksu wielkopiecowego za 1 kg koksu groszku lub koksu orzecha II. Tak korzystne współczynniki zamiany są rezultatem poprawy stopnia wykorzystania energii cieplnej i chemicznej gazu wielkopiecowego, dzięki rozszerzeniu strefy redukcji pośredniej z ograniczeniem stopnia reakcji redukcji bezpośredniej. Wynika to z zastosowania części koksu bardziej reakcyjnego (większa powierzchnia reakcji drobnoziarnistych sortymentów koksu) oraz mieszanej warstwy tej części koksu z bardziej redukcyjnym, drobnoziarnistym wsadem żelazonośnym. Stworzyło to lepsze warunki kontaktu, a więc i reakcji pomiędzy gazem powstającym ze zgazowania drobnego koksu i drobnymi ziarnami tworzyw żelazonośnych. Opracowane technologie przewidują stosowanie koksu groszku w ilości ok. 40 kg/mg surówki, koksu orzecha II w ilości ok. 40 kg/mg surówki oraz odsiewu spieku, w ilości ok. 50 kg/mg surówki. Pozwoliło to nie tylko na zastąpienie części koksu wielkopiecowego tańszymi sortymentami koksu, lecz także na obniżenie jednostkowego zużycia koksu wielkopiecowego, wynikającego z określonego wcześniej, korzystnego współczynnika zamiany. W warunkach konkurencyjności rynkowej istnieje potrzeba ciągłego dążenia do obniżania kosztów wytwarzania wyrobów hutniczych. Duże potrzeby inwestycyjne w zakresie wyposażenia do produkcji hutniczych wyrobów gotowych w krajowych hutach, przy ograniczonych środkach inwestycyjnych, ograniczają obecnie możliwości rozwoju technicznego wydziałów surowcowych. W związku z tym konieczne jest skoncentrowanie się na doskonaleniu takich rozwiązań technologicznych, których bezinwestycyjne wdrożenie do praktyki przemysłowej pozwala na szybkie uzyskanie efektów w postaci poprawy wskaźników techniczno-ekonomicznych procesów surowcowych, a więc w konsekwencji obniżenia kosztów wytwarzania surówki.

12 12 Marian Niesler Jednym z takich rozwiązań może być zastosowanie bezpośrednio w wielkim piecu najtańszego sortymentu odsianego z koksu wielkopiecowego jakim jest koksik, jako zamiennik części stosowanych obecnie droższych sortymentów koksu. Zastosowanie koksiku w wielkim piecu nie może odbywać się kosztem pogorszenia warunków jego pracy, co mogłoby prowadzić do obniżenia, a nawet zniweczenia efektywności ekonomicznej, wynikającej z zastosowania tańszego paliwa. Niniejsza monografia przedstawia wyniki badań wpływu stosowania drobnoziarnistych frakcji koksu, jako zamiennika części koksu wielkopiecowego, na parametry procesu. Ponadto przeprowadzono weryfikację badań laboratoryjnych w warunkach przemysłowych ArcelorMittal Poland S.A., poprzez zastosowanie koksiku w wielkim piecu.

13 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym ROLA KOKSU W PROCESIE WIELKOPIECOWYM 2.1. OPTYMALNA KAWAŁKOWOŚĆ KOKSU W PROCESIE WIELKOPIECOWYM Wiele procesów metalurgicznych prowadzi się w piecach szybowych (do takich należy wielki piec), których podstawową zasadą jest przepływ w przeciwprądzie podlegającego różnym procesom fizycznym i chemicznym wsadu oraz strumienia gazów. Stworzone warunki przepływu gazów w piecu szybowym są więc podstawowym elementem kształtującym wydajność i efektywność tego typu procesów metalurgii ekstrakcyjnej. Ogólną zależność określającą warunki przepływu gazu w warstwie materiałów kawałkowych podaje wzór L.K. Ramzina [74]. n D p = AHw o (1) gdzie: p spadek ciśnienia w warstwie materiału, Pa, H wysokość warstwy, m, w o szybkość przepływu gazów, m/s, A,n współczynniki empiryczne Do wyznaczania straty ciśnienia przy przepływie gazów przez warstwę materiałów kawałkowych wykorzystywany najczęściej jest wzór S. Erguna [74]: 1- f 3H 2 D p = 175, 3 t wo (2) f d gdzie: p strata ciśnienia w warstwie materiału, Pa, d średnia wielkość ziarna wsadu (rudy/spieku i koksu), m współczynnik wolnych przestrzeni, m 3 /m 2, ρ gęstość gazu, kg/m 3. Zależność (2) przy praktycznym i teoretycznym wykorzystaniu jest mało przydatna, bo posiada zbyt wiele założeń, a określenie straty ciśnienia w warstwie p jest post factum a nie a priori. Należy więc traktować tę zależność jako wartość pomocniczą. Badania przepływu gazu przez warstwę materiałów kawałkowych, prowadzone są w wielu ośrodkach badawczych. Prowadzono m.in. pomiary przewiewności warstwy koksu i spieku o ściśle wyselekcjonowanych frakcjach oraz mieszanek tak koksu jak i spieku, dla ustalenia ilościowego wpływu zawartości frakcji drobnej w warstwie [74 111]. W badaniach [74] analizowano osiem partii koksu o kawałkowości: 0 5, 5 10, 10 20, 20 30, 30 40, 40 50, oraz frakcji powyżej 60 mm. Ideą takiego podziału było prowadzenie badań dla wąskich klas ziarnowych obej-

14 14 Marian Niesler mujących jednakże cały zakres spotykanych w praktyce wielkości ziaren. Pomiar przewiewności każdej frakcji rozpoczynano od niewielkich przepływów, zwiększając je stopniowo, aż do przejścia tworzyw w stan fluidalny. Następuje to z chwilą osiągnięcia szybkości krytycznej charakterystycznej dla każdego zakresu kawałkowości. Dalszy wzrost szybkości gazu nie powoduje już wzrostu oporu warstwy, a niejednokrotnie jego spadek. Spadek ten spowodowany jest przez: znaczne rozluźnienie warstwy w punkcie krytycznym, a tym samym zwiększenie współczynnika wolnych przestrzeni, zmniejszenie sił tarcia pomiędzy poszczególnymi kawałkami i pomiędzy wsadem a ścianami kolumny pomiarowej, ruchem obrotowym kawałków wsadu w strumieniu powietrza. Na rys. 1 przedstawiono zależność spadku ciśnienia od szybkości gazu w o uzyskane w pracy [74]. Rys. 1. Zależność spadku ciśnienia p w warstwie koksu od szybkości gazu w o [74]; 1 frakcja 0 5 mm; 2 frakcja 5 10 mm, 3 frakcja mm; 4 frakcja mm; 5 frakcja mm; 6 frakcja mm; 7 frakcja mm; 8 frakcja > 60 mm Jak wynika z przedstawionych na tym rysunku krzywych, w sposób charakterystyczny występują wartości odnoszące się do punktów krytycznych określających fluidyzację każdej z frakcji koksu. Zanotowano, że od momentu przekroczenia szybkości gazu w o = 0,50 m/s zostają wynoszone przez strumień powietrza najdrobniejsze frakcje o ziarnistości 0 2 mm. Zaobserwowano również przemieszczanie się kawałków, rozsegregowanie warstwy, a nawet powstawanie kanałów biegnących przez całą wysokość warstwy. Zjawisko powstawania kanałów jest bardzo charakterystyczne, zwłaszcza dla mieszanin dwu i wielkoskładnikowych. Przejście wsadu w stan fluidalny obserwować można wyraźnie na powierzchni warstwy. Stwierdzić można bezwładny ruch

15 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 15 wszystkich kawałków wsadu i równoczesne wynoszenie pewnej ilości ziaren przez strumień gazu. Dla określenia wpływu różnych mieszanin poszczególnych frakcji, a przede wszystkim dla określenia wpływu podziarna na zwiększenie oporu warstwy materiałów kawałkowych wykonano w szerokim zakresie pomiary dla mieszanek różnych frakcji koksu i mieszanek różnych frakcji spieku. Na rys 2 i 3 przedstawiono krzywe oporu warstwy koksu w szerokim zakresie kawałkowości (0 30 mm i mm) oraz mieszanek z różnym procentowym udziałem podziarna przedstawiono [74]. Rys. 2. Zależność spadku ciśnienia p w warstwie koksu od szybkości gazu w o [74]; Linia przerywana frakcje podstawowe; 1 mieszanina koksu 0 30 mm; 2 mieszanina koksu mm Rys. 3. Zależność spadku ciśnienia p w warstwie koksu od szybkości gazu wo [74]; Linia przerywana frakcje podstawowe; 1 koks mm + 10% frakcji 0 10 mm; 2 koks mm + 20% frakcji 0 10 mm, 3 koks mm +30% frakcji 0 10 mm

16 16 Marian Niesler Charakterystycznym zjawiskiem, które odnotowano podczas badań przewiewności mieszanek koksu (podobnie spieku) było wspomniane wcześniej tworzenie się wyraźnych, rozwiniętych kanałów przy szybkościach mniejszych od szybkości krytycznej. Jednocześnie zaobserwowano w trakcie badań rozsegregowanie badanej warstwy kawałkowej w taki sposób, że w górnej jej części gromadziły się drobne kawałki wsadu. Porównując kształtowanie się krzywych dla frakcji o analogicznej przeciętnej wartości d (frakcja d od 0 30 mm porównana z frakcją mm oraz z frakcja mm w porównaniu z frakcją mm) zauważyć można znacznie mniejszy opór stawiany przez warstwy o wąskiej klasie ziarnowej mm i mm w stosunku do odpowiadających im mieszanek 0 30 mm i mm. Wprowadzenie do frakcji podstawowej podziarna 0 10 mm w sposób zasadniczy zwiększa opór warstwy z tym jednak, że dodatek podziarna do 20% powoduje znacznie większy wzrost oporu niż dalszy dodatek podziarna do 30%. Przeprowadzono również pomiary oporu warstwy będącej mieszaniną spieku o kawałkowości 5 20 mm i mm (rys. 4) oraz spieku o ziarnistości mm zagęszczonego podziarnem 0 5 mm (rys. 5). Rys. 4. Zależność spadku ciśnienia p w warstwie koksu od szybkości gazu w o ; Linia przerywana - frakcje podstawowe [74]; 1 mieszanka spieku 5 20 mm, 2 mieszanka spieku mm Uzyskane krzywe potwierdzają obserwacje i wnioski wyprowadzone przy badaniach analogicznych frakcji koksu. Ustalono, że zapewnienie w szybie wielkiego pieca optymalnych warunków dla przebiegu reakcji redukcji tworzyw żelazonośnych a jednocześnie odpowiedniej przewiewności, wymaga stosowania wąskiej frakcji tworzyw o wymiarach od 10 do 20 mm. Słup tworzyw w wielkim piecu składa się w górnej części szybu z rudy i koksu, a w dolnej części tj. w spadkach tylko z koksu. Zredukowana ruda jest już stopiona i spływa w postaci surówki i żużla poprzez pozostałą warstwę koksu w dół pieca. Ruda i koks mogą być w szybie całkowicie wymieszane, ułożo-

17 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 17 Rys. 5. Zależność szybkości krytycznej od średnicy kawałków dla warstwy spieku i koksu [74]; 1 mieszanka mm + 30% (0 5 mm); 2 mieszanka mm +20% (0 5 mm); 3 mieszanka mm +10% (0 5 mm) ne w warstwy względnie częściowo wymieszane a częściowo ułożone w warstwach. Na ogół w szybie znajdują się równocześnie naboje o jednakowej lub różnej kawałkowości, natomiast w spadkach istnieje tylko nabój koksowy. Wydajność procesu wielkopiecowego, jak już wspomniano wcześniej, zależy od przewiewności wsadu i tym samym od spadku ciśnienia gazów na wysokości pieca. W celu osiągnięcia możliwie dużej wydajności wielkiego pieca średnica kawałków koksu musi być więc tak dostosowana do średnicy kawałków rudy, by spadek ciśnienia był minimalny. Możliwy jest wówczas przepływ większej ilości gazów i tym samym wzrost wydajności wielkiego pieca [96, 97]. Dla szybu wielkiego pieca kawałkowość koksu musi odpowiadać kawałkowości rudy, aby uzyskać możliwie mały spadek ciśnienia. W spadkach natomiast najkorzystniejsze warunki panują przy dużej kawałkowości koksu. Z tego przeciwnego zachowania wynika, że musi istnieć optymalna kawałkowość koksu, przy której spadek ciśnienia jest minimalny [80 89, ]. Przykład badań mających na celu ustalenie optymalnej kawałkowości koksu i tym samym minimalnego spadku ciśnienia z wykorzystaniem teoretycznych podstaw jedno i dwufazowego przepływu przez warstwę tworzyw przedstawiono w pracy [75]. Stwierdzono, że spadek ciśnienia gazów w mieszanej warstwie wieloziarnistowej jest większy aniżeli przy oddzielnym ułożeniu frakcji ziaren. Na rys. 6 przedstawiono spadki ciśnienia w mieszanym i warstwowym ułożeniu tworzyw o dwóch ziarnistościach. Stwierdzono, że spadek ciśnienia w warstwach mieszanych materiałów jest znacznie wyższy, aniżeli w warstwach materiałów ułożonych warstwami, przy czym ze zmniejszającym się stosunkiem frakcji o mniejszej średnicy ziaren (d k ) do frakcji o większej średnicy ziaren (d g ), spadek ciśnienia staje się coraz większy.

18 18 Marian Niesler Rys. 6. Spadek ciśnienia w mieszanym i warstwowym ułożeniu tworzyw o dwóch ziarnistościach [75]; V k objętość warstwy z frakcji o mniejszej średnicy ziarna, V g objętość warstwy z frakcji o większej średnicy ziarna, V s objętość warstwy, d k średnica frakcji o mniejszej wielkości ziarna, d g średnica frakcji o większej wielkości ziarna W odniesieniu do wielkiego pieca frakcja ziaren o mniejszej średnicy odpowiada wsadowi rudnemu, a o większej średnicy nabojowi koksowemu. Wyniki badań [75] wykazały, że optymalna kawałkowość koksu dla danego wielkiego pieca, zależy w zasadzie tylko od stopnia wymieszania wsadu żelazonośnego i koksu w szybie wielkiego pieca. Obliczenia wykazały, że spadek ciśnienia zmienia się tylko nieznacznie pod wpływem takich parametrów jak, np. ilość wyprodukowanej surówki i żużla czy ilość dmuchu. Również mały wpływ na spadek ciśnienia ma zmiana gęstości i lepkości gazu wielkopiecowego. Decydujące są jedynie wymieszanie i długość strefy przeciwprądu, przy czym oba te parametry mają wpływ przeciwny. Podobne wyniki uzyskano w badaniach prowadzonych w Instytucie Metalurgii Żelaza w Gliwicach [48, 52]. Były to badania przewidywanego wpływu na przewiewność wsadu, zmian wielkości ziarna sortymentów koksu, w wyniku jego zgazowania, podczas opuszczania się wsadu w wielkim piecu. Określono zmiany przewiewności wsadu wielkopiecowego wzdłuż wysokości szybu. Aby obliczyć wysokość warstwy wsadu w poszczególnych rejonach szybu, którą tworzy nabój na danej wysokości, brano pod uwagę szybkość ubytku wiel-

19 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 19 kości ziarna koksu w zależności od średniej wyjściowej jego wielkości. Ponadto badano szybkość ubytku masy koksu o danej średniej wyjściowej wielkości ziarna po 240 min. zgazowania w temperaturze 1050 o C. Szybkość ubytku wielkości ziarna koksu w zależności od średniej wyjściowej jego wielkości określona została wzorem [48]: Vz =- 1, 3364 $ 10 zsr l + 0, 0015zsr l - 0, 0054@ (3) 240min gdzie: V z szybkość ubytku ziarna koksu, mm/min z śr średnia wyjściowa wielkość ziarna koksu, mm Przykładowe szybkości ubytku wielkości ziarna koksu podczas jego zgazowania dla sortymentów koksu stosowanego w ArcelorMittal Poland S.A. Oddział w Krakowie wynosiły: Koks skipowy ( z śr. = 51,02 mm); V z (skipowy) = 2,22 mm/h Koks orzech II ( z śr. = 32,27 mm); V z (orzech II) = 1,80 mm/h Koks groszek ( z śr. = 17,32 mm); V z (groszek) = 1,08 mm/h Szybkość ubytku masy koksu w zależności od jego średniej wyjściowej wielkości ziarna określa została wzorem [48]: 2 6 Vm =- 0, 0001zsr l + 0, 0048zsr l + 0, 22@ (4) 240min gdzie: V m szybkość ubytku masy koksu, %/min z śr średnia wyjściowa wielkość ziarna koksu, mm Przykładowe szybkości ubytku masy koksu podczas jego zgazowania dla sortymentów koksu stosowanego w ArcelorMittal Poland S.A. Oddział w Krakowie wynosiły: Koks skipowy ( z śr. = 51,02 mm); V m (skipowy) = 0,205 %/min Koks orzech II ( z śr. = 32,27 mm); V m (orzech II) = 0,271 %/min Koks groszek ( z śr. = 17,32 mm); V m (groszek) = 0,273 %/min Określano również spadek Δp ciśnienia na wysokości warstwy wsadu H, oraz wskaźnik oporu przepływu gazu K, w zależności od składu ziarnowego naboju przy danej objętości, zajmowanej przez nabój w danym rejonie wielkiego pieca (rys. 7). Spadek ciśnienia obliczano z następującej zależności [11]. D p = 17 Kw o, (5) H gdzie: Δp spadek ciśnienia w warstwie materiału, Pa H wysokość warstwy [m] w o szybkość przepływu gazów, m/s,

20 20 Marian Niesler Rys. 7. Kształtowanie się zmiany spadku ciśnienia p gazu wielkopiecowego w zależności od wariantu wsadowego w trakcie schodzenia naboju w szybie wielkiego pieca [52] K wskaźnik oporu przepływu gazu w zależności od składu ziarnowego wsadu d K 213, 10 5 d p - d 1, 3 03, 07, = $ nf t (6) d gdzie: δd p zakres ziarnistości tworzyw żelazonośnych i koksu, m d średnia wielkość ziarna wsadu (rudy/spieku i koksu), m μ F lepkość gazu, Pa s ρ gęstość gazu, kg/m 3 Zakres ziarnistości tworzyw żelazonośnych i koksu δd p był definiowany w ten sposób, że np. jeżeli wielkość ziarna koksu wielkopiecowego mieściła się w przedziale od 80 do 25 mm, to zakres ziarnistości wynosił 55 mm. Przeprowadzono analizę różnych wariantów wprowadzania sortymentów koksu o obniżonej ziarnistości w mieszaninie z tworzywami żelazonośnymi lub w postaci osobnej warstwy. Poszczególne sortymenty koksu, podczas ich podawania w osobnej warstwie, były przedzielane warstwą wsadu żelazonośnego aby wyeliminować występowanie zjawiska wzrostu oporu przepływu gazu, na granicy warstw koksu wielkopiecowego i koksu o obniżonej wielkości ziarna. Przeanalizowano cztery warianty podawania koksu w naboju: 1. Baza koks wielkopiecowy mm podawany w osobnej warstwie. 2. Koks wielkopiecowy mm (91,21% całości paliwa) podawany w osobnej warstwie, oraz mieszanina spieku i koksu orzech II (5,28% całości pa-

21 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 21 liwa), i mieszanina grudek michajłowskich z koksem groszkiem (3,51% całości paliwa). 3. Koks wielkopiecowy o zawężonym uziarnieniu mm oraz wydzielona z niego frakcja mm (27,6% koksu wielkopiecowego) wprowadzone w osobnej warstwie. 4. Koks wielkopiecowy o zawężonym uziarnieniu mm wprowadzony w osobnej warstwie, oraz wydzielona z niego frakcja mm wprowadzona w mieszaninie ze spiekiem. Z przedstawionej analizy wynika, że najmniejsze opory przepływu gazu uzyskuje się przy stosowaniu zawężonych klas ziarnowych koksu podawanych do wielkiego pieca w mieszanej warstwie ze spiekiem lub w osobnej warstwie. Stosowanie drobnoziarnistych sortymentów koksu (orzech II i groszek) wprowadzanych dodatkowo w mieszaninie z tworzywami żelazonośnymi, zwiększa opór przepływu gazu w strefie suchej, co może jednak korzystnie wpływać na poprawę stopnia wykorzystania energii chemicznej gazu wielkopiecowego. Niezależnie od przedstawionych zmian przewiewności wsadu w strefie suchej, jak wynika z niektórych danych literaturowych, zastosowanie drobnoziarnistych sortymentów koksu może wpływać na zawężenie i obniżenie się strefy kohezji w wielkim piecu [47, 49, 91, 92]. Wynika z tego, że zastosowanie drobnoziarnistych sortymentów koksu wprowadzanych w określony sposób i w odpowiedniej ilości, jako zamienników części koksu wielkopiecowego, nie tylko nie musi pogarszać ogólnej przewiewności wsadu w wielkim piecu, lecz może nawet wpływać na nią korzystnie. Przedstawione wyniki badań nie pokazują rzeczywistych zmian współczynnika oporu wsadu wzdłuż wysokości pieca (dla różnych temperatur), pozwalają jednak na ocenę porównawczą wpływu różnych sortymentów koksu oraz sposobu ich wprowadzania do wsadu wielkopiecowego na zmiany przewiewności wsadu p %, wynikające z procesów ich zgazowywania. Oznacza to, że cechą koksu, którą wielkopiecownicy postrzegają jako jedną z najistotniejszych, jest jego uziarnienie. Dawniej, podstawowym kierunkiem działania było pozbawienie koksu ładowanego do wielkiego pieca frakcji poniżej 40 mm. Następnie, praktycy wielkopiecownicy doszli do wniosku, że ograniczenie dolnej granicy wielkości ziarna do 40 mm jest niekorzystne i to nie tylko z uwagi na mniejszy uzysk koksu w tym przypadku. Duże ziarna koksu są często popękane, spadając z wysokości, (np. z przesypu, z urządzenia zasypowego wielkiego pieca itp.) mają, dużą energię potencjalną, co powoduje rozpad kawałka koksu na kawałki o niekontrolowanej wielkości. Powstają przy tym drobne kawałki, które gdyby powstały wcześniej, zostałyby usunięte na sitach przed wprowadzeniem koksu do wielkiego pieca. Drobniejsze kawałki, spadające z mniejszą energią, ulegają bardziej ograniczonemu rozpadowi. Przeprowadzone w Polsce, modelowe badania tworzenia sklepień nad komorami przeddyszowymi wykazały, że stabilne sklepienia, a więc i równą

22 22 Marian Niesler pracę wielkiego pieca, uzyskuje się tylko wtedy, kiedy uziarnienie koksu mieści się w wąskich granicach, np. od 40 do 60 mm [98 103]. Przeprowadzone badania wykazały dopuszczalność pewnej ilości podziarna (ok %) w ogólnej masie koksu dochodzącego do strefy dysz, a więc przed rozpoczęciem gwałtownych ruchów koksu przed dyszami. W praktyce oznacza to, celowość wyłączania z załadunku nadmiernie dużych kawałków koksu, szczególnie powyżej 80 mm oraz możliwość stosowania określonej ilości ziaren mniejszych od 40 mm. Z tych też względów dość częstą praktyką jest stosowanie przed wielkim piecem sit o otworach 25 mm, a nawet 20 mm zamiast sit o otworach 40 mm dla usuwania podziarna koksu. Badania modelowe wskazują jednak, że w przypadku stosowania dużych ilości koksu o uziarnieniu 20 do 40 mm lub poniżej 20 mm należy go podawać do wielkiego pieca w oddzielnych nabojach, najlepiej w mieszaninie z tworzywami żelazonośnymi o zbliżonym zakresie uziarnienia [11 63]. Technologia taka m.in. została opracowana i wdrożona przez Instytut Metalurgii Żelaza w ArcelorMittal Poland S.A. Oddział w Dąbrowie Górniczej i w Krakowie, przy współpracy ze specjalistami tych hut. Ziarnistość dobrych gatunków koksu w gardzieli i w górnej części wielkiego pieca jest podobna do tej, jaka została po odsianiu z nich podziarna przed załadunkiem do wielkiego pieca. Potwierdzają to badania koksu pobranego z różnych zamrożonych wielkich pieców [13, 89]. Dowodem tego jest warstwa konfiguracji wsadu taka, jaka powstała podczas załadunku w gardzieli również w szybie, gdzie utrzymuje się do pojawienia się strefy mięknięcia. Wyjątek stanowią rejony przy obmurzu szybu, gdzie wsad musi wypełnić dodatkowo przestrzeń, wynikającą z rozszerzania się szybu ku dołowi. W tych zewnętrznych rejonach, niezależnie od wzajemnego ocierania się kawałków wsadu w tym i koksu, wsad ociera się o obmurze. Poza tym mechanicznym oddziaływaniem na kawałki koksu, w szybie możliwe jest osłabienie kawałków koksu wskutek oddziaływania alkaliów [104]. To oddziaływanie trwa do temperatur około 1200 o C, powyżej których część związków alkalicznych wyparowuje i przechodzi do chłodniejszych stref w wielkim piecu WYMAGANIA DOTYCZĄCE JAKOŚCI KOKSU WIELKOPIECOWEGO Rozwój procesu wielkopiecowego na przestrzeni ostatnich lat uwidacznia się najbardziej poprzez systematyczne obniżanie się jednostkowego zużycia koksu. Wśród czynników, które zaważyły na postępie w tym zakresie wymienić należy: poprawę warunków wsadowych, zwłaszcza wzrost bogactwa wsadu żelazonośnego, wysoką temperaturę dmuchu, wysokie ciśnienie w gardzieli oraz duży udział spieku i grudek we wsadzie. Dużą rolę odegrała tu również poprawa jakości koksu wielkopiecowego.

23 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 23 Zdolności produkcyjne koksu w świecie w 2010 r. wynosiły 800 mln Mg, z czego w Chinach 526 mln Mg. Światowa produkcja koksu w 2010 r wyniosła około 590 mln Mg, z czego w wielkich piecach zużyto 457 mln Mg, to jest prawie 80% produkowanego koksu [52, 112]. Pomimo wzrostu produkcji stali ze złomu i rozwoju procesów bezpośredniej redukcji rud żelaza uważa się, że proces wielkopiecowy będzie nadal odgrywał dominującą rolę w produkcji żelaza. Z uwagi na ograniczenie jednostkowego zużycia koksu przy wytopie surówki żelaza nastąpiło zmniejszenie objętości zajmowanej przez koks w wielkim piecu z około 75 do 50%. Koks w procesie wielkopiecowym spełnia funkcję paliwa, reduktora, nawęglacza surówki i tzw. rusztu, decydującego o przewiewności wsadu. W nowoczesnej technologii wielkopiecowej, u podstaw której, leży minimalizacja jednostkowego zużycia drogiego koksu i intensyfikacja pracy wielkiego pieca, nastąpiło przewartościowanie poglądów na poszczególne funkcje koksu. Na czoło wysuwa się zapewnienie korzystnej przewiewności wsadu w wielkim piecu, o czym szczególnie w przestronie i spadkach decyduje skład granulometryczny koksu. Generalnie, skład ten jest konsekwencją uziarnienia, wytrzymałości i reaktywności koksu skipowego. Pozostałymi parametrami kwalifikacyjnymi koksu wielkopiecowego są: zawartość substancji nieorganicznej, zawartość siarki i fosforu oraz zawartość związków alkalicznych. Na podstawie wyników licznych badań i doświadczeń przemysłowych, ustalono ilościowo wpływ poszczególnych parametrów koksu na pracę wielkiego pieca, a także ustalono graniczne wielkości tych parametrów, których niedotrzymanie dyskwalifikuje jego przydatność dla wielkiego pieca o określonej objętości. Średnia temperatura koksu wypychanego z komory koksowniczej wynosi około 1000 o C. W wyniku gaszenia koksu następuje jej obniżenie praktycznie do temperatury otoczenia. W czasie przesuwania się koksu od gardzieli do poziomu dysz wielkiego pieca jego temperatura stopniowo wzrasta do około 1800 o C. Konsekwencją jest między innymi porządkowanie struktury krystalograficznej węgla, wydzielanie niektórych pierwiastków zawartych w substancji organicznej i nieorganicznej oraz zmiana reaktywności i wytrzymałości koksu. Dla orientacyjnej oceny wpływu właściwości koksu na zachowanie się w górnej części szybu wielkiego pieca, przydatne mogą być właściwości wytrzymałościowe, określane w próbach bębnowych na zimno, np. metodą Micum (wskaźnik wytrzymałości M 40 % ilość ziarna koksu > 40 mm po próbie bębnowej i wskaźnik ścieralności M 10 % ilość koksu <10 mm) i w strefie wysokich temperatur za pomocą testu NSC. Test Nippon Steel Corporation (NSC) obecnie uznawany jest najbardziej przydatny w ocenie właściwości użytkowych koksu wielkopiecowego. Test ten symuluje zachowanie się koksu w strefie wysokich temperatur wielkiego pieca, w której reakcja zgazowania koksu dwutlenkiem węgla jest jednym z czynników odpowiedzialnych za degradację jego ziaren. Wskaźniki wyzna-

24 24 Marian Niesler czane w teście NSC: reaktywność koksu wobec CO 2 CRI (Coke Reactivity Index) i wytrzymałość poreakcyjna CSR (Coke Strength after Reaction), już od szeregu lat należą do standardowych parametrów jakościowych koksu, stosowanych w ocenie jego przydatności do procesu wytopu surówki żelaza. Próbkę koksu o masie 200 g i uziarnieniu (22,4) mm poddaje się dwugodzinnemu działaniu dwutlenku węgla w temperaturze 1100 C. Zachodząca w tych warunkach reakcja utleniania węgla pierwiastkowego, powoduje ubytek masy koksu. Wartość wskaźnika CRI określa procentowy ubytek masy próbki koksu w efekcie jej zgazowania CO 2. Następnie próbkę koksu po reakcji z CO 2, poddaje się mechanicznej obróbce w bębnie. Po bębnowaniu koks przesiewa się na sicie o rozmiarach kwadratowych oczek 10 (9,5) mm. Wartość wskaźnika wytrzymałości poreakcyjnej CSR określa procentowy udział nadziarna >10 (9,5) mm w próbce koksu po reakcji z CO 2, poddanej mechanicznej obróbce. Wysoka wytrzymałość na zimno gwarantuje przewiewność w górnej suchej strefie pieca. Wskaźniki CRI powinno się utrzymywać na możliwie najniższym poziomie w celu przesunięcia reakcji związanych ze zgazowaniem węgla do wyższych temperatur, ale wskaźniki te powinny także mieścić się w zakresie, gwarantującym odpowiednie nawęglenie ciekłej surówki. Wskaźnik CSR powinien być wysoki, aby wytworzyć przepuszczalny martwy słup koksu w garze. Poniżej przedstawiono parametry jakościowe koksu, zalecane europejskim wielkopiecownikom [2, 3]. Na rys. 8 przedstawiono przykładowe wskaźniki CSR w zależności od kraju. Ilość zaznaczonych punktów dla danego kraju zależała od możliwości pozyskania danych technologicznych z poszczególnych hut. Rys. 8. Wskaźniki CSR koksu w zależności od kraju [2] Można łatwo zauważyć, że w większości przypadków CSR koksu mieści się w granicach 60 65%. Najwyższy poziom 73% osiągnięto w hutach brytyjskich. Występuje również tendencja, że większe wielkie piece wykorzystują koks o wyższym wskaźniku CSR, zwłaszcza, gdy pracują przy niskim zużyciu koksu.

25 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 25 Rys. 9 pokazuje, że wszystkie wskaźniki CRI mieszczą się między 19,4 a 34% oraz ilustruje dobrze znaną zależność między CRI a CSR, tzn. wskaźnik CRI maleje ze wzrostem wskaźnika CSR. Rys. 9. Zależność między wskaźnikiem CSR a CRI [2] W Wielkiej Brytanii, Finlandii, ale również i w Polsce, do określenia wytrzymałości na zimno koksu wykorzystuje się wskaźniki Micum. Tutaj wskaźniki M 40 mieszczą się w granicach 80 88%. Badania ze znaczonym koksem w wielkim piecu nr 1 w garze w Schwelgern firmy Thyssen Krupp Stahl AG [2, 3] wykazały, że wymiana koksu w garze wielkiego pieca trwa kilka tygodni i że koks w najlepszym przypadku schodzi poprzez strefę martwą z góry do dolnej części garu z szybkością 1m/dobę (rys. 10). Rys. 10. Wymiana koksu w strefie martwej wielkiego pieca [2]

26 26 Marian Niesler Obliczenia przeprowadzone przez IRSID wykazują, ze zwiększenie szybkości wdmuchiwania paliw zastępczych i wynikający stąd spadek zużycia koksu prowadzi do wydłużenia średniego czasu przebywania koksu w wielkim piecu, zwłaszcza w strefie, w której zachodzi gazyfikacja (rys. 11). Rys. 11. Zmiana czasu przebywania koksu w strefach w zależności od szybkości wdmuchiwania węgla do wielkiego pieca [2]; Strefa 1 poniżej temperatury 950 o C; Strefa 2 temperatura między 950 o C a końcem strefy kohezji; Strefa 3 strefa pod strefą kohezji Jest to bardzo istotne, ponieważ warunki gazyfikacji mogą w znacznym stopniu zmieniać sposób gazyfikacji i w ten sposób zmieniać odporność koksu na rozkruszanie. Ponadto istnieje ścisły związek pomiędzy zmniejszeniem średniej wielkości koksu w piecu a wskaźnikiem CSR wsadu koksowego, wskazujący, że reaktywność i gazyfikacja mogą mieć ważny wpływ na wytrzymałość mechaniczną koksu. Zależność pomiędzy zużyciem koksu i węgla, jak również przewiewnością gazu w szybie, a wskaźnikiem CSR wsadu koksowego pokazano na przykładzie wielkiego pieca nr 1 w hucie Schwelgern na rys. 12 [2]. Wraz ze wzrostem wskaźników koksu CSR, może się zwiększać ilość wdmuchiwanego węgla, przy znacznym spadku łącznego zużycia koksu i węgla oraz znacznej poprawie przewiewności wsadu w spadkach pieca, nawet przy wyższym zużyciu węgla i niższym zużyciu koksu. Ponadto stwierdzono, że im wyższe wskaźniki CSR tym większa jest ilość koksu orzecha, który można stosować w piecu w miejsce koksu kawałkowego i to z lepszą przewiewnością (rys. 13). Wymagania dotyczące wskaźników CSR i CRI podsumowano w tablicy 1. Celem zapobiegnięcia większym stratom ciśnienia i zmniejszenia przewiewności wsadu, w większości przypadków nie akceptuje się wskaźników

27 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 27 Rys. 12. Wpływ CSR na zużycie materiałów redukcyjnych i przewiewność wsadu [2] CSR poniżej 60% > 10 mm. Wskaźniki CRI powinny mieścić się w zakresie 20 do 30%, lecz nie powinny być wyższe niż 31%. Zakłada się, ze do produkcji surówki będzie wykorzystana całkowita produkcja koksu w koksowniach. Generalnie koksownie wytwarzają 75% koksu skipowego o uziarnieniu mm, 17% koksu orzecha o uziarnieniu mm i 8% koksiku poniżej 10 mm. Wymagania wielkopiecowników co do maksymalnych udziałów wielkości ziarna koksu przedstawiono w tablicy 2.

28 28 Marian Niesler Rys. 13. Zależność między CO, ilością koksu-orzecha we wsadzie a CSR [2] Wymagania dotyczące wskaźników CSR i CRI [2] Tablica 1 Kraj Huta Wskaźnik CSR % Wskaźnik CRI % Polska ArcelorMittal Austria VA Linz >60 <31 Belgia Sidmar >65 <23 Finlandia Francja Rautaruukki Raahe Koverhar (koks podstawowy) Koverhar (centralny załadunek koksu) Sollac Dunkierka Sollac Fos sur Mer > >53 < Niemcy Średnio 9 hut >65 <23 Holandia Corus Ijmuiden > Wielka Brytania Corus Redcar Corus Scunthorpe Corus Port Talbot Corus Llanwern >64 > >57 <25 < <30

29 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 29 Tablica 2 Wymagania dotyczące udziału frakcji uziarnienia koksu poniżej 40 mm i poniżej 10 mm [2] Kraj Huta Maksymalny udział frakcji < 40 mm % Maksymalny udział frakcji < 10 mm % Austria VA Linz <25 <3 Belgia Sidmar <15 <1 Finlandia Francja Rautaruukki Raahe Koverhar (koks podstawowy) Koverhar (centralny załadunek koksu) Sollac Dunkierka Sollac Fos sur Mer - <50 Niemcy Średnio 9 hut <18 <3 Holandia Corus Ijmuiden <20 Wielka Brytania Corus Redcar Corus Scunthorpe Corus Port Talbot Corus Llanwern <3 (<30 mm) <15 <3 5 (<25 mm) Polska ArcelorMittal b.d b.d Ilość koksu o uziarnieniu poniżej 40 mm ograniczona jest do 15 25%, a poniżej 20 mm do 3%. W Corus Redcar udział ładowanego do pieca niewymiarowego koksu o ziarnie poniżej 30 mm stanowi maksymalnie 3%. W hucie Raahe firmy Rautaruukki, w której nie wyspecyfikowano docelowego składu ziarnowego koksu, ilość frakcji koksu mm ma największe znaczenie i wydaje się mieć wpływ na pracę garu i na wydajność wielkiego pieca. Z drugiej strony, z punktu widzenia składu ziarnowego, zwiększenie frakcji uziarnienia koksu powyżej 80 mm wywiera ujemny wpływ na wydajność wielkiego pieca (rys. 14). To ostre ograniczenie frakcji uziarnienia wydaje się być jedynym wstępnym warunkiem dla osiągnięcia wydajności wielkiego pieca powyżej 3 Mg/ m 3 24 h. W Niemczech udział ziaren koksu większych od 80 mm ogranicza się do maksimum 10%, a koksu o uziarnieniu powyżej 100 mm nie stosuje się. Obecnie zwykłą praktyką jest wykorzystanie koksu-orzecha o wielkości ziarna w przybliżeniu mm w ilości do 100 kg/mg surówki. Bardziej reakcyjny koks-orzech miesza się ze wsadem żelazonośnym i ładuje się go na obwodzie pieca. Koks o niższej reaktywności ładowany jest do środkowej części pieca w celu osiągnięcia przewiewności w garze.

30 30 Marian Niesler Rys. 14. Wpływ właściwości koksu na pracę wielkiego pieca nr 2 w Rautaruukki Steel [2] 2.3. WPŁYW REAKTYWNOŚCI KOKSU NA PRZEBIEG PROCESU WIELKOPIECOWEGO Reaktywność koksów determinowana jest głównie jakością wsadu węglowego oraz temperaturą procesu koksowania. Koksowniczy wsad węglowy oraz warunki termiczne tego procesu kształtują porowatość koksu oraz stopień uporządkowania struktury krystalicznej węgla pierwiastkowego czyli podstawowe dwa parametry, które decydują o reaktywności koksu. O reaktywności koksu decyduje też powierzchnia właściwa (powierzchnia reakcji) koksu wynikająca z jego uziarnienia. Prawidłowa ocena reaktywności, pomimo permanentnych badań, nadal jest sprawą otwartą. Najbardziej rozpowszechnione są metody oceny, w których czynnikiem zgazowującym jest dwutlenek węgla, a miarą reaktywności zawartość tlenku węgla i dwulenku węgla w gazie poreakcyjnym lub ubytek masy badanej próbki. Problemy prawidłowej oceny reaktywności koksu wynikają między innymi stąd, że produkty pochodzenia węglowego są nadzwyczaj skomplikowanym ciałem stałym. Zawierają one w swoim składzie substancję organiczną (głównie węgiel oraz niewielkie ilości do ok.3% siarki, azotu i tlenu) oraz substancję nieorganiczną (tlenki żelaza, glinu, krzemu, wapnia, związki alkaliczne

31 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 31 oraz niewielkie ilości wanadu, tytanu, chromu, manganu i niklu). W koksach hutniczych, które posiadają nawet do 11,0% popiołu, substancja mineralna wywiera wpływ na ich reaktywność i wytrzymałość mechaniczną. Osłabienie wytrzymałości mechanicznej polega na tym, że w strukturę węgla pierwiastkowego wtrącone są skupiska substancji mineralnej, co powoduje zmniejszenie odporności materiału na działanie sił mechanicznych. Im większe rozproszenie tej samej ilości substancji mineralnej, tym większy ma ona wpływ na reaktywność koksu. Uważa się, że koksy, których popioły posiadają zasadowy odczyn charakteryzują się większą reaktywnością. Również pęcznienie, czyli nieodwracalny wzrost objętości koksu w zakresie temperatur (2000) o C może powodować tworzenie się pęknięć i w konsekwencji zmniejszenie wytrzymałości oraz zmianę reaktywności. Zmiany te powstają prawdopodobnie w wyniku naruszenia struktury koksu, spowodowanego ubytkiem masy (wydzielenie się siarki i azotu), oraz przebudową krystaliczną węgla. Powstają wówczas miejsca aktywne, sprzyjające utlenianiu węgla. W wyniku wzrostu reaktywności osłabiona zostaje struktura koksu i w konsekwencji spadek wytrzymałości mechanicznej. W temperaturach wyższych występuje wzrost stopnia uporządkowania krystalicznego węgla, zmniejszenie centrów aktywnych i spadek reaktywności, przez co wytrzymałość koksu wzrasta. Badając próbki koksu pobrane ze spadków, z poziomu dysz oraz z garu, można wyciągnąć wniosek, że reaktywność i wytrzymałość mechaniczna koksu ulega niewielkim zmianom podczas przejścia od gardzieli do spadków wielkiego pieca. Dopiero od tego poziomu następuje bardzo gwałtowny wzrost reaktywności i spadek wytrzymałości mechanicznej [11 27, 52, ]. Dolna część szybu wielkiego pieca jest strefą, w której rozpoczyna się silna degradacja koksu na skutek jego zgazowania w wysokich temperaturach, a więc średnia wielkość ziaren koksu w tej strefie maleje. Dzieje się tak m.in. wskutek utleniania węgla w koksie tlenem z dwutlenku węgla w wyniku reakcji Boudouarda. W reakcji zgazowania uczestniczy (intensywniej niż CO 2 ) para wodna, co ma znaczenie w przypadku wdmuchiwania węglowodorów do pieca. Struktura kawałków koksu nie jest jednorodna. Obok porowatości i szczelinowatości także nierówności powierzchni kawałków koksu powodują jego pęknięcia. Utlenianie w rejonie poszczególnych pęknięć kawałków koksu powoduje, że ścianki między nimi stają się coraz cieńsze i słabsze, łatwo mogą się złamać lub wykruszyć. Również zróżnicowany skład petrograficzny węgla, z którego wyprodukowano koks powoduje, że pewne miejsca na powierzchni kawałka koksu szybciej ulegają utlenianiu, a inne wolniej. Te czynniki są przyczyną tworzenia na powierzchni koksu struktury podobnej do szczotki. Efekt ten zaobserwowano podczas badań utleniania dwutlenkiem węgla w temperaturze 1100 o C kulek koksu o średnicy 20 mm wykonanych przez Nishi i współpracowników [12]. Te badania pozwoliły Nishi na przedstawienie modelu utleniania koksu (rys. 15).

32 32 Marian Niesler Rys. 15. Model utleniania koksu [12] Z badań tych wynika, że w czasie utleniania znika całkowicie warstwa A. Znajdująca się pod nią warstwa B jest nierówną powierzchnią reakcji, łatwościeralną szczotką. Pod tą warstwą znajduje się strefa C, która nie ma bezpośredniego kontaktu z tlenem. W swych badaniach Nishi i współpracownicy stwierdzili, że strefa osłabiona ma grubość między 1 a 3 mm. Im większa jest reaktywność koksu, tym na ogół grubsza jest warstwa B. Można przypuszczać, że koks którego strefa B jest gruba, jest gorszy, bowiem podczas ruchu tworzyw ściera się i powstaje pył koksowy. Pył ten może unosić się z gazem powodując straty koksu. Część pyłu zatrzymana przez znajdujący się wyżej wsad (jako warstwa filtracyjna) pogarsza przewiewność słupa wsadu, a mieszając się z żużlem powiększa jego lepkość (rys. 16) [103]. Rys. 16. Wpływ pyłu koksowego na lepkość żużla [103] Wpływ na stopień poszczególnych rodzajów redukcji oraz stopnie wykorzystania reduktorów gazowych odgrywa głównie aerodynamika przepływu gazów i zdolność do oddawania tlenu przez wsad, określana mianem redukcyjności. Redukcyjność wsadu w warunkach organizacji produkcji każdej

33 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 33 huty nie jest możliwa do określenia w sposób ciągły. Jednakże przy zmianach wsadu należałoby tę wielkość określać w laboratoriach obowiązującymi metodami. Niekiedy zastępuje się tę wielkość stopniem utlenienia wsadu, który na bieżąco można obliczać znając masę i skład chemiczny tworzyw. Za najbardziej redukcyjny określa się wsad złożony z czystego hematytu (Fe 2 O 3 ), którego stopień utlenienia wynosi 1,5. Jest to wartość maksymalna. Dużo mniej redukcyjne są magnetyty (Fe 3 O 4 ) i wistyt (FeO 1,05 ) co w efekcie pogarsza przebieg redukcji i zwiększa udział paliwochłonnej redukcji bezpośredniej. Główny nacisk jak dotąd był położony na poprawę redukcyjności wsadu i na taki przepływ gazów przez piec, który pozwalałby na optymalny kontakt reduktorów gazowych ze wsadem. Znikoma natomiast ilość prac uwzględniała zagadnienia powstawania reduktora gazowego jakim jest CO oraz jego odtwarzania poprzez procesy oddziaływania CO 2 na węgiel powyżej strefy rezerwy chemicznej. Zagadnienie odtwarzania reduktora CO jest ściśle związane z właściwościami koksu, a głównie z jego reaktywnością. Reaktywność jak dotąd w niewielu opracowaniach była traktowana jako czynnik wpływający na przebieg procesów redukcji i na udział poszczególnych rodzajów redukcji w procesie. Warunkiem uzyskania w procesie wielkopiecowym jak najmniejszego zapotrzebowania na koks, jest optymalny udział reakcji redukcji bezpośredniej i pośredniej w wielkim piecu. Nadmierny udział reakcji redukcji bezpośredniej jest niekorzystny ze względu na jej endotermiczny charakter, natomiast nadmierny udział reakcji redukcji pośredniej wymaga nadmiaru gazu redukcyjnego CO w stosunku do potrzeb, dla uzyskania ilości ciepła wystarczającej do przeprowadzenia redukcji i stopienia surówki i żużla. Wynika z tego, że kontrolowany rozwój reakcji redukcji pośredniej i bezpośredniej może pozwolić na obniżenie zużycia paliwa w wielkim piecu. W praktyce możliwości regulacji stopnia odniesienia reakcji redukcji pośredniej i bezpośredniej w wielkim piecu można realizować poprzez zmianę parametrów mających wpływ na intensyfikację rozwoju jednej lub drugiej reakcji redukcji jak np. reaktywności koksu. W Kombinacie Metalurgicznym w Komunarsku badano wpływ zmian reaktywności koksu na pracę wielkiego pieca. Zastosowano koks o mniejszej reaktywności w stosunku do koksu wcześniej stosowanego [ ]. Warunki pracy w okresach badawczych były podobne. Badania prowadzono w wielkim piecu o objętości użytecznej 3000 m 3. Przy zastosowaniu mniej reaktywnego koksu całkowite zużycie paliwa zmniejszyło się z 605 do 597 kg/mg sur., czyli o 1,3%. Wzrosło również wykorzystanie CO o 4,3%. Analogiczne próby prowadzono w Zakładzie Kriworożstal na wielkim piecu o objętości 2000 m 3 [105, 106]. W czasie prób stosowano koks o reaktywności wyższej w stosunku do okresu bazowego o 8%. Po tej zmianie zużycie koksu zwiększyło się o 1%, a wydajność produkcyjna minimalnie się zmniejszyła. Zmiany te tłumaczono pogorszeniem się warunków cieplnych pieca przy sto-

34 34 Marian Niesler sowaniu bardziej reaktywnego koksu. Potwierdzeniem tego jest obniżenie zawartości krzemu w surówce wraz ze wzrostem reaktywności koksu (rys 17). Rys. 17. Zależność zawartości krzemu w surówce od reaktywności koksu [106] W Żdanowskim Kombinacie Metalurgicznym przeprowadzono badania wpływu zmian reaktywności koksu skipowego, na pracę wielkiego pieca [108, 109]. W wyniku zastosowania koksu o wyższej reaktywności wzrosło zużycie koksu oraz jednocześnie obniżyła się wydajność produkcyjna (rys. 18). Rys. 18. Zależność zużycia koksu i wydajności produkcyjnej od reaktywności koksu [108] W Japonii, w Hucie Sakai, poprzez zastąpienie części koksu wielkopiecowego, drobnoziarnistym bardziej reaktywnym koksem, jego zużycie w wielkim piecu nr 2 obniżyło się o ok. 5 kg/mg sur. [11]. Było to wynikiem poprawy stopnia wykorzystania energii cieplnej i chemicznej gazu wielkopiecowego, dzięki rozszerzeniu strefy redukcji pośredniej oraz zwiększenia powierzchni kontaktu (przy mieszanym systemie załadunku), pomiędzy kawałkami redukowanej rudy a gazem powstającym ze zgazowania kawałków koksu wymieszanych z rudą. Wyniki te potwierdziły badania krajowe [45, 52]. W ArcelorMittal S.A. Oddział w Dąbrowie Górniczej wprowadzono do wielkiego pieca koks-orzech II o średniej reaktywności większej niż koks skipo-

35 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 35 wy. W wyniku długotrwałych prób przemysłowych stwierdzono bezpośrednie zależności pomiędzy jednostkowym zużyciem koksu-orzecha II, a stopniami redukcji bezpośredniej i pośredniej. Stopnie redukcji określane były przy pomocy uproszczonego modelu matematycznego dla praktycznego określania stopni redukcji bezpośredniej i pośredniej w wielkim piecu, opracowanego przez zespół Benesch, Łędzki, Kopeć [110]. Określone za pomocą modelu stopnie redukcji przedstawiają się następująco: R b = 27,36 0,095Z orz (7) R CO = 61,82 + 0,042Z orz (8) gdzie: R b udział redukcji bezpośredniej,% R CO udział redukcji pośredniej,% Z orz jednostkowe zużycie koksu-orzech II w stanie naturalnym (mokrym), kg/mg sur. Z równań tych wynika, że ze wzrostem ilości wprowadzonego koksu drobnoziarnistego (koks-orzech II) obniża się stopień endotermicznej reakcji redukcji bezpośredniej a zwiększa stopień redukcji pośredniej w wielkim piecu. Potwierdzeniem tego jest zależność uzyskana na podstawie prób przemysłowych [45, 52]: Z pal = 548,15 0,90R CO (9) gdzie: Z pal zużycie paliwa, kg/mg sur Spowodowane to jest zastąpieniem części koksu wielkopiecowego bardziej reaktywnym, ze względu na większą powierzchnię właściwą, koksem drobnoziarnistym. Należy jednak wspomnieć, że istnieją granice wzrostu reaktywności koksu ze zmniejszaniem się średniej wielkości ziarna. Świadczą o tym badania wykazujące, że wprowadzenie bardzo drobnej frakcji koksu w postaci osobnej warstwy i o szerokim zakresie ziarnistości, może powodować efekt odwrotny od zamierzonego, bowiem najdrobniejsza frakcja, zatykając przestrzenie międzyziarnowe w warstwie może utrudniać przepływ strumieni gazu przez tę warstwę, eliminując możliwość zwiększenia reaktywności tego koksu, wynikającej z jego zwiększonej powierzchni reakcji [47, 91]. Podobne badania zostały przeprowadzone przez autora [48, 52], których celem było określenie wpływu właściwości koksu na podstawowe parametry i warunki pracy wielkiego pieca. Analizę przeprowadzono w oparciu o dane z prób przemysłowych, prowadzenia procesu wielkopiecowego z udziałem sortymentów koksu o zróżnicowanym uziarnieniu. Do wielkiego pieca podawany był koks wielkopiecowy z jednoczesnym udziałem koksu orzech II i koksu groszku.

36 36 Marian Niesler Na rys. 19 przedstawiono zależność szybkości ubytku masy koksu V m od jednostkowego zużycia drobnych sortymentów koksu (orzech II + groszek), w przeliczeniu na stan suchy. Rys. 19. Zależność jednostkowego zużycia drobnoziarnistych sortymentów koksu (orzech II i groszek), od szybkości ubytku masy koksu V m [52] Równanie regresji tej krzywej ma postać: Z orz.ii+gr. = 0,006V m + 12,33 (10) gdzie: Z orz.ii+gr. jednostkowe sumaryczne zużycie koksu orzech II i koksu groszku, kg/mg sur. V m szybkość ubytku masy koksu, %/min. Stwierdzono, że zwiększenie zużycia drobnoziarnistych sortymentów koksu (orzech II + groszek) powoduje wzrost szybkości ubytku masy koksu. Na rys. 20 przedstawiono zależność jednostkowego zużycia koksu skipowego, w przeliczeniu na stan suchy, od szybkości ubytku masy koksu. Rys. 20. Zależność jednostkowego zużycia koksu skipowego od wskaźnika procentowej szybkości ubytku masy koksu V m [52]

37 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 37 Równanie regresji tej krzywej ma postać: 2 Zskipowy = 1983, 4Vm Vm (11) gdzie: Z skipowy jednostkowe zużycie koksu skipowego (w stanie suchym), kg/mg surówki V m szybkość ubytku masy koksu, %/min Ze wzrostem szybkości ubytku masy koksu do określonej wartości maleje zużycie koksu skipowego, natomiast po przekroczeniu tej wartości zużycie koksu skipowego w wielkim piecu może wzrastać (rys. 20). Oznacza to, że istnieje pewna granica szybkości ubytku masy koksu, której przekroczenie może prowadzić do zwiększonego jednostkowego zużycia koksu skipowego w wielkim piecu. Dla warunków wielkiego pieca 2002 m 3 granica ta wynosi około 12,66%/ min. Wynika z tego, że istnieje pewien optymalny zakres stosowania drobnoziarnistych sortymentów koksu jako zamienników części koksu wielkopiecowego, którego przekroczenie może prowadzić do zwiększonego jednostkowego zużycia paliwa w wielkim piecu. Dla warunków pracy tego wielkiego pieca zakres ten to kg drobnoziarnistych sortymentów koksu na Mg surówki. Z charakteru krzywej przedstawionej na rys. 21, przedstawiającej kształtowanie się zależności pomiędzy stopniem wykorzystania energii chemicznej gazu wielkopiecowego (η CO ), określana wskaźnikiem: CO2 h CO = $ 100% (12) CO + CO a wskaźnikiem szybkości ubytku masy koksu wynika, że wzrost szybkości ubytku masy koksu powoduje początkowo wzrost stopnia wykorzystania energii chemicznej gazu wielkopiecowego, a po przekroczeniu szybkości ubytku masy koksu wynoszącej około 12,66%/h, stopień wykorzystania energii chemicznej gazu wielkopiecowego maleje. 2 Rys. 21. Zależność wskaźnika wykorzystania energii chemicznej gazu wielkopiecowego CO, od wskaźnika procentowej szybkości ubytku masy koksu V m [52]

38 38 Marian Niesler Równanie regresji tej krzywej ma postać: 2 h =-68, 258V -1729, 7V (13) CO m m gdzie: CO wskaźnik wykorzystania energii chemicznej gazu wielkopiecowego, %, V m szybkość ubytku masy koksu, %/min Jak wynika z przedstawionej zależności, istnieje pewien optymalny zakres szybkości ubytku masy koksu, przy którym wykorzystanie energii chemicznej gazu wielkopiecowego jest najlepsze. Jako optymalny należy uznać zakres od 12,60 do 12,65 %/h, co odpowiada zużyciu od 40 do 50 kg drobnoziarnistych sortymentów koksu na Mg surówki, jako zamienników części koksu wielkopiecowego. Można więc stwierdzić, że zmniejszenie jednostkowego zużycia koksu, po wprowadzeniu drobnoziarnistych sortymentów koksu jako zamienników części koksu wielkopiecowego, wynika także z poprawy stopnia wykorzystania energii chemicznej gazu wielkopiecowego. Można zatem stwierdzić, że zastosowanie drobnoziarnistych sortymentów koksu w określonej ilości i w określony sposób, nie wpłynęło na pogorszenie warunków pracy, zwłaszcza przewiewności wsadu i wydajności. Wpłynąło natomiast korzystnie na poprawę stopnia wykorzystania energii chemicznej gazu wielkopiecowego i związane z tym obniżenie zużycia koksu. Według danych literaturowych [93 95], zużycie koksu zmniejsza się kosztem ograniczenia redukcji bezpośredniej dzięki poprawie wykorzystania energii cieplnej i chemicznej (redukcyjnej) w wielkim piecu. Reaktywność koksu ma wpływ na zużycie koksu, jednak wpływ ten może być różny w różnych warunkach wsadowych. Z powyższych danych wynika, że zagadnienie jakości koksu pod względem reaktywności nie jest jednoznacznie rozstrzygnięte. Jednak właściwy pogląd na wpływ reaktywności koksu na jego przydatność można wyrazić jedynie na podstawie wyników praktycznych [ ].

39 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym OGÓLNE ASPEKTY STOSOWANIA KOKSU O OBNIŻONEJ ZIARNISTOŚCI JAKO ZAMIENNIKA CZĘŚCI KOKSU PODSTAWOWEGO W ŚWIETLE DOŚWIADCZEŃ ŚWIATOWYCH I KRAJOWYCH Począwszy od lat sześćdziesiątych dwudziestego wieku szybko rozwijały się metody regulacji rozkładu materiałów wsadowych w wielkim piecu, wskutek udoskonalenia pracy urządzeń załadowczych (np. bezstożkowe aparaty zasypowe, pancerz ochronny gardzieli z regulowaną średnicą), opracowaniu sond do badania warunków pracy pieca oraz dzięki teoretycznej analizie procesu z zastosowaniem modeli matematycznych i fizycznych [11]. Ze względu na koszty i jakość wyprodukowanej surówki bardzo ważna jest równomierna praca wielkiego pieca. Przez odpowiednią regulację rozkładu materiałów wsadowych i rozkładu strumieni gazu w wielkim piecu można było spełnić te wymagania. Rozkład materiałów wsadowych w gardzieli wielkiego pieca jest najważniejszą operacją, wymagającą regulacji w normalnej pracy wielkiego pieca. Nierównomierny ale ściśle zamierzony rozkład materiałów wsadowych powoduje ściśle zamierzony i kontrolowany przepływ gazu wielkopiecowego, co stanowi o optymalnych warunkach procesu. Regulacja rozkładu materiałów wsadowych ma więc podstawowe znaczenie. W określonych okolicznościach należy przystosować profil materiałów wsadowych do warunków pracy wielkiego pieca i uwzględnić nieuniknione zmiany ich właściwości w wielkim piecu. Nie wystarczy więc tylko równomiernie załadować wielki piec tworzywami wsadowymi, lecz należy również zadbać o optymalny profil wsadu, aby zabezpieczyć przepływ gazu w osi pieca i utrzymać reaktywność w dolnej jego części. Regulację rozkładu wsadu przeprowadza się za pomocą aparatu zasypowego, umożliwiającego uzyskanie optymalnego profilu materiałów wsadowych. Na rys. 22 przedstawiono regulację rozkładu wsadu w powiązaniu z ogólną regulacją procesu wielkopiecowego. Tworzywa metalurgiczne, ładowane bliżej obmurza wielkiego pieca, staczają się w kierunku osi pieca zależnie od kąta zsypu. Podczas staczania się materiału w kierunku osi pieca, następuje ich segregacja na różne frakcje ziarnowe. Frakcja drobnoziarnista pozostaje w miejscu załadunku w pobliżu obmurza, a frakcja grubsza, w czasie staczania się w kierunku osi pieca, zgodnie ze zjawiskiem grawitacji, osadza się bliżej osi pieca. Na rys. 23 przedstawiono schemat załadunku materiałów wsadowych do wielkiego pieca. W zależności od sposobu zsypu tworzyw z aparatu zasypowego zachodzi segregacja według rodzaju i wielkości ziaren materiałów wsadowych. Na rys. 24 przedstawiono schematycznie rozkład tworzyw żelazonośnych i koksu oraz charakterystyczne profile warstw, zależnie od tego, czy warstwa koksu zapada się, gdy tworzywo żelazonośne ładuje się po koksie, albo też, czy koks odsuwa się od obmurza pieca.

40 40 Marian Niesler Rys. 22. Schemat regulacji procesu wielkopiecowego łącznie z regulacją wsadu [11] Rys. 23. Segregacja uziarnienia materiałów wsadowych w wielkim piecu [11]

41 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 41 Rys. 24. Tworzenie się profilu rozkładu wsadu [11] Standardowo do wielkiego pieca ładuje się tylko koks gruboziarnisty, aby zapewnić odpowiednią przewiewność wzdłuż wysokości pieca i ustabilizować proces wielkopiecowy. Jeśli zamierza się ładować do pieca koks drobnoziarnisty, wówczas należy podjąć kroki, aby nie dopuścić do pogorszenia przewiewności, albo specjalnie dopuścić i realizować świadomie pogorszenie się przewiewności wsadu w ustalonych przez nas rejonach pieca. Na rys. 25 przedstawiono przykładowo uzyskane zależności między zużyciem koksu drobnoziarnistego, a całkowitym zużyciem koksu, określone dla wielkich pieców Hirohata i Yawata Kukioka [11]. Z rysunku tego wynika, że zastąpienie części koksu kawałkowego tańszym koksem o obniżonej ziarnistości, obniża sumaryczne zużycie koksu. Rys. 25. Zależność między zużyciem koksu drobnoziarnistego, a całkowitym zużyciem koksu [11]

42 42 Marian Niesler W wielkim piecu nr 1 w Kobe zastosowano aż 100% koksu drobnoziarnistego. Na rys. 26 przedstawiono zmiany wielkości ziaren wzdłuż wysokości wielkiego pieca przy pracy na wsadzie ze 100% udziałem koksu drobnoziarnistego (średnia wielkość ziarna ok. 20 mm) oraz przy pracy na koksie kawałkowym ( średnia wielkość ziarna ok. 40 mm) [27]. Z rysunku tego wynika, że procent zmniejszania się wielkości ziaren zastosowanego koksu drobnoziarnistego w części szybu jest niezwykle mały, a wielkość ziaren tego koksu w rejonie dysz jest niemal taka sama jak dla koksu kawałkowego. Rys. 26. Porównanie zmian wielkości ziaren koksu wzdłuż wysokości wielkiego pieca przy pracy na wsadzie ze 100% udziałem koksu drobnoziarnistego i przy pracy na koksie kawałkowym [27] Przeprowadzone badania wykazały, że praca wielkiego pieca z udziałem 100% koksu drobnoziarnistego jest wprawdzie możliwa, lecz zbyt duży udział tego koksu wpływa niekorzystnie na przewiewność wsadu w wielkim piecu, zwłaszcza w wyższych strefach pieca. Utrudnia spływanie surówki i żużla i tym samym utrzymanie odpowiednich warunków termicznych i warunków pracy pieca, co prowadzi w konsekwencji do zwiększonego zużycia koksu i obniżenia wydajności produkcyjnej wielkiego pieca. Do czynników, które ograniczają użycie drobnoziarnistego koksu należy zaliczyć: przejście drobnych cząstek koksu do żużla i dezaktywację martwego słupa materiałów wsadowych. Według danych japońskich minimalna wielkość cząstek koksu stosowanego w wielkim piecu nie może być mniejsza niż 6 mm, a ilość do 50 kg/mg surówki. Współczynnik zamiany koksu wielkopiecowego na koks drobnoziarnisty ocenia się na 0,8 1,2. Oznacza to, że każdy kilogram drobnoziarnistego koksu zastępuje 0,8 1,2 kg koksu wielkopiecowego [11 27].

43 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 43 Do ciekawszych przykładów stosowania drobnoziarnistych sortymentów koksu w wielkim piecu, celem obniżenia kosztów produkcji surówki, należą opracowane i wdrożone w Japonii systemy załadunku. Systemy te to: system oddzielnego załadunku dwóch frakcji ziarnowych koksu oraz system mieszanego załadunku drobnoziarnistego koksu z rudami. Ogólne założenia tych systemów załadunku przedstawiono w następnych rozdziałach tego opracowania [11 27] SELEKTYWNY ZASYP DO WIELKIEGO PIECA RÓŻNYCH KLAS ZIARNOWYCH KOKSU WIELKOPIECOWEGO Selektywne wprowadzanie do wielkiego pieca zawężonych klas ziarnowych materiałów wsadowych daje następujące korzyści: umożliwia podawanie różnych klas ziarnowych danego tworzywa w różne miejsca na przekroju wielkiego pieca, zawęża zakres uziarnienia warstwy wsadu w odpowiednim usytuowaniu radialnym, co przyczynia się do bardziej równomiernego przepływu gazu, zwiększa udział wolnych przestrzeni, co poprawia przewiewność warstwy wsadu, zmniejsza wymagania co do dolnej granicznej wielkości ziaren materiałów wsadowych, wskutek poprawy przewiewności warstw wsadu, zapobiega segregacji uziarnienia materiałów wsadowych w urządzeniu zasypowym i poprawia trwałość warstwy wsadu dzięki zmniejszeniu wahań uziarnienia, umożliwia wprowadzenie do wielkiego pieca mieszaniny koksu z tworzywami żelazonośnymi z uwzględnieniem różnych klas ziarnowych, Sprzyja to poprawie warunków pracy wielkiego pieca i związanego z tym obniżenia jednostkowego zużycia paliwa. Z technologicznego punktu widzenia, selektywny zasyp polega na wprowadzaniu do wielkiego pieca oddzielnie dwóch zawężonych klas ziarnowych koksu wyselekcjonowanych (przesianych) np. z koksu wielkopiecowego. Wskazane jest ładowanie koksu o mniejszej średnicy ziarna w pobliżu obmurza pieca, a koksu o większej średnicy w kierunku osi pieca. Koks o mniejszej średnicy ziarna, ładowany między warstwami rudy w pobliżu obmurza pieca, może być użyty bez obawy o oddziaływanie na przewiewność i spalanie koksu przed dyszami. Zdolność topnienia nasady strefy kohezji może ulec poprawie. Równocześnie poprawia się przepływ gazów w osi pieca. Do martwego słupa materiałów, który umiejscowiony jest w dolnej części pieca, wprowadzany jest więc koks o większym uziarnieniu, przez co poprawia się przewiewność wsadu w tym rejonie. Na rys. 27 przedstawiono wyniki badań zakładających, że rozkład strumieni surówki i żużla w martwym słupie zależy w dużym stopniu od wielkości

44 44 Marian Niesler cząstek koksu w tym słupie, a także że koks ładowany w osi pieca przechodzi do martwego słupa wsadu. Oddzielne ładowanie koksu o dwojakim uziarnieniu, może więc przyczynić się do poprawy warunków przepływu gazów i rozkładu strumieni ciekłego żużla i surówki w wielkim piecu [11]. Rys. 27. Średnica cząstek koksu w martwym słupie materiałów oraz rozkład strumieni ciekłego żużla i surówki (model przepływu ciekłych materiałów) [11] Korzystając z modelowania fizycznego i matematycznego procesu załadunku wielkiego pieca zaproponowano w Japonii dwa systemy załadunku koksu (rys. 28). Typ A KOKS gruby KOKS drobny KOKS gruby Typ B SPIEK gruby SPIEK drobny SPIEK gruby Metoda załadunku koksu drobnoziarnistego między warstwami koksu gruboziarnistego przy obmurzu pieca (Typ A) umożliwiła wykorzystanie tego sortymentu koksu bez większych zagrożeń dla równomiernej pracy wielkiego pieca. Nie stwierdzono wzrostu ilości miału koksowego w strefie dysz. W metodzie zasypu drobnoziarnistego koksu między warstwami spieku przy obmurzu (Typ B) chodziło o uaktywnienie nasady strefy kohezji. Przy stosowaniu tej metody stosunek grubości warstwy spieku do koksu maleje, a szybkość przepływu gazu zwiększa się w osi pieca. Wskaźnik schodzenia wsadu znacznie się poprawia, dzięki czemu osiągnięto równomierny przebieg procesu wielkopiecowego. Równomierna praca pieca umożliwiła obniżenie i wyrównanie zawartości krzemu w surówce.

45 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 45 Rys. 28. Porównanie metod typu A i B oddzielnego załadunku dwóch frakcji ziarnowych koksu [11] Na podstawie badań prowadzonych w Instytucie Metalurgii Żelaza w Gliwicach określono, że przy uwzględnieniu selektywnego wprowadzania do wielkiego pieca zawężonych klas ziarnowych koksu wielkopiecowego, koks ten powinien być wprowadzany oddzielnie w klasach ziarnowych powyżej 40 mm i od 25 do 40 mm [28 53] SYSTEMY ZAŁADUNKU MIESZANIN DROBNOZIARNISTYCH SORTYMENTÓW KOKSU I TWORZYW ŻELAZONOŚNYCH Innym systemem załadunku wielkiego pieca, umożliwiającym wprowadzanie surowców i paliw o mniejszym uziarnieniu jest system mieszanego załadunku koksu z rudami, który zapewnia poprawę stopnia wykorzystania energii chemicznej gazu wielkopiecowego [11 27, 75 78, 81 90].

46 46 Marian Niesler Dla przeciwdziałania pogorszeniu przewiewności wsadu w wielkim piecu ważne jest aby stosowany skład ziarnowy mieszanej warstwy był tak dobrany, aby wielkość ziaren koksu d p koks nie była mniejsza od wielkości ziaren rudy d p ruda, przy zawężonym zakresie wielkości tych ziaren (rys. 29) [11]. d p koks wielkość ziarna koksu, d p ruda wielkość ziarna rudy, d p mix wielkość ziarna mieszaniny koksu i rudy Rys. 29. Opór przepływu gazu w mieszanej warstwie koksu i rudy w zależności od uziarnienia średnioziarnistego koksu [11] Jak wykazały liczne badania [11 27, 52] drobnoziarnisty koks, zasypywany w mieszaninie z rudą, stwarza korzystne warunki do przebiegu reakcji redukcji rudy gdyż powierzchnia styku koksu i rudy w tym przypadku jest większa niż w klasycznym systemie załadunku. W związku z większą reaktywnością drobnego koksu z uwagi na większą jego powierzchnię właściwą, intensyfikuje się reakcja zgazowania tego koksu, a reakcja zgazowania koksu kawałkowego grubszego, ładowanego w oddzielnych warstwach jest opóźniona. Reakcja zgazowania koksu wielkopiecowego jest w tym przypadku więc ograniczona, a koks drobnoziarnisty ulega wcześniej zgazowaniu. Dzięki temu ilość drobnego koksu w strefie topienia się nie powiększa. Z wielu badań wynika, że ze zmniejszeniem średnicy kawałków koksu szybkość utleniania węgla zwiększa się odwrotnie proporcjonalnie do średnicy ziaren [11, 28, 52]. Ponieważ zgazowanie szybko obniża wytrzymałość koksu i sprzyja powstawaniu dużej ilości miału, wprowadzenie drobnoziarnistego koksu w mieszance z rudą może stanowić swego rodzaju ochronę oddzielnie ładowanego koksu

47 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 47 kawałkowego w związku z jego ograniczoną gazyfikacją w tym przypadku. Przy takich warunkach utlenianie przebiega na znacznej części powierzchni wewnętrznych, utworzonych przez pory o promieniach ponad 100 μm, których sumaryczne wymiary są kilkaset razy większe od wymiarów zewnętrznej powierzchni kawałków koksu. Stosując mieszany załadunek należy zapewnić jak najlepsze wymieszanie rudy, koksu i niedopuszczenie do staczania się drobnoziarnistego koksu w kierunku osi pieca. Wprowadzenie drobnoziarnistych sortymentów koksu do wielkiego pieca w mieszaninie z tworzywami żelazonośnymi winno korzystnie wpływać na warunki redukcji m.in. krzemu w wielkim piecu. Rozszerza się strefa redukcji pośredniej w wielkim piecu w kierunku niższych temperatur, dzięki zwiększonej reakcyjności oddzielnie wprowadzanego (względem podstawowego koksu wielkopiecowego) drobnoziarnistego koksu, a więc o bardziej rozwiniętej powierzchni reakcji. Koks drobnoziarnisty styka się ściśle z rudą w warstwie mieszanej i ponieważ powierzchnia styku jest duża, intensyfikuje się reakcja zgazowania tego koksu, natomiast reakcja zgazowania koksu kawałkowego, ładowanego w oddzielnych warstwach jest opóźniona. Reakcja zgazowania koksu kawałkowego jest ograniczona i dlatego nie rośnie udział koksu drobnoziarnistego schodzącego do strefy topienia. Jak już wcześniej wspomniano, zaletą drobnoziarnistych sortymentów koksu jest jego większa reaktywność w porównaniu do podstawowego koksu wielkopiecowego, wynikająca z jego większej powierzchni właściwej, ułatwiającej kontakt przepływających strumieni gazu z powierzchnią poszczególnych jego ziaren. Przy mieszanej warstwie poprawiają się warunki przepływu gazów w obszarze materiałów kawałkowych w wielkim piecu, co wynika z wyeliminowania powierzchni granicznej pomiędzy tworzywami żelazonośnymi a koksem, gdzie jak wykazują badania przewiewność jest najgorsza. Jest to szczególnie istotne przy mniejszych wielkościach ziarna, ponieważ opór przepływu gazu jest wtedy wyraźnie mniejszy niż przy tradycyjnym (oddzielnym) sposobie ładowania. Stosowanie mieszanej warstwy ma również wpływ na zachowanie się wsadu w wysokiej temperaturze, a także na zachowanie się składników żelazonośnych w obszarze strefy kohezji. W tym rejonie wskutek powstawania żużla pierwotnego i tworzenia się pierwszych ciekłych faz zmniejsza się silnie przewiewność wsadu. Istotne znaczenie ma tu więc redukcyjność rud, która wpływa w sposób decydujący na proces ich mięknięcia i topnienia. Przy niższych temperaturach (ok. 900 o C) nie ma istotnej różnicy w przebiegu redukcji między tradycyjnym sposobem ładowania a mieszanym systemem załadunku, natomiast w wyższych temperaturach (1250 o C) przy mieszanym systemie załadunku występują po tym samym czasie wyższe stopnie redukcji. Mieszany system załadunku stwarza możliwość przeciwdziałania negatywnym skutkom, wynikającym ze stosowania tworzyw żelazonośnych o mniejszej redukcyjności. Można przewidywać, że przy stosowaniu mieszanego sys-

48 48 Marian Niesler temu załadunku strefa kohezji w wielkim piecu ulega przesunięciu do strefy wyższych temperatur (niższych rejonów pieca), przez co zwiększa się zakres strefy suchej z równoczesnym zwiększeniem stopnia redukcji. Zawęża się też zakres przechodzenia materiałów wsadowych z postaci stałej do ciekłego metalu, zmniejsza się wielkość strefy kohezji i poprawia się przewiewność w tym rejonie. Może też nastąpić obniżenie zużycia paliwa. Ewentualne częściowe obniżenie przewiewności wsadu w strefie suchej, w wyniku zastosowania koksu o mniejszej wielkości ziarna nie musi oznaczać pogorszenia ogólnej przewiewności wsadu w wielkim piecu. Przewiewność może nawet poprawiać się poprzez ograniczenie oporu przepływu gazu w strefie nadtapiania i topienia, kiedy to warunki przewiewnościowe ulegają wyraźnemu pogorszeniu. Na rys. 30 przedstawiono wyniki pracy japońskiego wielkiego pieca w hucie Sakai, gdzie zastosowano mieszany załadunek wsadu [11 20]. Rys. 30. Zmiany wskaźników pracy wielkiego pieca w hucie Sakai po wprowadzeniu mieszanej warstwy średnioziarnistego koksu i rudy [11] Stopień zgazowania węgla zmniejszał się w miarę zwiększania ilości koksu drobnoziarnistego we wsadzie, przy czym wyraźnie wykazano wpływ mieszanej warstwy na poprawę wydajności produkcyjnej wielkiego pieca. Wielkość cząstek koksu pobranego na poziomie dysz wzrastała, co potwierdzało pozytywny wpływ mieszanej warstwy na poprawę pracy wielkiego pieca.

49 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym MOŻLIWOŚĆ STOSOWANIA KOKSIKU WE WSADZIE WIELKOPIECOWYM Jak już wcześniej wspomniano zaletą drobnoziarnistych sortymentów koksu jest jego większa reaktywność względem podstawowego koksu wielkopiecowego, wynikająca z jego większej powierzchni właściwej, ułatwiającej kontakt przepływających strumieni gazu z powierzchnią poszczególnych jego ziaren. Dotyczy to jednak określonych warunków wprowadzania drobnego koksu i określonego zakresu ziarnistości. Wprowadzenie bardzo drobnej frakcji koksu w postaci osobnej warstwy i o szerokim zakresie ziarnistości może bowiem powodować efekt odwrotny do zamierzonego. Najdrobniejsza bowiem frakcja, zatykając przestrzenie międzyziarnowe w warstwie może utrudniać przepływ strumieni gazu przez tę warstwę, eliminując możliwość zwiększenia reakcyjności tego koksu, wynikającej z jego zwiększonej powierzchni reakcji. Potwierdza to porównanie wyników badań reaktywności koksiku o uziarnieniu 1 3 mm oraz 6 10 mm w zakresie temperatur o C [ ]. Mimo, że w wyniku tych badań nie można stwierdzić bezpośredniej zależności między reaktywnościami koksiku o uziarnieniu 1 3 mm i 6 10 mm, to jednak na uwagę zasługuje fakt, że reaktywność koksiku o uziarnieniu 6 10 mm na ogół była w danej temperaturze wyższa w porównaniu z reaktywnością tego koksiku o uziarnieniu 1 3 mm. W przypadku koksiku z ZK Zdzieszowice dla danej temperatury reaktywność koksiku o uziarnieniu 6 10 mm była od 1,7 do 2,0 razy większa w porównaniu z reaktywnością koksiku o uziarnieniu 1 3 mm [ ]. Wynika z tego, że dla uzyskania zamierzonego efektu rozszerzenia zakresu redukcji pośredniej w wielkim piecu koksik, zwłaszcza w przypadku dużego w nim udziału frakcji najdrobniejszej, nie powinien być wprowadzany w postaci osobnej warstwy lecz w systemie mieszanej warstwie z wsadem żelazonośnym, o odpowiednio dobranym uziarnieniu. Taki mieszana warstwa może przynieść natomiast określone korzyści technologiczne, o czym mogą świadczyć badania [91, 92]. Przy mieszanej warstwie poprawiają się warunki przepływu gazów w obszarze materiałów kawałkowych w wielkim piecu, co wynika z wyeliminowania powierzchni granicznej pomiędzy tworzywami żelazonośnymi a koksem, gdzie przewiewność jest najgorsza. Jest to szczególnie istotne przy mniejszych wielkościach ziarna, ponieważ opór przepływu gazu jest wtedy mniejszy, niż przy tradycyjnym (oddzielnym) sposobie ładowania (rys. 31, 32) [91]. Na rys. 33 a,b przedstawiono wyniki badań wpływu wielkości ziarna koksiku, przy 30% udziale mieszanego systemu załadunku, na różnice między temperaturą żużla pierwotnego (TP), a temperaturą mięknięcia wsadu (TE), temperaturą topnienia wsadu (TM), a temperaturą żużla pierwotnego oraz

50 50 Marian Niesler Rys. 31. Wpływ stosunku wsad żelazonośny/koks na spadek ciśnienia w strefie suchej wielkiego pieca [91] Rys. 32. Wpływ wielkości ziarna wsadu na spadek ciśnienia w strefie suchej wielkiego pieca [91] temperaturą topnienia wsadu, a temperaturą nadtapiania (TA), dla określonych stopni redukcji [91]. Jak wynika z porównania mieszanej warstwy z udziałem koksiku o zakresie ziarnistości 1 5 mm i 5 10 mm, zachowanie się wsadu w wysokiej tempe-

51 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 51 a) b) Rys. 33. Wpływ wielkości ziarna koksiku i udzialu mieszanej warstwy na stopień redukcji [91]; a) koksik o ziarnistości 5 10 mm, b) koksik o ziarnistości 1 5 mm i 5 10 mm; TP temperatura żużla pierwotnego, TE temperatura mięknięcia wsadu, TM temperatura topnienia wsadu, TA temperatura nadtapiania wsadu raturze poprawia się ze zmniejszeniem wielkości ziarna koksiku. Powiększa się przy tym różnica między temperaturą żużla pierwotnego a temperaturą mięknięcia wsadu, natomiast różnica między temperaturą topnienia wsadu a temperaturą żużla pierwotnego oraz między temperaturą topnienia wsadu

52 52 Marian Niesler a temperaturą nadtapiania zmniejsza się. Interpretując wyniki stwierdzono [91], że wzrost temperatury pierwotnego żużla przypisać można podwyższeniu stopnia redukcji poprzez zwiększenie powierzchni reakcyjnej redukcji w wyniku mieszanego systemu załadunku koksiku. Szybciej przebiega też w tym przypadku reakcja Boudouarda. Wskutek wzrostu stopnia redukcji między 1200 a 1300 o C zmniejsza się ilość FeO, a tym samym opóźnia tworzenie się pierwotnego żużla. Różnica między temperaturą mięknięcia a temperaturą żużla pierwotnego, a więc w strefie temperatur, gdzie wzrost oporu przepływu gazu jest jeszcze niewielki, zwiększa się. Równocześnie jednak zmniejsza się różnica między temperaturą topnienia wsadu, a temperaturą pierwotnego żużla oraz między temperaturą topnienia wsadu, a temperaturą nadtapiania, dzięki czemu poprawia się przewiewność. Wskutek zwiększonej powierzchni styku, która ma miejsce przy zastosowaniu koksiku o uziarnieniu 1 5 mm wprowadzanego w mieszanej warstwie osiąga się wyższe stopnie redukcji. Można więc w ten sposób zrównoważyć skutki niekorzystnych warunków redukcyjnych niektórych stosowanych tworzyw. Dla przykładu można podać, że zachowanie się w wysokich temperaturach wsadu ze stopniem redukcji równym 40% i 30% udziałem mieszanego systemu załadunku odpowiada w przybliżeniu zachowaniu się wsadu ze stopniem redukcji równym 48% bez udziału mieszanego systemu załadunku. Mieszany system załadunku stwarza więc możliwość przeciwdziałania negatywnym skutkom wynikającym ze stosowania tworzyw żelazonośnych o mniejszej redukcyjności.

53 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym TEZA, CEL I ZAKRES PRACY Jak wynika z przeglądu literatury, identyfikacja zjawisk zachodzących w wielkim piecu przy stosowaniu drobnoziarnistych sortymentów koksu (koks orzech, koks groszek, koksik) jest problemem o dużym stopniu złożoności i trudności. Dotychczasowe badania przybliżają prawdopodobny mechanizm tych procesów i pozwalają na określenie pewnych związków praktycznych. Obecnie uważa się, że najbardziej prawdopodobnymi czynnikami limitującymi ilość wprowadzanych do wielkiego pieca sortymentów koksu mogą być: a) sposób zasypu drobnoziarnistych sortymentów koksu do wielkiego pieca, b) powierzchnia kontaktu tworzyw żelazonośnych i koksu, c) reaktywność poszczególnych sortymentów koksu, d) przewiewność wsadu. Wprowadzenie drobnoziarnistych sortymentów koksu do wielkiego pieca w mieszaninie z tworzywami żelazonośnymi winno korzystnie wpływać na warunki redukcji krzemu w wielkim piecu, ponieważ rozszerza się strefa redukcji pośredniej w wielkim piecu w kierunku niższych temperatur, dzięki zwiększonej reaktywności oddzielnie wprowadzanego (względem podstawowego koksu wielkopiecowego) drobnoziarnistego koksu, a więc o bardziej rozwiniętej powierzchni reakcji. Powierzchnia styku koksu drobnoziarnistego z rudą w warstwie mieszanej jest duża, w związku z czym intensyfikuje się reakcja zgazowania tego koksu, podczas gdy reakcja zgazowania koksu kawałkowego, ładowanego w oddzielnych warstwach jest opóźniona. Nie mniej istotnym a być może, że nawet ważniejszym czynnikiem, są względy ekonomiczne i wymagania w zakresie ochrony środowiska, wymuszające pełne wykorzystanie dostępnych paliw, nawet tych o teoretycznie niższych właściwościach eksploatacyjnych. Niebagatelne znaczenie mają wymagania stawiane przez dyrektywy Unii Europejskiej w zakresie ochrony środowiska, dotyczące emisji szkodliwych substancji do atmosfery, takich jak dwutlenek węgla, tlenki siarki i azotu, a także rtęci oraz dioksyn i furanów [1, ]. Sposoby osiągnięcia tak postawionych celów mogą być realizowane poprzez zdefiniowane w Dyrektywie 96/61/WE tzw. Dyrektywie IPPC (Integrated Pollution Prevention and Control) stosowanie tzw. Najlepszych Dostępnych Technik (BAT), do których należą m.in.: efektywne wykorzystanie energii, zapewnienie racjonalnego zużycia surowców i paliw jak również stosowanie technologii bezodpadowych. Wykorzystanie drobnoziarnistych sortymentów koksu w wielkim piecu doskonale wpisuje się w te cele. Biorąc pod uwagę współczesny stan wiedzy na temat stosowania drobnoziarnistych sortymentów koksu w wielkim piecu, jak również uwzględniając wyniki własnych badań w tym zakresie [47 73], postawiono następującą tezę:

54 54 Marian Niesler Zastosowanie drobnoziarnistych sortymentów koksu, jako zamiennika części koksu wielkopiecowego, wprowadzanych w odpowiednim systemie załadunku z tworzywami żelazonośnymi i w odpowiednio dobranej proporcji, zwiększa możliwość korzystnego kształtowania parametrów procesu wielkopiecowego. Dla potwierdzenia przyjętej tezy sformułowano cel poznawczy: Określenie wpływu zastosowania drobnoziarnistych sortymentów koksu (koks orzech, koks groszek, koksik) w różnych systemach załadunku (osobna warstwa i mieszana warstwa), jako zamiennika części koksu wielkopiecowego, na stopień redukcji, przewiewność i właściwości fizykochemiczne tworzyw żelazonośnych. oraz cel praktyczny: Opracowanie założeń procesowych technologii wprowadzania koksiku, jako zamiennika części pozostałych sortymentów koksu do wielkiego pieca. Podstawą niniejszej rozprawy są badania własne i prace wdrożeniowe w przemyśle. Niniejsza monografia została opracowana w całości na podstawie wyników własnych prac naukowo-badawczych i stanowi syntetyczne ujęcie wyników zamieszczonych w 25 pracach własnych wybranych spośród prac badawczych i wdrożeniowych opublikowanych w kraju i za granicą, głównie w ostatnim 10-leciu [47 73] oraz trzech projektów celowych [47, 49, 69].

55 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym DOŚWIADCZALNE OKREŚLENIE WPŁYWU ZIARNISTOŚCI KOKSU NA PRACĘ WIELKICH PIECÓW BADANIA WŁASNE Na podstawie danych zawartych w rozdziałach 2 i 3, celowe stało się podjęcie badań laboratoryjnych i ich weryfikacja praktyczna w zakresie zastosowania drobnoziarnistych sortymentów koksu jako zamiennika części koksu wielkopiecowego. Te badania własne objęły następujące zadania badawcze: Badania wpływu uziarnienia koksu na stopień redukcji różnych tworzyw żelazonośnych, Badania przewiewności wsadu wielkopiecowego, Badania rozpadu spieku, Badania właściwości termoplastycznych spieku, Analiza fazowa spieku, Badania reaktywności koksu, Opracowanie programu do obliczania bilansu cieplno-materiałowego wielkiego pieca z uwzględnieniem zastosowania w procesie drobnoziarnistych sortymentów koksu, Weryfikacja wyników badań laboratoryjnych w warunkach przemysłowych ArcelorMittal Poland S.A MATERIAŁY DO BADAŃ Badania przeprowadzono na próbkach przygotowanych ze spieku, odsiewu spieku, grudek połtawskich, rudy magnetytowej oraz koksu orzech II, koksu groszku i koksiku. Charakterystyki stosowanych tworzyw przedstawiono w tablicach 3 7. Tablica 3 Charakterystyka tworzyw żelazonośnych zastosowanych w badaniach Tworzywo Fe całkowite % mas. FeO % mas. Spiek 1 z AMP S.A. O. Dąbrowa Górnicza (Etap I VI) 57,73 5,75 Spiek 2 z AMP S.A. O. Dąbrowa Górnicza (Etap VII X) 59,56 13,88 Odsiew spieku z AMP S.A. O. Dąbrowa Górnicza 57,19 4,83 Grudki połtawskie 62,44 2,31 Ruda krzyworoska magnetytowa 48,66 15,54

56 56 Marian Niesler Charakterystyka koksów zastosowanych w badaniach Tablica 4 Rodzaj koksu Skład koksu, % mas. H 2 O S C Części lotne Popiół Koks wielkopiecowy 3,8 0,7 88,4 0,8 9,6 Koks orzech II 9,9 0,67 88,4 0,9 9,2 Koks groszek 11,2 0,67 87,7 1,1 10,1 Koksik 15,4 0,7 85,8 1,9 10, METODYKA BADAŃ I APARATURA BADAWCZA Badania wpływu uziarnienia koksu na stopień redukcji różnych tworzyw żelazonośnych Zastosowana metoda badawcza pozwalała na określenie stopnia redukcji tworzyw żelazonośnych o różnej średniej wielkości ziarna za pomocą gazu redukcyjnego, powstającego ze zgazowania dwutlenkiem węgla koksu lub mieszaniny koksów o różnej ziarnistości, w zależności od systemu załadunku sortymentów koksu z tworzywami żelazonośnymi. Badania przeprowadzono w retorcie z blachy żaroodpornej, w której umieszczono próbki tworzywa żelazonośnego i koksu na dwa sposoby w osobnej warstwie lub w mieszanej warstwie (rys. 34). Próbki redukowanego tworzywa (spiek, odsiew spieku, grudki, ruda) o masie 300 g oraz próbki określonego sortymentu koksu (koks orzech II, koks groszek, koksik) o masie 100 g, przed umieszczeniem w retorcie wysuszono w suszarce w temperaturze o C przez okres 480 min. Rys. 34. Sposoby umieszczania próbki w retorcie; A osobna warstwa redukowanego tworzywa i koksu; B mieszana warstwa redukowanego tworzywa z koksem W przypadku stosowania osobnej warstwy na dno retorty kładziono próbkę koksu, a dopiero na tak sformowaną warstwę kładziono próbkę redukowa-

57 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 57 Tablica 5 Zestawienie średnich zawartości wody, wyników analiz ziarnowych i ciężarów nasypowych próbek koksiku z różnych koksowni Koksownia Zaw. H 2 O, % <1 mm 1 2 mm Analiza ziarnowa koksiku, udział % Ciężar nasypowy, kg/m mm 3 4 mm 4 5 mm 5 6 mm 6 8 mm 8 10 mm >10 mm (stan suchy) Średnie ziarno, mm ZK Zdzieszowice 13,0 33,7 18,2 11,8 9,9 6,5 4,8 6,3 3,9 4,9 633,6 3,0 K. Przyjaźń 0,4 23,6 14,9 12,1 10,5 6,6 6,2 12,3 11,7 2,1 556,8 3,8 ISD Częstochowa 3,4 31,3 9,7 13,4 5,2 10,1 8,6 7,1 6,0 8,6 587,5 3,7 AMP O. Kraków odsiew z w.pieców AMP O. Kraków 8,1 7,1 2,0 1,0 2,8 3,2 3,7 6,3 9,1 64,9 586,2 13,2 14,8 29,8 14,0 8,0 16,8 13,3 7,6 6,4 3,7 0,4 532,5 3 Wyniki analizy ziarnowej badanych tworzyw żelazonośnych i sortymentów koksu Tablica 6 Zakres ziarnistości, mm Spiek Odsiew spieku Grudki połtawskie Udział poszczególnych frakcji, % Ruda magnetytowa Koks orzech Koks groszek Koksik > 60 8, , , , , , , ,3 20, , ,6 23, , ,4 39,72 6, ,04-27,9 9,2 11,35 31, ,18-72,1 10,8 1,42 21,00 -

58 58 Marian Niesler Tablica 6 cd. Zakres ziarnistości, mm Spiek Odsiew spieku Grudki połtawskie Udział poszczególnych frakcji, % Ruda magnetytowa Koks orzech Koks groszek Koksik , ,1 0,71 13,48-6,3 8 16,60 1,94-1,9-6,44 18,25 4 6,3-18,02-1,3-6,44 14, ,27-0,1-1,07 18,25 <3-69,77-6,8-13,48 49,04 Wyselekcjonowane do badań klasy ziarnowe tworzyw żelazonośnych i sortymentów koksu Tablica 7 Zakres ziarnistości, mm Spiek Odsiew spieku Grudki połtawskie Udział poszczególnych frakcji,% Ruda magnetytowa Koks orzech Koks groszek , ,5 46, , ,5 53, , , ,0-27, , ,2-72, , , Koksik 6,3 8 16,6 6, ,82 4 6,3-59, , , ,17 Średnia wielkość ziarna 17,78 4,72 13,90 31,74 31,01 16,30 4,58

59 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 59 nego tworzywa. W mieszanej warstwie, przed włożeniem do retorty próbki koksu i tworzywa dokładnie je wcześniej ze sobą mieszano. Taki tok postępowania występował przy stosowaniu jednego sortymenty koksu. W przypadku stosowania dwóch sortymentów koksu np:. koksu orzecha II i koksu groszku lub koksu orzecha II i koksiku postępowano inaczej. W osobnej warstwie próbkę koksu podstawowego kładziono na dno retorty, na tak sformowaną warstwę kładziono próbkę redukowanego spieku, a na spiek kładziono drugi drobnoziarnisty sortyment koksu i przykrywano warstwą spieku. W mieszanej warstwie próbka koksu podstawowego ułożona była na dnie retorty, a drobnoziarnisty sortyment koksu mieszano z redukowaną próbką spieku (rys. 35). Rys. 35. Sposoby umieszczania próbki w retorcie przy dwóch sortymentach koksu; C osobna warstwa redukowanego tworzywa i koksu orzecha i osobna warstwa koksiku/koksu groszku, D osobna warstwa koksu orzecha i mieszana warstwa redukowanego tworzywa z koksikiem/koksem groszkiem W początkowej fazie nagrzewania próbki, przez perforowane dno retorty przepuszczano gaz obojętny azot o natężeniu przepływu 360 dm 3 /h w warunkach normalnych. Ogrzewanie kontynuowano w atmosferze gazu obojętnego do czasu, gdy temperatura w masie próbki ustabilizowała się na poziomie 1050±10 o C. Temperatura 1050 o C odpowiada temperaturze zgazowania koksu dwutlenkiem węgla w środkowej i dolnej części szybu wielkiego pieca. Po nagrzaniu wsadu przeprowadzano właściwy eksperyment redukcji tworzywa. W tym celu wstrzymywano dopływ azotu, a na jego miejsce doprowadzano CO 2 o natężeniu przepływu 400 dm 3 /h. Moment ten uznano za początek procesu redukcji, której czas ogólny wynosił 90 minut. Po zakończeniu redukcji próbkę schładzano w atmosferze azotu do temperatury otoczenia. Następnie mierzono ubytek masy redukowanego tworzywa i koksu. Ze względu na możliwość wystąpienia trudności w oddzieleniu redukowanego materiału żelazonośnego od koksu, szczególnie jego drobnych frakcji, do rozdziału wyko-

60 60 Marian Niesler Tablica 8 Zestawienie sposobu przeprowadzonych eksperymentów laboratoryjnych redukcji tworzyw żelazonośnych w zależności od stosowanego reduktora i systemu załadunku Nr serii Osobna warstwa Nr Mieszana warstwa Redukowane tworzywo Reduktor serii Redukowane tworzywo Reduktor Spiek Koks orzech II Spiek Koks orzech II Spiek Koks groszek Spiek Koks groszek Spiek Koksik Spiek Koksik Odsiew spieku Koks orzech II Odsiew spieku Koks orzech II Odsiew spieku Koks groszek Odsiew spieku Koks groszek Odsiew spieku Koksik Odsiew spieku Koksik 2 Ruda magnetytowa Koks orzech II Ruda magnetytowa Koks orzech II Ruda magnetytowa Koks groszek Ruda magnetytowa Koks groszek Ruda magnetytowa Koksik Ruda magnetytowa Koksik Grudki Koks orzech II Grudki Koks orzech II Grudki Koks groszek Grudki Koks groszek Grudki Koksik Grudki Koksik Spiek Spiek Spiek Koks orzech 97% Koksik 3% Koks orzech 95% Koksik 5% Koks orzech 93% Koksik 7% Spiek 10 12,5 mm Koks orzech II 4 Spiek Spiek Spiek Koks orzech 97% Koksik 3% Koks orzech 95% Koksik 5% Koks orzech 93% Koksik 7% Spiek 10 12,5 mm Koks orzech II Spiek 10 12,5 mm Koks groszek 6 Spiek 10 12,5 mm Koks groszek Spiek 10 12,5 mm Koksik Spiek 10 12,5 mm Koksik

61 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 61 rzystano metodę grawitacyjną z wykorzystaniem ciężkiej cieczy organicznej bromoformu. Dla każdego wariantu wsadu określano ubytek masy tworzywa żelazonośnego i koksu oraz stopień redukcji R t danego tworzywa. W przypadku badań spieku o stałym zakresie ziarnistości (10 12,5 mm) oraz próbek określonego sortymentu koksu (koks orzech II, koks groszek, koksik) zastosowano obciążenie wsadu (stosunek masy spieku w naboju do masy koksu) na poziomie R/K = 3, podobnie jak to stosuje się w wielkich piecach produkujących surówkę przeróbczą. Zastosowanie uziarnienia spieku 10 12,5 mm, umożliwiło przeprowadzenie badań rozpadu w niskich temperaturach metodą bębnowania na zimno. Dla tej wyselekcjonowanej partii spieku dodatkowo: badano stopień redukcji R t spieku po czasie t min, % [128, 129], wyznaczano wskaźniki rozpadu spieku po redukcji RDI: RDI +6,3 statyczna odporność na rozpad w czasie redukcji, % RDI -3,15 statyczna podatność na rozpad w czasie redukcji, % RDI -0,5 statyczna ścieralność w czasie redukcji, % [130, 131], badano właściwości termoplastyczne [132], badano skład fazowy. W tablicy 8 zestawiono podstawowe dane dotyczące wszystkich serii badawczych mających na celu określenie stopnia redukcji różnych tworzyw żelazonośnych. W tablicy 9 10 zestawiono całość danych dotyczących stosowanych w tych badaniach wysokości poszczególnych warstw badanych materiałów. Tablica 9 Stosowane w badaniach wysokości warstw poszczególnych tworzyw żelazonośnych i reduktorów Tworzywo Wysokość warstwy mm Spiek 50 Odsiew spieku 36 Ruda krzyworoska magnetytowa 45 Grudki połtawskie 40 Spiek o ziarnistości mm 68 Koks orzech II 56 Koks groszek 39 Koksik 38

62 62 Marian Niesler Tablica 10 Stosowane w badaniach wysokości warstw tworzyw żelazonośnych z różnymi sortymentami koksu Osobna warstwa Wysokość warstwy, mm Mieszana warstwa Tworzywo żelazonośne Koks Orzech II Koks Groszek Koksik Koks Orzech II Koks Groszek Koksik Spiek Odsiew spieku Ruda magnetyczna Grudki połtawskie Do badań wpływu uziarnienia koksu na stopień redukcji różnych tworzyw żelazonośnych zastosowano urządzenie do określania redukcyjności rud, spieków i grudek pod obciążeniem (rys. 36) [129, 130]. 1. Płaszcz zewnętrzny 2. Płaszcz wewnętrzny 3. Perforowane płytki dolna i górna zawierająca próbkę do badań 4. Doprowadzenie N 2 i CO 2 5. Odprowadzenie gazów 6. Wyjście termoelementu 7.Sprężone powietrze 8.Siłownik pneumatyczny 9. Rama siłownika 10. Stempel 11. Sondy mierzące różnice ciśnień 12. Manometr różnicy ciśnień 13. Skala liniowa 14. Przepustnice 15. Wentylator odciągowy zużytego gazu 16. Wskaźnik podciśnienia 17. Korpus pieca 18. Termoelementy ścian pieca 19. Waga 20. Butle z gazami 21. Przepływomierze Rys. 36. Urządzenie do określania stopnia redukcji tworzyw żelazonośnych [129]

63 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 63 Stopień redukcji R t [%] po czasie t min, w odniesieniu do maksymalnego wyjściowego stopnia utlenienia żelaza w rudzie, obliczano z zależności: 0111, FeO m0 - mt Rt = ; + c $ 100mE $ 100 (14) 0430, Feog m1 $ 0430, Feog gdzie: m 0 masa próbki bezpośrednio przed rozpoczęciem redukcji, g m t masa próbki po t min redukcji, g m 1 masa wyjściowa próbki, g Fe og ogólna zawartość żelaza w próbce przed redukcją, % mas. FeO zawartość tlenku żelazawego w próbce przed redukcją, % mas Badania przewiewności wsadu wielkopiecowego W ramach testów przeprowadzane były obliczenia, przewidywanego wpływu na przewiewność wsadu zmian wielkości ziarna sortymentów koksu i tworzyw żelazonośnych. Określany był spadek ciśnienia gazów na wysokości warstwy wsadu. Badania zmian przewiewności przeprowadzono w oparciu o wskaźnik oporu przepływu gazu K z wykorzystaniem wcześniej przytoczonych równań (5) i (6) [11]. Dla przeciwdziałania pogorszeniu przewiewności wsadu stosowany skład ziarnowy mieszanej warstwy był tak dobrany, aby wielkość ziaren koksu nie była mniejsza od wielkości ziaren spieku, przy zawężonym zakresie wielkości tych ziaren. Według tej metodologii przebadano wszystkie tworzywa żelazonośne i sortymenty koksu opisane w seriach 1 4, tablica Badania rozpadu spieku Dla oceny rozpadu spieku zredukowanego rożnymi sortymentami koksu, próbki spieków poddano bębnowaniu na zimno, zgodnie z normą [94, 95]. Badanie rozpadu spieku polegało na umieszczeniu zredukowanego spieku w bębenku do bębnowania, a następnie obracano bębenek przez 10 min z szybkością 30 obr./min. Następnie przesiewano próbkę na sitach o wymiarach oczek kwadratowych 6,3 mm, 3,15 mm i 0,5 mm. Z danych otrzymanych w wyniku pomiaru obliczano wskaźnik rozpadu po redukcji RDI z zależności: mb RDI 63, = $ 100 (15) + m RDI a ma- ( mb+ mc) = 100 m -315, $ a.(16) RDI ma- ( mb+ mc+ md) = 100 m -05, $ a (17)

64 64 Marian Niesler w których: m a masa badanej próbki po redukcji i przed bębnowaniem, g m b masa produktu nadsitowego po bębnowaniu 6,30 mm, g m c masa produktu nadsitowego po bębnowaniu 3,15 mm, g m d masa produktu nadsitowego po bębnowaniu 0,50 mm, g RDI +6,3 statyczna odporność na rozpad w czasie redukcji, % RDI -3,15 statyczna podatność na rozpad w czasie redukcji, % RDI -0,5 statyczna ścieralność w czasie redukcji, % Schemat urządzenia stosowanego do bębnowania przedstawiono na rys. 37. Bęben stanowi pojemnik o średnicy wewnętrznej 130 mm i długości wewnętrznej 200 mm. Wzdłuż wewnętrznej powierzchni usytuowane były stalowe kątowniki o długości 200 mm, szerokości 20 mm i grubości 2 mm. Z jednej strony pojemnik powinien być zamknięty, z drugiej otwierany. Pokrywa zamykająca powinna ściśle przylegać do otworu przeciwdziałając wydostawaniu się pyłu. 1. Pojemnik, 2. Pokrywa, 3. Zaciski mocujące pokrywę, 4. Ramka z kątownikami Rys. 37. Urządzenie do bębnowania koksu Badania właściwości termoplastycznych spieku Dla oceny właściwości termoplastycznych tworzyw oznaczono temperatury początku i zakresu mięknięcia spieków wstępnie zredukowanych do 65%, zgodnie z normą BN-85/ [132]. Przedmiotem badań było oznaczanie temperatury początku i zakresu mięknięcia wstępnie zredukowanych do 65% spieków. Badanie polegało na podgrzaniu próbek materiałów w atmosferze gazu obojętnego i oznaczeniu ich temperatury początku i zakresu mięknięcia, na podstawie stopnia zagłębienia się w próbce sztywnego obciążonego trzpienia. Na rys. 38 przedstawiono schemat urządzenia wykorzystywanego w omawianych badaniach. W wyniku badania określano: temperaturę początku mięknięcia temperatura próbki w o C, przy której sztywny trzpień zagłębia się w próbce o 1% w stosunku do wyjściowej wysokości próbki,

65 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym Piec, 2. Retorta, 3. Podpora tygielka z termometrem, 4.Tygielek z próbką, 5.Trzpień, 6. Obciążenie trzpienia, 7. Układ rejestrujący, 8. Układ regulacji temperatury, 9. Doprowadzenie gazu, 10. Odprowadzenie gazu Rys. 38. Urządzenie do określania temperatur początku i końca mięknięcia rudy temperaturę końca mięknięcia temperatura próbki w o C, przy której sztywny trzpień zagłębia się w próbce o 40% w stosunku do wyjściowej wysokości próbki, zakres temperatury mięknięcia różnica temperatur końca i początku mięknięcia, w o C Analiza fazowa spieku Identyfikację składników krystalicznych próbek spieku dokonano zgodnie z procedurą 1/RAS w oparciu o dane zawarte w bazie danych International Centre for Diffraction Data ICDD. Ilościową analizę fazową wykonano zgodnie z procedurą 2/RAS, wykorzystując pakiet oprogramowania SIROQUANT. Badania wykonano na dyfraktometrze rentgenowskim Siemens D Badania reaktywności koksu Ponieważ badaniom poddane zostały sortymenty koksu o różnej ziarnistości, do oceny ich właściwości reaktywnych w różnych temperaturach, wykorzystano metodę badań koksu opracowaną w IMŻ. Metoda różni się od innych metod tym, że stosuje się w niej próbkę koksu kawałkowego o wielkości średniego ziarna odpowiadającej badanej partii koksu. W tablicy 11 pokazano wybrane metody oznaczania reaktywności koksu, w porównaniu do metody IMŻ.

66 66 Marian Niesler Wybrane metody oznaczania reaktywności koksu [52] Tablica 11 Metoda Masa próbki, g Zakres ziarnistości próbki, mm Stosowany gaz Temperatura Czas o C min oznaczeń, pomiaru, Miara reaktywności IMŻ 500 ziarnistość naturalna partii koksu 900 CO min dla każdej temperatury Wskaźnik zdolności reaktywnej koksu ICHPW Zabrze CO % ubytku masy, stopień przereagowania CO 2 na CO PN-90/C ,15 CO Wskaźnik reaktywności koksu NSC CO % ubytku masy, wskaźnik CRI i CSR Kopers 5 0,5 1,0 CO % CO, CO 2 w gazach poreakcyjnych

67 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 67 Próbkę koksu kawałkowego o masie 500±0,5 g zwiększoną o masę odpowiadającą zawartości części lotnych w koksie po wysuszeniu umieszcza się w pojemniku z perforowanej blachy żaroodpornej. Pojemnik ten wraz z próbką umieszcza się w nagrzanej kwarcowej rurze reakcyjnej, w której znajduje się termoelement wchodzący do środka pojemnika. Przed umieszczeniem próbki piec nagrzewa się do wymaganej temperatury, co trwa około 180 minut. W początkowej fazie przez rurę reakcyjną przepuszcza się azot o natężeniu przepływu 360 dm 3 /h w warunkach normalnych. Po odpędzeniu części lotnych zawartych w próbce koksu, co trwa około 45 min., wstrzymuje się dopływ azotu a na jego miejsce doprowadza się CO 2 o natężeniu przepływu takim jak w przypadku azotu. Moment ten uważa się za rozpoczęcie właściwych pomiarów reaktywności. Po 20 minutach od chwili uruchomienia przepływu CO 2 temperatura w przestrzeni reakcyjnej ustala się i jej wartość przyjmuje się jako właściwą temperaturę oznaczania reaktywności. Prowadzi się wówczas analizy składu gazów poreakcyjnych na zawartość CO, CO 2 i O 2. Metodą tą zostały przebadane wszystkie zastosowane w badaniach sortymenty koksu. Schemat aparatury wykorzystywanej w tych badaniach przedstawiono na rys Kwarcowa rura reakcyjna, 2. Perforowany koszyk z żaroodpornej blachy, 3. Piec oporowy, 4. Sonda, 5. Termopara regulacyjna, 6. Termopara pomiarowa, 7. Regulator, 8. Rotametr, 9. Płuczka CaCl 2, 10. Kurek trójdrożny, 11. Zbiornik wyrównawczy, 12. Butla z gazem Rys. 39. Schemat aparatury do oznaczania reaktywności koksu metodą IMŻ

68 68 Marian Niesler Oznaczenie zawartości CO 2 w gazie poreakcyjnym przeprowadzano dla temperatur 900, 1000 i 1100 o C. Następnie wyznaczano równania regresji i obliczano zawartość CO 2 w gazach poreakcyjnych dla tych temperatur. Wyliczone w ten sposób wartości stanowiły podstawę do obliczenia wskaźnika zdolności reaktywnej koksu (K m ) z zależności: R C C V 1 1 S W V0 C0 C0 Km =- S1 ln + W (18) m C1 C1 S C0 C W 0 T X gdzie: K m wskaźnik zdolności reaktywnej koksu, m 3 /kg s V 0 natężenie przepływu CO 2 przy temperaturze oznaczania i ciśnieniu przyjętym 0, MPa, m 3 /s m masa badanej próbki koksu, kg C 0 stężenie stosowanego CO 2, % obj. C 1 zawartość CO 2 w gazie poreakcyjnym w momencie pobierania jego próby, % obj Program do obliczania bilansu cieplno-materiałowego wielkiego pieca z uwzględnieniem stosowania w procesie drobnoziarnistych sortymentów koksu Bilans cieplny jest zestawieniem ilości ciepła, doprowadzonego do danego urządzenia w określonym czasie i zużycia ciepła w tym samym czasie. W bilansie cieplnym wielkiego pieca, zgodnie z I zasadą termodynamiki, występuje równość sumy ciepła wprowadzonego w postaci wartości opałowej węgla koksu i ciepła jawnego dmuchu oraz sumy ciepła zużytego w wielkim piecu na redukcję tlenków, nagrzanie i stopienie składników wsadu, straty zewnętrzne itd. Opracowano sposób obliczania bilansu cieplno-materiałowego wielkiego pieca, z wykorzystaniem metody A.R. Ramma [93, 94, ]. Schemat obliczania bilansu cieplnego przedstawiono poniżej. Przy tej metodzie zestawiania bilansu przychód ciepła składał się z następujących pozycji: 1. Ciepło utleniania węgla koksu na CO i CO2. Pozycja ta obejmuje zarówno spalanie węgla koksu przed dyszami w garze, jak i utlenianie go na CO w reakcji redukcji bezpośredniej. Nie obejmuje natomiast ciepła utleniania CO na CO 2 przy redukcji pośredniej. 2. Ciepło wnoszone przez nagrzany dmuch. Oblicza się je z ilości dmuchu, ciepła właściwego i temperatury dmuchu, uwzględniając wilgoć zawartą w dmuchu. 3. Ciepło wydzielone przy tworzeniu żużla ze skały płonnej rud i popiołu koksu oraz z topników. 4. Ciepło wnoszone przez wsad.

69 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym Ciepło spalania paliw zastępczych. 6. Ciepło utleniania H2 na H 2 O w reakcji redukcji pośredniej. Na rozchód ciepła składały się następujące pozycje: 1. Ciepło dysocjacji tlenków redukowanych w wielkim piecu. Obliczano je z ilości składu chemicznego i mineralogicznego. Znajomość składu mineralogicznego jest niezbędna, gdyż ciepło dysocjacji tlenków, krzemianów, ferrytów itd. jest różne. 2. Przejście siarki do żużla i rozkład związków siarczanowych i siarczkowych. 3. Rozkład węglanów. 4. Rozkład wodzianów. 5. Odparowanie wilgoci wsadu i przegrzanie pary do temperatury gazów gardzielowych. 6. Dysocjacja pary wodnej dmuchu. 7. Ciepło unoszone w ciekłej surówce. 8. Ciepło unoszone przez ciekły żużel. 9. Ciepło unoszone przez pył i gaz. Obliczano je z ilości gazu, ciepła właściwego (zależnego od składu chemicznego gazu) i temperatury gazu. 10. Ciepło unoszone w wodzie ochładzającej. Obliczano je z ilości i temperatury nagrzania wody. 11. Straty ciepła do atmosfery i przez fundament pieca. Na podstawie przedstawionego sposobu opracowano w Instytucie Metalurgii Żelaza autorski program do obliczania bilansu. Całość obliczeń przeprowadzono za pomocą komputera z wykorzystaniem arkusza kalkulacyjnego Excel firmy Microsoft, definiując uprzednio wszystkie niezbędne formuły matematyczne. Wykorzystano wizualne środowisko programistyczne Borland Delphi 5.0 dla platformy Windows. Do implementacji algorytmów, całej logiki programu i metod przetwarzania danych, wykorzystano zainstalowany w programie Delphi 5 nowoczesny, elastyczny Object Pascal. Programując w Delphi 5, wykorzystano technologię łączenia i osadzania obiektów, stosowaną w wielu aplikacjach Windows. Można więc było tworzyć dokumenty złożone, łączące w sobie informacje różnego typu, np. dokumenty Worda z arkuszem kalkulacyjnym Excela [133] WYNIKI BADAŃ Wpływ uziarnienia koksu na redukcyjność i przewiewność spieku W próbach laboratoryjnych zastosowano trzy sortymenty koksu: koks orzech II o zakresie ziarnistości mm i średniej wielkości ziarna 31,01 mm,

70 70 Marian Niesler koks groszek o zakresie ziarnistości mm i średniej wielkości ziarna 16,30 mm, koksik o zakresie ziarnistości 3 8 mm i średniej wielkości ziarna 4,58 mm. Analizowano wpływ poszczególnych sortymentów koksu na redukcyjność spieku o zakresie ziarnistości 6,3 40 mm i średniej wielkości ziarna 17,78 mm, tablica 7. Zbiorcze wyniki tych badań przedstawiono w tablicy 12. W tablicy 13 przedstawiono obliczenia przewiewności wsadu dla poszczególnych sortymentów koksu i spieku, w zależności od systemu załadunku Wpływ uziarnienia koksu na redukcyjność i przewiewność odsiewu spieku Badania o podobnej metodyce, jak w przypadku spieku przeprowadzono dla odsiewu spieku. Analizowano wpływ poszczególnych sortymentów koksu na redukcyjność odsiewu spieku o zakresie ziarnistości 3 8 mm i średniej wielkości ziarnia 4,72 mm, tablica 8. Zbiorcze wyniki tych badań przedstawiono w tablicy 14. W tablicy 15 przedstawiono obliczenia przewiewności wsadu dla poszczególnych sortymentów koksu i odsiewu spieku, w zależności od systemu załadunku Wpływ uziarnienia koksu na redukcyjność i przewiewność rudy magnetytowej i grudek połtawskich Analogicznie do poprzednich badań analizowano wpływ poszczególnych sortymentów koksu na redukcyjność rudy magnetytowej o zakresie ziarnistości mm i średniej wielkości ziarna 31,74 mm, tablica 8. Zbiorcze wyniki tych badań przedstawiono w tablicy 16. W tablicy 17 przedstawiono obliczenia przewiewności wsadu dla poszczególnych sortymentów koksu i rudy magnetytowej, w zależności od systemu załadunku. Analizowano również wpływ poszczególnych sortymentów koksu na redukcyjność grudek połtawskich o zakresie ziarnistości mm i średniej wielkości ziarna 13,9 mm, tablica 8. Zbiorcze wyniki tych badań przedstawiono w tablicy 18. W tablicy 19 przedstawiono obliczenia przewiewności wsadu dla poszczególnych sortymentów koksu i grudek połtawskich, w zależności od systemu załadunku Wpływ zmian udziału wybranych sortymentów koksu we wsadzie na redukcyjność i przewiewność spieku W ramach prób laboratoryjnych przeprowadzono również, zgodnie z opisaną procedurą, badania nad możliwością zastąpienia części koksu orzecha II w próbce, koksikiem i wpływem takiej zmiany na redukcyjność spieku. Zbiorcze wyniki tych badań przedstawiono w tablicy 20.

71 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 71 Tablica 12 Ubytek masy spieku i sortymentów koksu, spadek ciśnienia p oraz stopień redukcji R t w zależności od uziarnienia koksu i systemu załadunku spieku SPIEK KOKS Osobna warstwa Mieszana warstwa Ubytek masy, g R t % Δp Pa Ubytek masy, g R t % spiek koks spiek koks Orzech 6,9 16,9 11, ,8 11,4 9, Groszek 6,6 13,0 11, ,5 17,2 8, Koksik 12,0 24,3 18, ,3 23,5 11, Δ p Pa Tablica 13 Spadek ciśnienia p w warstwie wsadu w zależności od uziarnienia koksu i systemu załadunku spieku Skład naboju Średnie ziarno, mm Dolna wielkość ziarna, mm Orzech Spiek osobna warstwa Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Koks orzech 31,01 25,00 40,00 15,00 0, ,8 27 Spiek 17,78 6,30 40,00 33,70 0, ,0 196 Skład naboju Średnie ziarno, mm Orzech Spiek mieszana warstwa Dolna wielkość ziarna, mm Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Mieszanina 21,09 6, ,7 Koks orzech 31,01 25,00 40,00 15,00 Spiek 17,78 6,30 40,00 33,70 Wysokość warstwy, m Δp Pa ,7 223 Wskaźnik K Δp Pa 0, ,5 252

72 72 Marian Niesler Skład naboju Średnie ziarno, mm Dolna wielkość ziarna, mm Groszek Spiek osobna warstwa Górna wielkość ziarna,mm Zakres ziarnistości, mm Tablica 13 cd. Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa Koks groszek 16,30 10,00 25,00 15,00 0, ,8 83 Spiek 17,78 6,30 40,00 33,70 0, ,0 196 Skład naboju Średnie ziarno, mm Groszek Spiek mieszana warstwa Dolna wielkość ziarna, mm Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Mieszanina 17,41 6, ,7 Koks groszek 16,30 10,00 25,00 15,00 Spiek 17,78 6,30 40,00 33,70 Skład naboju Średnie ziarno, mm Dolna wielkość ziarna, mm Koksik Spiek osobna warstwa Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm ,8 279 Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa 0, ,0 358 Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa Koksik 4,58 3,00 8,00 5,00 0, ,6 501 Spiek 17,78 6,30 40,00 33,70 0, ,0 196 Skład naboju Średnie ziarno, mm Koksik Spiek mieszana warstwa Dolna wielkość ziarna, mm Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Mieszanina 14, Koksik 4,58 3,00 8,00 5,00 Spiek 17,78 6,30 40,00 33, ,6 697 Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa 0, ,8 566

73 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 73 Tablica 14 Ubytek masy odsiewu spieku i sortymentów koksu, spadek ciśnienia p oraz stopień redukcji Rt, w zależności od uziarnienia koksu i systemu załadunku odsiewu spieku KOKS ODSIEW SPIEKU Osobna warstwa Mieszana warstwa Ubytek masy, g R t % Δp Pa Ubytek masy, g R t % odsiew koks odsiew koks Orzech 20,6 10,6 29, ,6 12,0 9, Groszek 6,0 16,7 10, ,6 18,0 9, Koksik 21,5 7,5 31, ,6 23,0 4, Δp Pa Tablica 15 Spadek ciśnienia p w warstwie wsadu w zależności od uziarnienia koksu i systemu załadunku odsiewu spieku Skład naboju Średnie ziarno, mm Orzech Odsiew spieku osobna warstwa Dolna wielkość ziarna, mm Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa Koks orzech 31,01 25,00 40,00 15,00 0, ,8 27 Odsiew spieku 4,72 3,00 8,00 5,00 0, , ,4 470 Orzech Odsiew spieku mieszana warstwa Skład naboju Średnie ziarno, mm Dolna wielkość ziarna, mm Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Mieszanina 11, Koks orzech 31,01 25,00 40,00 15,00 Odsiew spieku 4,72 3,00 8,00 5,00 Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa 0, ,5 1004

74 74 Marian Niesler Skład naboju Średnie ziarno, mm Groszek Odsiew spieku osobna warstwa Dolna wielkość ziarna, mm Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa Koks groszek 16,30 10,00 25,00 15,00 0, ,8 83 Odsiew spieku 4,72 3,00 8,00 5,00 0, ,7 443 Skład naboju Średnie ziarno, mm Groszek Odsiew spieku mieszana warstwa Dolna wielkość ziarna, mm Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Mieszanina 7, Koks groszek 16,30 10,00 25,00 15,00 Odsiew spieku 4,72 3,00 8,00 5,00 Koksik Odsiew spieku osobna warstwa Skład naboju Średnie ziarno, mm Dolna wielkość ziarna,mm Górna wielkość ziarna,mm Zakres ziarnistości, mm ,5 526 Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa 0, , Wysokość warstwy,m Wskaźnik K Δp Pa Koksik 4,58 3,00 8,00 5,00 0, ,6 501 Odsiew spieku 4,72 3,00 8,00 5,00 0, , ,3 944 Koksik Odsiew spieku mieszana warstwa Skład naboju Średnie ziarno, mm Dolna wielkość ziarna, mm Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Mieszanina 4, Koksik 4,58 3,00 8,00 5,00 Odsiew spieku 4,72 3,00 8,00 5,00 Tablica 15 cd. Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa 0, ,7 926

75 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 75 Tablica 16 Ubytek masy rudy magnetytowej i sortymentów koksu, spadek ciśnienia p oraz stopień redukcji R t, w zależności od uziarnienia koksu i systemu załadunku rudy magnetytowej KOKS RUDA MAGNETYTOWA Osobna warstwa Mieszana warstwa Ubytek masy, g R t % Δ p Pa Ubytek masy, g R t % ruda koks ruda koks Orzech 12,8 7,0 25, ,3 12,7 12,68 40 Groszek 29,4 11,5 47, ,9 15,2 44, Koksik 5,2 19,4 15, ,2 19,0 11, Δ p Pa Tablica 17 Spadek ciśnienia p w warstwie wsadu w zależności od uziarnienia koksu i systemu załadunku rudy magnetytowej Skład naboju Średnie ziarno, mm Orzech Ruda magnetytowa osobna warstwa Dolna wielkość ziarna, mm Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa Koks orzech 31,01 25,00 40,00 15,00 0, ,8 27 Ruda magnetytowa 31,74 25,00 40,00 15,00 0, ,8 21 Skład naboju Średnie ziarno, mm Orzech Ruda magnetytowa mieszana warstwa Dolna wielkość ziarna, mm Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Mieszanina 31, Koks orzech 31,01 25,00 40,00 15,00 Ruda magnetytowa 31,74 25,00 40,00 15, ,6 48 Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa 0, ,4 40

76 76 Marian Niesler Skład naboju Średnie ziarno, mm Groszek Ruda magnetytowa osobna warstwa Dolna wielkość ziarna, mm Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa Koks groszek 16,30 10,00 25,00 15,00 0, ,8 83 Ruda magnetytowa 31,74 25,00 40,00 15,00 0, ,8 21 Skład naboju Średnie ziarno, mm Groszek Ruda magnetytowa mieszana warstwa Dolna wielkość ziarna,mm Górna wielkość ziarna,mm Zakres ziarnistości, mm Mieszanina 27, Koks groszek 16,30 10,00 25,00 15,00 Ruda magnetytowa 31,74 25,00 40,00 15,00 Skład naboju Średnie ziarno, mm Koksik Ruda magnetytowa osobna warstwa Dolna wielkość ziarna,mm Górna wielkość ziarna,mm Zakres ziarnistości, mm ,6 104 Wysokość warstwy,m Wskaźnik K Δp Pa 0, ,1 112 Wysokość warstwy,m Wskaźnik K Δp Pa Koksik 4,58 3,00 8,00 5,00 0, ,6 501 Ruda magnetytowa 31,74 25,00 40,00 15,00 0, ,8 21 Skład naboju Średnie ziarno, mm Koksik Ruda magnetytowa mieszana warstwa Dolna wielkość ziarna,mm Górna wielkość ziarna,mm Zakres ziarnistości, mm Mieszanina 24, Koksik 4,58 3,00 8,00 5,00 Ruda magnetytowa 31,74 25,00 40,00 15,00 Tablica 17 cd ,4 522 Wysokość warstwy,m Wskaźnik K Δp Pa 0, ,8 144

77 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 77 Tablica 18 Ubytek masy grudek i sortymentów koksu, spadek ciśnienia p oraz stopień redukcji R t w zależności od uziarnienia koksu i systemu załadunku grudek KOKS GRUDKI Osobna warstwa Mieszana warstwa Ubytek masy, g R t % Δ p Pa Ubytek masy, g R t % grudki koks grudki koks Orzech 6,2 11,1 9, ,1 11,5 7, Groszek 6,9 15,6 10, ,6 16,3 7, Koksik 9,2 24,8 13, ,5 18,6 8, Δ p Pa `Tablica 19 Spadek ciśnienia p w warstwie wsadu w zależności od uziarnienia koksu i systemu załadunku grudek Skład naboju Średnie ziarno, mm Dolna wielkość ziarna, mm Orzech Grudki osobna warstwa Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa Koks orzech 31,01 25,00 40,00 15,00 0, ,8 27 Grudki 13,9 10,00 20,00 10,00 0, ,8 82 Skład naboju Średnie ziarno, mm Orzech Grudki mieszana warstwa Dolna wielkość ziarna, mm Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Mieszanina 18, Koks orzech 31,01 25,00 40,00 15,00 Grudki 13,9 10,00 20,00 10, ,5 109 Wysokość warstwy,m Wskaźnik K Δp Pa 0, ,8 289

78 78 Marian Niesler Skład naboju Średnie ziarno, mm Groszek Grudki osobna warstwa Dolna wielkość ziarna, mm Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Wysokość warstwy,m Wskaźnik K Δp Pa Koks groszek 16,30 10,00 25,00 15,00 0, ,8 83 Grudki 13,9 10,00 20,00 10,00 0, ,8 82 Skład naboju Średnie ziarno, mm Groszek Grudki mieszana warstwa Dolna wielkość ziarna, mm Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Mieszanina 14, Koks groszek 16,30 10,00 25,00 15,00 Grudki 13,9 10,00 20,00 10,00 Skład naboju Średnie ziarno, mm Dolna wielkość ziarna, mm Koksik Grudki osobna warstwa Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm ,6 165 Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa 0, ,1 209 Wysokość warstwy,m Wskaźnik K Δp Pa Koksik 4,58 3,00 8,00 5,00 0, ,6 501 Grudki 13,9 10,00 20,00 10,00 0, ,8 82 Skład naboju Średnie ziarno, mm Koksik Grudki mieszana warstwa Dolna wielkość ziarna, mm Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Mieszanina 11, Koksik 4,58 3,00 8,00 5,00 Grudki 13,9 10,00 20,00 10,00 Tablica 19 cd ,4 583 Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa 0, ,8 362

79 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 79 Tablica 20 Ubytek masy spieku, koksu orzecha II i koksiku, spadek ciśnienia p oraz stopień redukcji R t w zależności od systemu załadunku spieku KOKS SPIEK Osobna warstwa Mieszana warstwa Ubytek masy, g R t % Δp Pa Ubytek masy, g R t % spiek koks spiek koks Orzech 97% 16,4 11,6 5,5 9, ,8 Koksik 3% 1,0 0,3 KOKS SPIEK Osobna warstwa Mieszana warstwa Ubytek masy, g R t % Δp Pa Ubytek masy, g R t % spiek koks spiek koks Orzech 95% 15,5 14,3 7,4 12, ,8 Koksik 5% 1,3 1,2 KOKS SPIEK Osobna warstwa Mieszana warstwa Ubytek masy, g R t % Δp Pa Ubytek masy, g R t % spiek koks spiek koks Orzech 93% 13,2 13,1 8,0 13, ,4 Koksik 7% 1,4 1,7 Δp Pa 11, Δp Pa 13, Δp Pa 11,16 294

80 80 Marian Niesler Tablica 21 Spadek ciśnienia p zachodzący w próbkach spieku, koksu orzecha II i koksiku, będących w osobnej warstwie, w których zmniejszano procentowy koksu orzecha II, a zwiększano udział koksiku Skład naboju Średnie ziarno, mm Dolna wielkość ziarna, mm Orzech Spiek osobna warstwa Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa Koks orzech 31,01 25,00 40,00 15,00 0, ,8 27 Spiek 17,78 6,30 40,00 33,70 0, ,0 196 Skład naboju Średnie ziarno, mm Orzech 97% Koksik 3% Spiek osobna warstwa Dolna wielkość ziarna, mm Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm ,7 223 Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa Koks orzech 31,01 25,00 40,00 15,00 0, ,8 26 Spiek 17,78 6,30 40,00 33,70 0, ,0 196 Koksik 4,58 3,00 8,00 5,00 0, , ,3 238 Orzech 95% Koksik 5% Spiek osobna warstwa Skład naboju Średnie ziarno, mm Dolna wielkość ziarna, mm Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa Koks orzech 31,01 25,00 40,00 15,00 0, ,8 26 Spiek 17,78 6,30 40,00 33,70 0, ,0 196 Koksik 4,58 3,00 8,00 5,00 0, , ,3 247

81 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 81 Skład naboju Średnie ziarno, mm Orzech 93% Koksik 7% Spiek osobna warstwa Dolna wielkość ziarna, mm Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Tablica 21 cd. Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa Koks orzech 31,01 25,00 40,00 15,00 0, ,8 25 Spiek 17,78 6,30 40,00 33,70 0, ,0 196 Koksik 4,58 3,00 8,00 5,00 0, , ,3 257 Tablica 22 Spadek ciśnienia p zachodzący w mieszanej warstwie spieku, koksu orzecha II i koksiku, w której zmniejszano procentowy koksu orzecha II, a zwiększano udział koksiku Skład naboju Średnie ziarno, mm Dolna wielkość ziarna, mm Orzech Spiek mieszana warstwa Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa Mieszanina 21,09 6, ,7 Koks orzech 31,01 25,00 40,00 15,00 0, ,5 252 Spiek 17,78 6,30 40,00 33,70 Orzech 97% Koksik 3% Spiek mieszana warstwa Skład naboju Średnie ziarno, mm Dolna wielkość ziarna, mm Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Mieszanina 20, Spiek 17,78 6,30 40,00 33,70 Koksik 4,58 3,00 8,00 5,00 Koks orzech 31,01 25,00 40,00 15,00 Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa 0, ,0 284

82 82 Marian Niesler Tablica 22 cd. Skład naboju Średnie ziarno, mm Orzech 95% Koksik 5% Spiek mieszana warstwa Dolna wielkość ziarna, mm Górna wielkość ziarna, mm Zakres ziarnistości, mm Mieszanina 20, Spiek 17,78 6,30 40,00 33,70 Koksik 4,58 3,00 8,00 5,00 Koks orzech 31,01 25,00 40,00 15,00 Skład naboju Średnie ziarno, mm Orzech 93% Koksik 7% Spiek mieszana warstwa Dolna wielkość ziarna,mm Górna wielkość ziarna,mm Zakres ziarnistości, mm Mieszanina 20, Spiek 17,78 6,30 40,00 33,70 Koksik 4,58 3,00 8,00 5,00 Koks orzech 31,01 25,00 40,00 15,00 Wysokość warstwy, m Wskaźnik K Δp Pa 0, ,0 289 Wysokość warstwy,m Wskaźnik K Δp Pa 0, ,2 294

83 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 83 W tablicy 21 i 22 przedstawiono obliczenia przewiewności wsadu dla zmniejszającego się udziału koksu orzecha II, a zwiększającego się udziału koksiku, spieku w zależności od systemu załadunku Rozpad spieku po redukcji statycznej Przeprowadzone badania wpływu różnych sortymentów koksu na redukcyjność i przewiewność różnych tworzyw żelazonośnych, miały charakter porównawczy. Do dalszych bardziej szczegółowych badań wytypowano spiek żelaza ze względu na to, że jest to podstawowe tworzywo żelazonośne, powszechnie stosowane w wielkich piecach. Dla tego tworzywa przeprowadzono szczegółowe badania obejmujące oprócz stopnia redukcji, badania rozpadu spieku po redukcji statycznej i właściwości termoplastycznych oraz przeprowadzono analizę fazową spieku redukowanego w różnych wariantach wsadowych. Zmiany zachodzące w badanych próbkach przedstawiono w tablicy 23 i 24. Zmiany zachodzące w badanych próbkach spieku Tablica 23 Zredukowany spiek Fe całk % FeO % R t % Wskaźnik rozpadu po redukcji RDI +6,3 RDI -3,15 RDI -0,5 Osobna warstwa Mieszana warstwa orzech 60,51 31,79 14,72 90,44 5,74 2,67 groszek 60,66 35,35 17,59 87,42 7,15 3,12 koksik 59,78 45,74 21,60 84,85 8,05 2,99 orzech + groszek 61,54 35,75 15,55 74,90 13,19 5,22 orzech + koksik 61,39 42,21 17,13 74,88 13,32 5,80 orzech 60,44 28,90 13,14 90,25 5,75 2,64 groszek 60,44 34,51 15,41 88,82 6,16 2,48 koksik 62,05 51,96 20,45 85,74 7,39 2,27 orzech + groszek 60,81 38,41 17,26 72,23 14,76 5,83 orzech + koksik 61,84 45,25 20,19 77,32 12,34 5,47

84 84 Marian Niesler Osobna warstwa Mieszana warstwa Tablica 24 Ubytki masy spieku i sortymentów koksu po procesie redukcji Zastosowany reduktor Ubytek masy spieku, % Ubytek masy sortymentu koksu, % orzech 2,27 13,68 groszek 2,97 19,47 koksik 4,03 19,37 orzech + groszek 2,89 orzech + koksik 3,35 14,26 orzech 13,79 orzech orzech 1,85 19,87 groszek 2,42 21,38 koksik 3,67 27,56 orzech + groszek 3,33 orzech + koksik 4, Właściwości termoplastyczne spieku 14,68 orzech 15,94 orzech 36,93 groszek 44,97 koksik 25,29 groszek 36,42 koksik Oznaczenia temperatury początku i zakresu mięknięcia zredukowanego w różnych wariantach spieku dokonano według normy BN-85/ [132]. W tablicy 25 przedstawiono właściwości termoplastyczne zredukowanego. Właściwości termoplastyczne redukowanego spieku Tablica 25 Osobna warstwa Mieszana warstwa Rodzaj reduktora Temperatura początku mięknięcia t p, o C Właściwości termoplastyczne Temperatura końca mięknięcia t k, o C Zakres mięknięcia t, o C orzech groszek koksik orzech + groszek orzech + koksik orzech groszek koksik orzech + groszek orzech + koksik

85 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym Skład fazowy spieku Wyniki analizy fazowej badanych próbek spieku, przeprowadzonej na dyfraktometrze rentgenowskim Siemens D 5005 z otwartym kołem Eulera, przedstawiono w tablicy 26. Analiza fazowa redukowanego spieku Tablica 26 Zastosowany reduktor Hematyt Fe 2 O 3 Magnetyt Fe 3 O 4 Wistyt FeO Fazy krzemianowe* Osobna warstwa Mieszana warstwa spiek bazowy 24,6 38,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 37,4 orzech 0,0 80,3 6,2 2,0 0,0 4,9 6,0 0,6 0,0 0,0 groszek 1,2 78,6 8,2 0,0 3,6 0,7 5,8 0,6 1,3 0,0 koksik 2,3 77,6 9,6 2,0 0,0 2,7 5,8 0,0 0,0 0,0 orzech + groszek 5,9 69,6 13,0 3,0 0,0 0,0 8,5 0,0 0,0 0,0 orzech + koksik 3,7 51,3 22,0 6,1 0,0 0,0 16,9 0,0 0,0 0,0 orzech 10,1 73,3 7,9 1,7 0,0 1,0 5,9 0,0 0,0 0,0 groszek 4,9 66,3 11,7 1,6 0,0 3,3 10,5 0,0 1,6 0,0 koksik 0,1 34,2 36,5 2,0 0,0 7,6 14,5 0,0 5,1 0,0 orzech + groszek 2,3 64,8 16,9 1,8 3,0 0,6 6,8 1,1 2,7 0,0 orzech + koksik 1,1 48,0 27,3 4,4 2,0 0,3 14,2 0,0 2,7 0,0 * Fazy krzemianowe: 1 Akermanit Ca 2 Mg(Si 2 O 7 ) 2 Fajalit Fe 2 SiO 4 3 Merwinit Ca 3 Mg(SiO 4 ) 2 4 Monticelit CaMg(SiO 4 ) 5 Kwarc SiO 2 6 Ca 2 SiO 4 7 Szkliwo Reaktywność różnych sortymentów koksu i koksiku Badania reaktywności przeprowadzono dla różnych sortymentów koksów, z różnych koksowni. Przeprowadzono oznaczenia reaktywności koksiku (w pełnym zakresie ziarnistości oraz po odsianiu frakcji poniżej 4 mm) oraz pozostałych sortymentów koksu, wykonując dla każdej z nich po dwa oznaczenia metodą, opisaną wcześniej. Przebadano następujące rodzaje koksików: koksik z Zakładów Koksowniczych Zdzieszowice, koksik z Koksowni Przyjaźń,

86 86 Marian Niesler koksik z ISD Częstochowa, koksik z AMP S.A. O. Kraków. Wskaźniki reaktywności K m różnych koksików, przedstawiono w tablicy 27. Zestawienie wskaźników reaktywności K m próbek koksiku wobec CO 2 Koksik ZK Zdzieszowice Koksik K. Przyjaźń Koksik AMP S.A. Kraków Koksik ISD Częstochowa w temperaturach 900 o C, 1000 o C i 1100 o C Sortyment koksiku Tablica 27 Wskaźnik reaktywności koksu, K m, m 3 /kg s 900 o C 1000 o C 1100 o C bez odsiewania 0, , ,44259 frakcja koksiku powyżej 4 mm 0, , ,00313 bez odsiewania 0, , ,22778 frakcja koksiku powyżej 4 mm 0, , ,40631 bez odsiewania 0, , ,27579 frakcja koksiku powyżej 3 mm 0, , ,48072 bez odsiewania 0, , ,27186 frakcja koksiku powyżej 4 mm 0, , ,45030 Wskaźniki reaktywności K m różnych sortymentów koksu, przedstawiono w celach porównawczych w tablicy 28. Tablica 28 Zestawienie wskaźników reaktywności K m różnych rodzajów i sortymentów koksów Wskaźnik reaktywności koksu, Sortyment koksu K m, m 3 /kg s 900 o C 1000 o C 1100 o C Koks wielkopiecowy ZK Zdzieszowice 0,0147 0,1591 0,4439 Koks-orzech II ZK Zdzieszowice 0,0328 0,2384 0,6944 Koks-groszek ZK Zdzieszowice 0,0503 0,2913 0,9199 Koks wielkopiecowy K. Przyjaźń 0,0001 0,0892 0,2494 Koks-groszek ZK Przyjaźń 0,0002 0,1196 0,4373 Koks wielkopiecowy AMP S.A. Kraków 0,0170 0,2262 0,7506 Koks-groszek AMP S.A. Kraków 0,0001 0,3414 1,9488 Koks wielkopiecowy ISD Częstochowa 0,0034 0,1599 0,4892 Koks groszek ISD Częstochowa 0,0264 0,3548 1,7468

87 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ 6.1. WPŁYW UZIARNIENIA I SPOSOBU WPROWADZANIA RÓŻNYCH SORTYMENTÓW KOKSU NA REDUKCYJNOŚĆ I PRZEWIEWNOŚĆ WYBRANYCH MATERIAŁÓW ŻELAZONOŚNYCH Analizując oddziaływanie różnych sortymentów koksu i sposoby ich wprowadzania do wsadu na przewiewność i redukcyjność tworzyw żelazonośnych stwierdzono, że najmniejsze opory przepływu gazu uzyskano przy stosowaniu koksu orzecha II i koksu groszku w osobnej warstwie (rys. 40). a) Spiek b) Odsiew spieku c) Ruda magnetytowa d) Grudki połtawskie Rys. 40. Spadek ciśnienia p we wsadzie w zależności od rodzaju tworzywa żelazonośnego, gatunku koksu i sposobu załadunku W przypadku stosowania koksiku w połączeniu ze spiekiem, odsiewem spieku lub grudkami ogólna przewiewność była gorsza, ale uzyskano największy wzrost redukcyjności wsadu (rys. 41). Analizując dobór danego sortymentu koksu do redukowanych tworzyw stwierdzono, że koksik najlepiej stosować w osobnej warstwie z odsiewem spieku, gdyż uzyskuje się wtedy największą redukcyjność. Jeśli do wsadu wielkopiecowego nie wprowadza się odsiewu spieku to najlepsza redukcyjność uzyskiwana była również w osobnej warstwie koksiku ze spiekiem. Nie należy mieszać koksiku z odsiewem spieku, gdyż powoduje to gwałtowny spadek redukcyjności. Koks groszek najlepiej redukuje rudę magnetytową zarówno w osobnej warstwie, jak i w mieszanej warstwie. Stosowanie koksu orzecha

88 88 Marian Niesler a) Spiek b) Odsiew spieku c) Ruda magnetytowa d) Grudki połtawskie Rys. 41. Stopień redukcji R t wsadu w zależności od rodzaju tworzywa żelazonośnego, gatunku koksu i sposobu załadunku II w osobnej warstwie daje najlepsze wyniki przy redukcji odsiewu spieku lub rudy magnetytowej. Stosując wsad kawałkowy (np. rudę magnetytową) najwyższy stopień redukcji uzyskano przy stosowaniu grubszych sortymentów koksu tj. koksu groszku i koksu orzecha w osobnej warstwie. Stosując wsad drobnoziarnisty ( np. odsiew spieku, grudki ) najwyższy stopień redukcji uzyskano przy stosowaniu koksiku w osobnej warstwie. Wprowadzenie natomiast w miejsce części koksu orzecha II koksiku (w ilości 3 7% całej ilości wprowadzanego koksu) spowodowało wzrost oporów przepływu gazu. Na rys. 42 przedstawiono, na przykładzie spieku, kształtowanie się spadku ciśnienia w warstwie wsadu w zależności od udziału koksiku. Rys. 42. Spadek ciśnienia p w warstwie spieku w zależności od udziału koksiku i sposobu załadunku

89 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 89 Wyniki badań są zgodne z danymi literaturowymi [11 27] z których wynika, że im większy zakres rozkładu wielkości ziarna tworzyw tym gorsze warunki przewiewnościowe. Wprowadzanie koksiku w ilości do 5% mas. w mieszanej warstwie ze spiekiem może być korzystne dla poprawy redukcyjności spieku, ale kosztem pogorszenia przewiewności (rys. 43). Rys. 43. Stopień redukcji R t spieku w zależności od udziału koksiku i sposobu załadunku Ze wzrostem udziału koksiku w redukowanej próbce pogarsza się przewiewność zarówno w osobnej warstwie, jak i mieszanej warstwie. Powyżej 5% mas. udziału koksiku korzystniej jest wprowadzać go w osobnej warstwie. Najwyższą redukcyjność spieku uzyskano przy 7% mas. udziale koksiku we wsadzie w osobnej warstwie, ale przy najgorszej przewiewności. Dla ograniczenia spadku przewiewności w tym przypadku, należałoby zmniejszyć zakres ziarnistości koksiku np. poprzez odsianie podziarna. Pogorszenie przewiewności (w górnej strefie suchej wielkiego pieca) może być korzystne dla wykorzystania CO zawartego w gazie wielkopiecowym. Nie musi to oznaczać pogorszenia ogólnej przewiewności wsadu, bo w strefie kohezji gdzie jest najgorsza przewiewność zmniejsza się ilość drobnoziarnistego koksu, który ulega wcześniejszemu zgazowaniu. Reasumując, stosowanie osobnej warstwy jednego ściśle określonego sortymentu koksu z danym tworzywem żelazonośnym jest skuteczniejsze, ze względu na lepszą przewiewność i redukcyjność wsadu, niż stosowanie go w mieszanej warstwie. W przypadku stosowaniu dwóch sortymentów koksu możliwe jest uzyskanie lepszego stopnia redukcji tworzywa żelazonośnego przy zastosowaniu mieszanej warstwy, ale trzeba wziąć pod uwagę pogorszenie przewiewności wsadu.

90 90 Marian Niesler 6.2. WPŁYW UZIARNIENIA I SPOSOBU WPROWADZANIA RÓŻNYCH SORTYMENTÓW KOKSU NA REDUKCYJNOŚĆ, PRZEWIEWNOŚĆ I WŁAŚCIWOŚCI TERMOPLASTYCZNE SPIEKU Z analizy danych zawartych w tablicy 23 oraz rys wynika, że z obniżeniem wielkości ziarna koksu użytego do redukcji wzrasta ilość tlenków że- Rys. 44. Zawartość hematytu w zredukowanym spieku w zależności od sposobu załadunku i sortymentu koksu użytego do redukcji Rys.45. Zawartość magnetytu w zredukowanym spieku w zależności od sposobu załadunku i sortymentu koksu użytego do redukcji Rys. 46. Zawartość wistytu w zredukowanym spieku w zależności od sposobu załadunku i sortymentu koksu użytego do redukcji

91 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 91 laza na niższym stopniu utlenienia, co sugeruje lepsze wykorzystanie energii chemicznej zawartej w stosowanych sortymentach koksu. Widać tu również wyraźną tendencję mówiącą o tym, że w mieszanej warstwie można uzyskać zdecydowanie większe ilości wistytu, wahające się od około 8% mas. przy redukcji koksem orzechem do ponad 36% przy redukcji koksikiem, w porównaniu z 6 10% mas. zawartością wistytu w osobnej warstwie. Również stosując dodatek koksu groszku lub koksiku do koksu orzecha wyraźnie lepsze warunki redukcji uzyskano przy mieszanej warstwie (mieszana warstwa ilość wistytu 16,9 27,3% mas., przy osobnej warstwie ilość powstałego wisty tu wynosiła 13,0 22,0% mas.). Można więc pokusić się o wniosek, że im mniejsza wielkość ziarna sortymentu koksu, a co za tym idzie, większe jego pole powierzchni, tym lepszy kontakt koks tworzywo żelazonośne, co zwiększa możliwość dyfuzji gazu redukcyjnego w głąb ziarna tworzywa i umożliwia lepsze warunki redukcji. Na rys. 47 a,b,c przedstawiono przykładową rentgenowską analizę dyfrakcyjną spieku redukowanego koksem orzechem w osobnej i mieszanej warstwie. Na rys. 48 przedstawiono, oglądany pod mikroskopem, przykładowy skład fazowy zredukowanego spieku w zależności od stosowanego reduktora. W analizowanym spieku przed redukcją wielkość ziaren faz tlenków żelaza wahała się w granicach μm. Wśród tlenków żelaza magnetyt stanowił główną fazę we wszystkich zredukowanych próbkach, co potwierdza rentgenowska analiza dyfrakcyjna. Hematyt, oprócz spieku bazowego (przed redukcją) występował w niewielkich ilościach, rzędu kilku procent. Udział wistytu zmienia się od 6,2 do 36,5%. Głównym składnikiem fazy krzemianowej był monticellit (CaMg(SiO4). Merwinit i akermanit występują w niewielkich ilościach. Widoczne są pod mikroskopem bardzo drobne ziarna tlenków żelaza, przy powierzchni bocznej i coraz większe w głębi ziarna spieku. Czarne punkty wewnątrz spieku to powstałe w wyniku redukcji nowe pory. Z rys. 48 widać wyraźnie, że struktura spieku po redukcji koksikiem, w mieszanym systemie załadunku, charakteryzuje się silnym rozdrobnieniem. Wielkość ziarna zmniejszyła się do kilku μm. Jak już wcześniej wspomniano, wyższe stopnie redukcji R t spieku uzyskuje się w osobnej warstwie. Należy jednak brać pod uwagę fakt, że w warunkach wielkiego pieca nie stosuje się w 100% drobnoziarnistych sortymentów koksu (dotyczy to przede wszystkim koksu groszku i koksiku), ze względu na drastyczne pogorszenie przewiewności wsadu, a co za tym idzie obniżenie wydajności wielkiego pieca. Wariant ten w warunkach laboratoryjnych został pokazany w celu porównania wpływu poszczególnych drobnoziarnistych sortymentów koksu na redukcyjność wsadu. Praktyczny charakter stosowania drobnoziarnistych sortymentów koksu przedstawiono na rys. 49, gdzie pokazano porównawczo topień redukcji

92 92 Marian Niesler Rys. 47 a. Rentgenowska analiza dyfrakcyjna spieku żelaza w stanie wyjściowym

93 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 93 Rys. 47 b. Rentgenowska analiza dyfrakcyjna spieku żelaza po redukcji koksem orzechem w systemie warstwowym

94 94 Marian Niesler Rys. 47 c. Rentgenowska analiza dyfrakcyjna spieku żelaza po redukcji koksem orzechem w systemie mieszanym

95 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 95 a) Spiek przed redukcją b) Koksik c) Groszek b) Orzech Rys. 48. Porównanie faz spieku po redukcji w osobnej warstwie w zależności od stosowanego reduktora. Powiększenie 400 ; Pola jasne hematyt; Pola szare magnetyt; Pola ciemnoszare szkliwo; Pola czarne pory Rys. 49. Zależność stopnia redukcji spieku przy zamianie części koksu orzecha koksikiem lub koksem groszkiem

96 96 Marian Niesler spieku, przy zastosowaniu samego koksu orzecha oraz z dodatkami koksu groszku lub koksiku, tak jak to praktycznie stosowane jest w wielkich piecach ArcelorMittal Poland S.A. Z analizy danych pokazanych na tym wykresie wynika, że w warunkach wielkich pieców stosowanie dodatków drobnoziarnistych sortymentów koksu (groszku lub koksiku) wpływa silnie na poprawę redukcyjności wsadu, ze zdecydowanym wskazaniem na mieszaną warstwę koksu drobnoziarnistego ze wsadem żelazonośnym. Stopień redukcji spieku przy stosowaniu koksiku w mieszanej warstwie jest wyższy niż w osobnej warstwie. Podobna tendencja wystąpiła przy stosowaniu dodatku koksu groszku jako zamiennika części koksu orzecha II. Innym wynikiem użytkowym, który może mieć praktyczne znaczenie w procesie wielkopiecowym były właściwości wytrzymałościowe zredukowanego spieku, tablica 23. Porównując wskaźniki rozpadu spieku po redukcji stwierdzono, że przy stosowaniu jednego sortymentu koksu właściwości wytrzymałościowe uzyskane przy stosowaniu osobnej warstwy są porównywalne z mieszaną warstwą. Widać jednak, że właściwości wytrzymałościowe pogarszają się ze wzrostem stopnia redukcji. Im drobniejszy sortyment koksu został zastosowany w procesie, tym lepiej redukował się spiek, ale jednocześnie powodował spadek jego właściwości wytrzymałościowych. Zastosowanie natomiast dwóch sortymentów koksu powodował bardzo wyraźny spadek wytrzymałości spieku po redukcji objawiający się wzrostem ilości frakcji spieku poniżej 0,5 mm. Taki miał może powodować wzrost oporów dla przepływu gazu w szybie wielkiego pieca. Nie stwierdzono natomiast istotniejszych odchyleń temperatur początku i końca mięknięcia zredukowanego spieku dla poszczególnych wariantów redukcji, tablica 25. Należy jednak wziąć pod uwagę fakt, że w osobnej warstwie przy stosowaniu dodatku groszku lub koksiku jako zamiennika części koksu orzecha uzyskano najniższy zakres mięknięcia wynoszący o C. Dla tego samego wariantu, ale w mieszanej warstwie zakres temperatur mięknięcia wynosił o. Może to oznaczać, że rozszerzony zakres mięknięcia spieku może spowodować trudności w przepływie gazów przez taką strefę WPŁYW WIELKOŚCI ZIARNA RÓŻNYCH SORTYMENTÓW KOKSU NA ICH REAKTYWNOŚĆ Określone podczas oznaczeń dla każdej próbki koksiku zawartości CO 2 w gazie poreakcyjnym w temperaturze 900, 1000 i 1100 o C przedstawiono na rys Z przedstawionych danych wynika, że we wszystkich przypadkach, szczególnie w temperaturach 1000 i 1100 o C, ilość CO 2 w gazie poreakcyjnym była niższa, przy oznaczaniu reaktywności koksiku po odsianiu z niego podziarna poniżej 4 mm. Świadczy to o tym, ze koksik o uziarnieniu naturalnym

97 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 97 Rys. 50. Zmiany zawartości CO 2 w gazie poreakcyjnym dla koksiku bez odsiewania i dla frakcji koksiku powyżej 4 mm z ZK Zdzieszowice Rys. 51. Zmiany zawartości CO 2 w gazie poreakcyjnym dla koksiku bez odsiewania i dla frakcji koksiku powyżej 4 mm z K. Przyjaźń Rys. 52. Zmiany zawartości CO 2 w gazie poreakcyjnym dla koksiku bez odsiewania i dla frakcji koksiku powyżej 3 mm z AMP O. Kraków

98 98 Marian Niesler Rys. 53. Zmiany zawartości CO 2 w gazie poreakcyjnym dla koksiku bez odsiewania i dla frakcji koksiku powyżej 4 mm z ISD Częstochowa (bez odsiewania z niego podziarna) jest mniej reaktywny, co można tłumaczyć gorszą przewiewnością i związanym z tym utrudnionym przepływem gazu, a tym samym mniejszą powierzchnią kontaktu pomiędzy koksikiem i gazem przepływającym przez próbkę [11 27, 80 89, ]. Z danych tych wynika również, że zróżnicowanie reaktywności pogłębia się ze wzrostem temperatury. W warunkach oznaczeń jest ona najwyraźniejsza w temperaturze 1100 o C. Najniższymi wartościami wskaźnika reaktywności charakteryzował się koksik o uziarnieniu naturalnym z K. Przyjaźń, natomiast najwyższymi wartościami, wyraźnie odstającymi od wartości pozostałych, koksik z ZK Zdzieszowice z odsianym podziarnem poniżej 4 mm. Wskaźniki reaktywności K m dla różnych koksików, przedstawiono na rys. 54. Wskaźniki reaktywności K m dla różnych sortymentów koksu, przedstawiono w celach porównawczych na rys W przypadku koksowni ZK Zdzieszowice najbardziej reaktywny, zwłaszcza w temperaturze powyżej 1000 o C jest koksik o uziarnieniu powyżej 4 mm, po czym kolejno koks groszek, koks orzech II oraz koks wielkopiecowy. Podobnie przedstawia się układ wartości wskaźników reaktywności koksiku o uziarnieniu powyżej 4 mm i koksu groszku oraz koksu wielkopiecowego z K. Przyjaźń. Na podkreślenie zasługuje fakt, że w obu przypadkach wartości wskaźnika reaktywności koksu wielkopiecowego i koksiku o uziarnieniu naturalnym (bez odsiewania podziarna) są bardzo zbliżone. W przypadku koksów z AMP O.Kraków i ISD Częstochowa wyraźnie najwyższe wartości wskaźnika reaktywności posiadał koks groszek. W tych ostatnich przypadkach nie zaobserwowano tak istotnych różnic w wartościach wskaźników reaktywności pomiędzy koksikiem o uziarnieniu naturalnym, a koksikiem z odsianym podziarnem poniżej 3 lub 4 mm. Najmniej reaktywne są sortymenty koksu (koks wielkopiecowy i koks groszek) z K. Przyjaźń, a najbardziej z AMP O. Kraków.

99 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 99 Rys. 54. Reaktywność koksików z wybranych koksowni Rys. 55. Wskaźnik reaktywności K m dla różnych sortymentów koksu z ZK Zdzieszowice

100 100 Marian Niesler Rys. 56. Wskaźnik reaktywności K m dla różnych sortymentów koksu z K.Przyjażń Rys. 57. Wskaźnik reaktywności K m dla różnych sortymentów koksu z AMP O.Kraków Z przedstawionych danych wynika, że ze wzrostem średniej wielkości ziarna zmniejsza się reaktywność koksu co jest wynikiem zmniejszania się pola powierzchni sortymentu koksu. Można więc przypuszczać, że w warunkach wielkiego pieca koksik zacznie w pierwszej kolejności ulegać reakcji zgazowania, jako najbardziej reaktywny w niższych temperaturach w porównaniu

101 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 101 Rys. 58. Wskaźnik reaktywności K m dla różnych sortymentów koksu z ISD Częstochowa Rys. 59. Wskaźnik reaktywności K m koksu wielkopiecowego z różnych koksowni do stosowanych aktualnie sortymentów koksu. Przy małych ilościach koksiku może więc nastąpić całkowite jego zgazowanie przed zejściem do rejonu wysokich temperatur w wielkim piecu. Tendencję tę zaobserwowano również podczas przeprowadzonych badań, obserwując znaczące ubytki masy koksiku po 90 min. zgazowywania, w zależności od sposobu załadunku tworzyw (tablica 24).

102 102 Marian Niesler Rys. 60. Wskaźnik reaktywności K m koksu groszku z różnych koksowni 6.4. WYNIKI OBLICZEŃ BILANSU CIEPLNO MATERIAŁOWEGO WIELKIEGO PIECA PRZY WYKORZYSTANIU PROGRAMU BILANS Z UWZGLĘDNIENIEM STOSOWANIA W PROCESIE DROBNOZIARNISTYCH SORTYMENTÓW KOKSU Na podstawie bilansu cieplnego można przewidywać wyniki pracy wielkiego pieca i porównywać wyniki eksploatacji różnych wielkich pieców. Bilans cieplny umożliwia ocenę pracy wielkiego pieca i prognozowanie zużycia koksu oraz określenie wzajemnych zależności poszczególnych wskaźników procesu. W praktyce wielkopiecowej, w warunkach ruchowych, ze względu na bardzo skomplikowane obliczenia, przeważnie nie bierze się pod uwagę, przy zestawianiu namiaru wielkopiecowego wszystkich czynników wpływających na jednostkowe zużycie koksu (np. strat ciepła w wodzie chłodzącej piec, ciepło ciekłej surówki, ciepło ciekłego żużla, zewnętrzne straty ciepła itp.). Obliczenia dotyczące jednostkowego zużycia koksu oraz jednostkowych kosztów wsadu są więc przyjmowane w przybliżeniu. Może to prowadzić do dużych błędów przy opracowywaniu optymalnych warunków wsadowych oraz określaniu optymalnych parametrów i wskaźników procesu wytwarzania określonych gatunków surówki. Próba stworzenia więc uniwersalnego programu komputerowego, wykorzystującego bilans cieplny wielkiego pieca, ujmującego wzajemne zależności poszczególnych wskaźników procesu, w tym stosowanie różnych sortymentów koksu, winna umożliwić optymalizację procesu wielkopiecowego [ ].

103 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 103 Program jest kolejnym elementem zaproponowanej metodyki badawczej, której celem jest sprawdzenie praktyczne uzyskanych wyników badań. Ponadto daje narzędzie umożliwiające bieżące śledzenia przez technologów, jak zamiana jednego sortymentu na drugi wpływa na proces wielkopiecowy od strony cieplnej, a także kosztowej. W celu weryfikacji poprawności działania programu utworzono bazy danych obejmujące rzeczywiste parametry pracy wielkich pieców w wytypowanych polskich hutach. Zestawiono parametry i wskaźniki techniczno-technologiczne występujące przy produkcji w wielkich piecach: surówki przeróbczej, hematytowej surówki odlewniczej, surówki specjalnej (surówka zawierająca Mn max 0,05%, P max 0,05%), żelazomanganu wielkopiecowego. Tak szeroka weryfikacja miała określić uniwersalność obliczeniową programu, nie tylko co do gatunków produkowanych surówek, ale również różnych warunków wsadowych stosowanych w polskich wydziałach wielkopiecowych przy różnych pojemnościach wielkich pieców Działanie programu BILANS Program o nazwie BILANS składa się z sześciu okien: Dane I, Dane II, Dane III, Wyniki I, Wyniki II oraz Informacje, gdzie wpisujemy niezbędne dane potrzebne do prawidłowego działania programu. Okno Dane I W oknie tym wpisujemy dane dotyczące (rys. 61): jednostkowego zużycia poszczególnych tworzyw żelazonośnych i topników, ich składów chemicznych oraz zawartości w nich wilgoci, wydmuchu i składu chemicznego pyłu wielkopiecowego, składu wdmuchiwanego paliwa. Okno Dane II W oknie tym wpisujemy dane dotyczące (rys. 62): sortymentów koksów użytych w procesie wielkopiecowym, ich właściwości oraz analizy chemicznej popiołu kosztów tworzyw metalurgicznych i kosztów ich transportu Okno Dane III W oknie tym wpisujemy dane dotyczące (rys. 63): zakładanego składu surówki podstawowych parametrów technologicznych współczynników przyjętych do obliczeń

104 104 Marian Niesler Rys. 61. Okno programu BILANS Dane I Rys. 62. Okno programu BILANS Dane II

105 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 105 Rys. 63. Okno programu BILANS Dane III Rys. 64. Okno programu BILANS Wyniki I

106 106 Marian Niesler Rys. 65. Okno programu BILANS Wyniki II Okna Wyniki I, Wyniki II Po naciśnięciu przycisku Oblicz w oknie Wyniki I program automatycznie oblicza wartości zużycia koksu, ilości i składu żużla, bilans żelaza, faktyczne parametry technologiczne, a także całkowite koszty wsadu, pokazane w oknie Wyniki I. Równocześnie w oknie Wyniki II zostają wyświetlone wartości zużycia tworzyw w przeliczeniu na stan suchy oraz zestawienie zużycia koksów w rozbiciu na sortymenty (rys. 64 i 65) Wyniki testów praktycznych programu BILANS Program BILANS został przetestowany praktycznie na danych odnoszących się do czterech polskich wielkich pieców produkujących surówkę przeróbczą, hematytową surówkę odlewniczą, surówkę specjalną oraz żelazomangan wielkopiecowy. Wyniki obliczeń korelowały w sposób zadowalający z rzeczywistymi parametrami i wskaźnikami procesu wielkopiecowego, bez względu na gatunek produkowanej surówki, jak również pojemność wielkiego pieca. Występujące różnice pomiędzy obliczonymi wartościami a wartościami rzeczywistymi wynosiły maksymalnie około 6%. Występujące rozbieżności pomiędzy obliczonymi wartościami, a wartościami ruchowymi mogą zostać znacząco ograniczone poprzez zwiększenie do-

107 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 107 kładności pomiarów temperatury surówki i żużla, zewnętrznych strat ciepła oraz ilości powstającego żużla i pyłu wielkopiecowego. Wymienione rozbieżności można również w pewnym stopniu korygować przy pomocy empirycznych współczynników, które odzwierciedlają średnie zależności wydmuchu pyłu, strat ciepła, stopni redukcji itd. dla konkretnych gatunków surówek. Z przeprowadzonych w programie wyliczeń wynika, że współczynniki te dostatecznie odzwierciedlają charakter procesów zachodzących w wielkim piecu. Należy jednak dążyć do eliminowania tych współczynników na rzecz mierzalnych wartości, które są specyficzne i inne dla każdego wielkiego pieca nawet tej samej pojemności. Im więcej będzie rzeczywistych wartości, uzyskanych dla konkretnej jednostki, tym wierniej program będzie przedstawiał wartości wskaźników i parametrów procesu wielkopiecowego. Ogromną zaletą tego programu jest prostota jego obsługi. W warunkach przemysłowych dane niezbędne dla działania programu może wpisywać np. nagrzewnicowy lub mistrz prowadzący wielki piec, gdyż jest on wzorowany na podstawowych danych rejestrowanych w książkach raportowych mistrza wielkiego pieca. W praktyce wielkopiecowej, w warunkach ruchowych, ze względu na bardzo skomplikowane i czasochłonne obliczenia, przeważnie nie bierze się pod uwagę, przy zestawianiu i korekcie namiaru wielkopiecowego wszystkich czynników wpływających na jednostkowe zużycie koksu. Obliczenia dotyczące zużycia koksu lub kosztów wsadu są przyjmowane w przybliżeniu. Program ten przy każdej korekcie namiaru wielkopiecowego, zmianie gatunku rudy, gatunku surówki i sortymentu koksu, automatycznie wskazuje obsłudze wielkiego pieca możliwe skutki tego działania, jeszcze przed podjęciem ostatecznej decyzji o jej zmianie. Program ten umożliwia również analizowanie wpływu zmiany jednego lub wielu parametrów procesu wielkopiecowego (np. temperatury dmuchu, ciśnienia gazów gardzielowych, zawartości Si w surówce itd.) na zużycie koksu, wydajność produkcyjną itd. Niezwykle cennym uzupełnieniem tego programu jest również to, że dzięki wbudowaniu w ten program algorytmu do obliczania jednostkowych kosztów wsadu, opisane wcześniej zmiany pewnych parametrów procesu automatycznie wskazują na finansowe konsekwencje takiego działania. Umożliwia więc on nie tylko zestawianie namiaru wielkopiecowego najlepszego pod względem metalurgicznym, ale jednocześnie najbardziej opłacalnego od strony kosztów produkcji surówki. Biorąc pod uwagę dotychczasowe, czasochłonne, uproszczone metody obliczeń namiarów wielkopiecowych, których wyniki obliczeń są znacznie mniej dokładne (ze względu na pomijanie istotnych elementów oddziaływujących na wskaźniki procesu wielkopiecowego), opracowany program może być przedmiotem zainteresowania technologów wydziałów wielkopiecowych, jako pomocne narzędzie oceny, umożliwiające optymalizację procesu wielkopiecowego. Program BILANS nie jest programem wyczerpującym wszelkie elementy bilansu cieplno-materiałowego procesu wielkopiecowego. Przewidziano moż-

108 108 Marian Niesler liwość jego wzbogacenia o nowe bloki tematyczne, dzięki którym jeszcze precyzyjniej będzie można obliczać parametry i wskaźniki procesu wielkopiecowego, wykorzystując najnowsze trendy i wyniki badań zarówno polskiego jak i zagranicznego wielkopiecownictwa. Istotnym elementem doskonalenia programu jest polepszanie metod pomiaru poszczególnych parametrów procesu. Dotyczy to aerodynamiki procesu, optymalizacji cieplnej i chemicznej oraz roli np. pierwiastków szkodliwych itp. tak jak prezentują to autorzy [ ].

109 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym WERYFIKACJA WYNIKÓW BADAŃ LABORATORYJNYCH W WARUNKACH PRZEMYSŁOWYCH ARCELORMITTAL POLAND S.A. W wyniku dotychczasowych prac badawczych prowadzonych wspólnie przez krajowe huty zintegrowane (obecnie ArcelorMittal Poland S.A.) i IMŻ w Gliwicach w zakresie zastosowania drobnoziarnistych materiałów wsadowych w wielkim piecu, zostały opracowane i wdrożone technologie wprowadzania koksu orzecha II, koksu groszku i odsiewu spieku. Aktualnie w wielkich piecach ArcelorMittal S.A. Oddział w Dąbrowie Górniczej. stosowane są koks groszek w ilości ok. 40 kg/mg surówki, koks orzech II w ilości ok. 40 kg/mg surówki oraz odsiew spieku w ilości ok. 50 kg/ Mg surówki. Pozwoliło to nie tylko na zastąpienie części koksu wielkopiecowego tańszymi sortymentami koksu, lecz także na obniżenie jednostkowego zużycia koksu wielkopiecowego, wynikające z określonego wcześniej, korzystnego współczynnika ich zamiany. Kolejnym etapem tych prac jest zastosowanie najtańszego sortymentu koksu hutniczego, jakim jest koksik, bezpośrednio w wielkim piecu, jako zamiennika części stosowanych obecnie droższych sortymentów koksu. Zastosowanie koksiku w wielkim piecu nie może jednak odbywać się kosztem pogorszenia warunków pracy wielkich pieców, co mogłoby prowadzić do obniżenia, a nawet zniweczenia efektywności ekonomicznej, wynikającej z zastosowania tańszego paliwa w wielkim piecu [28 72]. Uwzględniając fakt, że najprostszym technicznie rozwiązaniem byłoby stosowanie koksiku o naturalnym uziarnieniu, założono jego jednostkowe zużycie we wsadzie wielkopiecowym na poziomie ok. 15 kg/mg surówki BADANIA WARUNKÓW PRZEWIEWNOŚCI WSADU Z UDZIAŁEM KOKSIKU Przeprowadzono obliczenia wpływu na przewiewność wsadu wielkopiecowego, zastosowania w nim koksiku (poniżej 10 mm) jako zamiennika części koksu-groszku, koksu-orzech II lub koksu wielkopiecowego, w zakresie do 40 kg/mg sur., z uwzględnieniem różnych sposobów jego wprowadzania do wielkiego pieca. Badania te przeprowadzono w oparciu o równania (5) i (6) opisane w rozdziale 2.1. W analizowanych sytuacjach wsadowych, celem wyeliminowania ich wpływu na zmiany warunków przewiewności, związanych z wynikową zmianą wysokości warstwy naboju, obliczone wartości p odnoszono do jednostkowej wysokości warstwy jaka, byłaby tworzona przez te naboje w przestrzeni cylindrycznej o średnicy równej średnicy gardzieli wielkiego pieca AMP S.A. Oddział w Dąbrowie Górniczej 8,9 m.

110 110 Marian Niesler Biorąc pod uwagę, że te badania modelowe miały na celu porównanie warunków przewiewnościowych dla różnych wariantów wsadowych z zastosowaniem koksiku, a nie określenie ich wartości bezwzględnych, dla uproszczenia przyjęto następujące założenia: ciśnienie gazu ok. 0,2 MPa, temperatura w gardzieli wielkiego pieca 300 C, szybkość przepływu gazów, w o 0,1 m/s, lepkość gazu wielkopiecowego, μf(300 C) 2, Pa s, gęstość gazu wielkopiecowego, (300 o C) 1,2 kg/m 3 Jako sytuację wyjściową do przeprowadzonej analizy przyjęto nabój złożony z następujących tworzyw stosowanych w AMP S.A. (przy średnim ich zużyciu na nabój za 12 miesięcy): koks wielkopiecowy 19,0 Mg, spiek skipowy + koks-orzech II 65,0 Mg + 1,8 Mg, grudki + koks-groszek + odsiew spieku 9,0 Mg + 1,8 Mg + 1,8 Mg, żużel konwertorowy 1,1 Mg, żużel żelazomanganowy 0,3 Mg. Wykonano obliczenia z uwzględnieniem oznaczonych ciężarów nasypowych tworzyw i różnych klas ziarnowych koksu oraz pełnych, średnich składów ziarnowych i zakresów ziarnistości z dolną granicą, wynikającą z wielkości oczek sit stosowanych w warunkach wielkich pieców AMP S.A. Średnie wartości oznaczonych ciężarów nasypowych różnych klas ziarnowych koksików zastosowanych do badań oraz ich średnie wielkości ziarna przedstawiono w tablicy 29. Tablica 29 Średnie wartości oznaczonych ciężarów nasypowych różnych klas ziarnowych koksiku z Zakładów Koksowniczych Zdzieszowice i z Koksowni Przyjaźń oraz ich średnie wielkości ziarna Klasa ziarnowa koksik z ZK Zdzieszowice Średnia wielkość ziarna mm Ciężar nasypowy (stan mokry) kg/m 3 koksik z ZK Przyjaźń Średnia wielkość ziarna mm Ciężar nasypowy (stan mokry) kg/m ,0 715,0 3,8 579, ,2 626,8 4,8 525, ,3 569,0 5,6 478, ,1 545,0 7,2 457, ,8 572,0 8,2 469, ,1 566,0 9,3 463, ,0 529,2 11,0 446,0

111 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 111 Przeanalizowano następujące układy wsadowe wprowadzania koksiku do wsadu wielkopiecowego: koksik w mieszaninie z koksem wielkopiecowym, koksik w mieszaninie z koksem-orzech II i ze spiekiem, koksik w mieszaninie z koksem-groszkiem, z grudkami i odsiewem spieku, koksik jako osobna warstwa. Obliczenia przeprowadzono dla pełnego zakresu uziarnienia koksiku z ZK Zdzieszowice i z K. Przyjaźń, przy czym ekwiwalent ilości dodawanego do wsadu koksiku odejmowano od ilości koksu wielkopiecowego lub koksu groszku lub koksu orzecha II. Wyniki tych obliczeń, określających zmianę procentową p % w stosunku do układu wyjściowego, ze zmianą ilości i sposobu wprowadzania koksiku do wsadu wielkopiecowego, dla różnych klas ziarnowych koksiku (powyżej 6, 4 i 0 mm) przedstawiono graficznie na rys dla koksiku z K. Przyjaźń i na rys z ZK Zdzieszowice. Przy każdym z rysunków przedstawiono szczegółowe warianty wsadowe. Przeanalizowano także układ wsadowy, w którym koksik był wprowadzany do mieszaniny koksu orzecha II ze spiekiem, przy czym koksik stanowił zamiennik koksu-groszku (bez udziału koksu groszku we wsadzie). Rys. 66. Kształtowanie się p w zależności od ilości wprowadzanego koksiku z K. Przyjaźń z koksem wielkopiecowym

112 112 Marian Niesler Rys. 67. Kształtowanie się p w zależności od ilości wprowadzanego koksiku z K. Przyjaźń z koksem orzechem II i ze spiekiem Rys. 68. Kształtowanie się p w zależności od ilości wprowadzanego koksiku z K. Przyjaźń z koksem groszkiem, grudkami i z odsiewem spieku

113 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 113 Rys. 69. Kształtowanie się p w zależności od ilości wprowadzanego koksiku z K. Przyjaźń jako osobna warstwa Rys. 70. Kształtowanie się p w zależności od ilości wprowadzanego koksiku z ZK Zdzieszowice z koksem wielkopiecowym

114 114 Marian Niesler Rys. 71. Kształtowanie się p w zależności od ilości wprowadzanego koksiku z ZK Zdzieszowice z koksem orzechem II i ze spiekiem Rys. 72. Kształtowanie się p w zależności od ilości wprowadzanego koksiku z ZK Zdzieszowice z koksem groszkiem, grudkami i z odsiewem spieku

115 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 115 Rys. 73. Kształtowanie się p w zależności od ilości wprowadzanego koksiku z ZK Zdzieszowice jako osobna warstwa Na rys. 74 przedstawiono warunki przewiewności układów wsadowych przy wprowadzaniu koksiku według tego sposobu dla poszczególnych zakresów ziarnowych koksiku z ZK Zdzieszowice. Rys. 74. Kształtowanie się p w zależności od ilości wprowadzanego koksiku z ZK Zdzieszowice z koksem orzechem II i ze spiekiem. Uwaga: Wariant bez koksu groszku

116 116 Marian Niesler Na rys. 75 przedstawiono wariant wsadowy, w którym koksik był wprowadzany w mieszaninie ze spiekiem, jako zamiennik koksu orzecha II (bez udziału koksu orzecha II we wsadzie). Rys. 75. Kształtowanie się p w zależności od ilości wprowadzanego koksiku z ZK Zdzieszowice ze spiekiem. Uwaga: Wariant bez koksu orzecha II Rys. 76. Kształtowanie się p w zależności od ilości wprowadzanego koksiku z ZK Zdzieszowice w mieszaninie ze spiekiem, koksem groszkiem, koksem orzechem II oraz odsiewem spieku

117 Rola ziarnistości koksu w procesie wielkopiecowym 117 Na rys. 76 przedstawiono wariant, w którym wszystkie składniki wsadowe, oprócz koksu wielkopiecowego, stanowiły mieszaninę zasypywaną w jednej warstwie. Na podstawie analizy badań modelowych można stwierdzić, że na warunki przewiewności wsadu nie ma większego wpływu z jakiej koksowni pochodzi koksik. Z danych tych wynika również, że przy wprowadzaniu koksiku do wsadu wielkopiecowego, bardziej istotne znaczenie dla przewiewności wsadu ma to jaki sortyment koksu i w jakiej ilości jest nim zastępowany, aniżeli odsianie z koksiku podziarna poniżej 4 czy 6 mm (rys. 66 i 70). Jak wynika z porównania danych przedstawionych na rys. 67 i 71 względem danych przedstawionych na rys. 66 i 70, przy stosowaniu koksiku jako zamiennika koksu wielkopiecowego, korzystniej w uwzględnieniu przewiewności wsadu jest dodawać go do koksu wielkopiecowego, aniżeli do mieszaniny koksu orzecha II ze spiekiem. Natomiast jako najgorszy wariant należy całkowicie wykluczyć wprowadzanie koksiku w mieszaninie z koksem groszkiem, grudkami i odsiewem spieku. Przy stosowaniu koksiku jako zamiennika jednego z obecnie stosowanych sortymentów koksu w wielkim piecu, najkorzystniej z uwzględnieniem warunków przewiewności wsadu byłoby wprowadzenie go jako osobnej warstwy (rys. 69 i 73). W przypadku wprowadzania do wsadu koksiku jako osobnej warstwy, duże znaczenie dla poprawy warunków przewiewności wsadu ma odsianie najdrobniejszych frakcji poniżej 4 mm. Absolutnie niedopuszczalne jest w tym przypadku stosowanie koksiku w pełnym jego zakresie ziarnistości, to jest od 0 do 12 mm (bez odsiewania podziarna). Z tego względu, jak i z przyczyn technologicznych, przyjęto założenie wprowadzania koksiku w mieszanej warstwie. Przy wprowadzaniu koksiku w ilości ok kg/mg sur. w mieszaninie z koksem orzechem II i spiekiem, po wycofaniu 40 kg/mg sur. koksugroszku, warunki przewiewności wsadu praktycznie nie powinny się zmienić, a przy niższych ilościach koksiku mogą nawet się poprawić w zależności od uziarnienia stosowanego koksiku i sposobu jego wprowadzania do wsadu (rys. 74). Zdecydowanie mniej korzystne jest natomiast, wycofanie ze wsadu koksu orzecha II dla wprowadzenia w jego miejsce koksiku, rys. 74 i 75). Również przy wprowadzaniu koksiku do wsadu, stanowiącego jednowarstwową mieszaninę (bez koksu wielkopiecowego) korzystniejszym jest stosowanie go jako zamiennika koksu groszku, aniżeli koksu orzecha II, rys. 76. Z przeprowadzonych badań modelowych wynika, że zastosowanie koksiku w wielkim piecu na ogół (poza przypadkiem wycofania koksu-groszku) może wpływać na zmniejszenie przewiewności wsadu w stanie suchym, przy czym wpływ ten może być dość zróżnicowany. Nie jest to jednak równoznaczne z pogorszeniem przewiewności wsadu w wielkim piecu, bowiem jak wynika

118 118 Marian Niesler z przeprowadzonej analizy, zastosowanie koksiku może poprawiać przewiewność w strefie kohezji, a więc w strefie, gdzie następuje wyraźny wzrost oporu przepływu gazu. Ponadto nieznaczny wzrost oporu przepływu gazu w strefie suchej, zwłaszcza przy nadmiernej przewiewności stosowanego wsadu może oddziaływać korzystnie na poprawę stopnia wykorzystania energii cieplnej i chemicznej gazu w tym rejonie [90, 108, 149, 150, 159]. Z przeprowadzonych badań wynika również, że przy ok. 15 kg koksiku/mg surówki, wprowadzanego w mieszanej warstwie, najmniejszy spadek przewiewności, jak również najmniejsze zróżnicowanie w tym zakresie występuje przy zastępowaniu koksikiem części następujących sortymentów koksu dla systemu wprowadzania: koks wielkopiecowy, koks-groszek + grudki + odsiew spieku, koks-orzech II + koksik + spiek, a także przy całkowitej mieszaninie tworzyw żelazonośnych z sortymentami koksu o obniżonej ziarnistości i oddzielnym zasypie podstawowego naboju koksowego. Należy nadmienić, że przy częściowym udziale koksiku we wsadzie, nieznaczny wzrost oporu przepływu gazu w strefie suchej stwarza dodatkowe możliwości regulacji przepływu gazu, poprzez zagęszczanie określonych rejonów na przekroju poprzecznym pieca, punktowo, segmentowo, lub na całym obwodzie na określonym pierścieniu w zależności od potrzeb, bliżej lub dalej umiejscowionych względem obmurza. Można też zwiększać jednorazowe porcje zasypywanego koksiku poprzez jego wprowadzanie co któryś nabój, sumując ilości przypadające na każdy z nabojów wsadowych. Proponowany rozkład wsadu, zagęszczający zewnętrzne pierścienie przekroju pieca w strefie suchej przedstawiono na rys. 77. Rys. 77. Proponowany rozkład materiałów wsadowych, zagęszczający rejony obrzeża wielkiego pieca; A koks groszek + odsiew spieku + grudki, B Koks orzech II + koksik + spiek