Ewolucja niektórych poglądów na mechanizmy procesu wielkopiecowego. Evolution of some opinions on the blast furnace process mechanisms

Transkrypt

1 S. 90 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr 3 Prof. dr inż. Władysław SABELA UKD : Wyższa Szkoła Biznesu Dąbrowa Górnicza Dr hab. inż. Jan Buzek prof. nzw. Politechnika Śląska Katowice Ewolucja niektórych poglądów na mechanizmy procesu wielkopiecowego Evolution of some opinions on the blast furnace process mechanisms W procesie wielkopiecowym część mechanizmów opisano na podstawie obserwacji przebiegu zjawisk i różnych fragmentarycznych badań składowych procesu. W ten sposób powstały hipotetyczne opisy mechanizmów. Niektóre z tych opisów od lat sprawdzają się i nie budzą wątpliwości. Są także opisy mechanizmów, które czasem nie zgadzają z rzeczywistym przebiegiem procesu wielkopiecowego. W minionym pięćdziesięcioleciu zmieniono lub poprawiono poglądy na niektóre zachowania wsadu podczas załadunku do wielkiego pieca i w jego wnętrzu: na sposób ściekania mięknącego i topniejącego wsadu, na sposób ściekania ciekłych produktów przez komory przed dyszami wielkiego pieca. Korekta tych poglądów pozwoliła na wyciągnięcie praktycznych wniosków i na zmiany sposobu kierowania niektórymi elementami procesu wielkopiecowego, np. obniżeniem zawartości krzemu w surówce przeróbczej, ograniczeniem liczby przepalonych dysz wielkopiecowych, poprawą wykorzystania paliw zastępczych, obniżeniem ilości stosowanego koksu metalurgicznego. The part of mechanisms of the blast furnace process was pictured on the ground of observations of various occurrences and fragmentary investigations of the process. On this way hypothetical descriptions of mechanisms were originated. Some of these descriptions prove correct and are beyond a doubt. But there are also descriptions, which sometimes do not agree with real blast furnace process. In the past fifty years were charged or improved some opinions upon the behaviour of the charge during loading into the blast furnace and inside the blast furnace, upon the manner of the flow down of softening and melting products, upon the flow down of molten products across the raceways. The correction of these views enabled to draw practical conclusions and changes in the control of some elements of the blast furnace process e.g. the decrease of the silicon content in the pig iron for the steel production, limiting the burning of blast furnace tuyères, improvement of the fuel utilization in the blast furnace and decrease of the coke consumption. Słowa kluczowe: wielki piec, proces wielkopiecowy, mechanizmy procesu Key words: blast furnace, blast furnace process, process mechanisms Wprowadzenie. Proces wielkopiecowy jest bardzo stary, ale do dzisiaj jest najgorzej rozpoznaną metodą produkcyjną w hutnictwie. Opis wielu mechanizmów procesu wielkopiecowego polega na hipotezach. Opracowane teoretycznie mechanizmy są analizowane w praktyce produkcyjnej i bądź się potwierdzają, bądź nie. Trzeba więc opracowywać nowe, również hipotetyczne. Dzieje się tak dlatego, że dostęp do wnętrza wielkiego pieca, w czasie jego pracy, jest dla badań ograniczony. Przeprowadzone w drugiej połowie XX wieku zamrożenia wnętrza kilku wielkich pieców, dokonane wodą lub azotem, następnie badania poszczególnych zamrożonych fragmentów wsadu pozwoliły na stwierdzenie ich chwilowego stanu w procesie [1]. Badania te niezbyt dużo powiedziały o sposobie dochodzenia do stwierdzonych stanów. O tym, jak do nich doszło, wnioskuje się od lat na podstawie ogólnie znanych praw fizyki i chemii. Powstał więc szereg hipotetycznych mechanizmów większość z nich obowiązuje i sprawdza się od wielu lat. Zauważono jednak, że niektóre z tych mechanizmów nie pozwalają na wyjaśnienie przebiegu zjawisk zachodzących w praktyce wielkopiecowej. Trzeba więc kontynuować badania. Wielkopiecownik reaguje na zmiany przebiegu procesu najczęściej na podstawie swego doświadczenia działa intuicyjnie. Tylko niektóre elementy procesu wielkopiecowego są dokładniej opisane ilościowo i zostały z powodzeniem wprowadzone do modeli matematycznych. Dlatego w dalszym ciągu doświadczenie i intuicja ma istotne znaczenie w wielkopiecownictwie. W umyśle wielkopiecowników ustalają się poglądy na mechanizmy przebiegu procesu. W miarę rozwoju doświadczenia wielkopiecowników i prowadzonych badań poglądy te ulegają urealnieniu. Niektóre zmienione poglądy na mechanizmy procesu wielkopiecowego spowodowały usprawnienie jego technologii. Charakterystyczną cechą procesu wielkopiecowego, wśród innych procesów hutniczych, jest długi czas reakcji pieca na działania operacyjne. Dlatego optymalne wyniki pracy wielkiego pieca uzyskuje się wtedy, kiedy piec pracuje przez wiele miesięcy, zużywając stale jednakowy wsad, i przy jednakowej wydajności dobowej. Zmiany tych warunków powodują nie tylko wahania jakości produkowanej surówki, ale i wzrost zużycia paliw, a ponadto piec ulega szybszemu zniszczeniu. Stworzenie stabilnych wa-

2 2008 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S. 91 runków pracy jest wyzwaniem dla służb zaopatrzenia i zbytu huty oraz planowania produkcji. Wzmożone badania danego problemu są najczęściej skutkiem kłopotów związanych z jego wystąpieniem. Przykładem może być konieczność znacznego wzrostu produkcji surówki żelaza w Polsce w latach pięćdziesiątych minionego stulecia. Zbudowano wtedy kilka nowych wielkich pieców (większych niż dotychczasowe) w Częstochowie, w Chorzowie i w pełni nowy wydział wielkopiecowy w Krakowie. Technologia produkcji surówki w tych piecach różniła się od technologii produkcji w mniejszych, starych piecach polskich. Między innymi wzrosło ciśnienie dmuchu, wsad zawierał więcej spieku, ulepszono zamknięcia gardzieli pieców. Włączono się więc w światowe badania spalania koksu w rejonie dysz. Spalanie koksu w wielkim piecu. Podsumowaniem badań w tej dziedzinie była monografia [2], w której, między innymi, zacytowano światowe badania ruchu kawałków koksu i ich spalania przed wylotem dysz wielkopiecowych. Z rozważań tych można było wnioskować, że krążące przed dyszami kawałki koksu są głównym miejscem spalania koksu w wielkim piecu. Pogląd taki panował wówczas wśród chyba wszystkich wielkopiecowników świata. Został on podważony w latach sześćdziesiątych minionego stulecia przez H. Wysockiego i U. P. Pückoffa [3], a następnie, szczególnie wyraźnie, przez zespół M. Greuela [4], którzy na podstawie szybkich zdjęć filmowych wnętrza komory przeddyszowej obliczyli, że spalanie krążących przed dyszami kawałków koksu stanowi jedynie kilka procent ogólnej ilości koksu spalanego w rejonie dysz wielkiego pieca. Stwierdzono także, że głównym miejscem spalania koksu jest sklepienie komory przeddyszowej. Drugim, jak się okazało błędnym, powszechnym poglądem było istnienie suchej strefy przed dyszami. Wynikał on z koncepcji odpychania kropel ciekłej surówki i żużla strumieniem dmuchu. Na błędność tego poglądu wskazywała obecność licznych kropel ciekłych produktów widocznych na zdjęciach filmowych zespołu M. Greuela. Później stwierdzono w Polsce na specjalnie ukształtowanej wierzchniej powierzchni dysz pracujących w wielkim piecu nagromadzenie żużla i surówki [5] (rys. 1). Gromadzenie surówki i żużla następuje także w ptasim gnieździe, czyli na dnie komory przeddyszowej. Tłumaczenie, że ciekłe produkty dostają się tam od spodu komory jest niesłuszne od spodu mógłby się dostać żużel, ale nie (ciężka) surówka, gromadząca się poniżej warstwy żużla. Na obecność surówki w ptasim gnieździe wskazuje palenie dolnych krawędzi dysz. Gdyby tam był tylko żużel, utworzyłby na chłodzonej dyszy zamrożoną warstwę chroniącą dyszę przed przepaleniem. Jednym z dowodów ściekania produktów wytopu przez komorę przeddyszową jest wynik analizy ilości żużla i metalu między kawałkami złoża koksowego (hold up) w strefie dysz zamrożonego wielkiego pieca nr 1 zakładu Chiba [6] (rys. 2). Statyczne spojrzenie na ten rysunek potwierdza istnienie suchej strefy nad komorą przeddyszową. Jednak bliższa analiza, dynamiczna, tego rysunku, przeczy tej pierwszej ocenie. Co prawda nad komorą hold up jest bardzo mały, ale pod komorą bardzo duży. Skąd się wzięły pod komorą tak duże ilości produktów wytopu, jeśli obok komory, w głębi pieca, wypełnienie przestrzeni między kawałka- Rys. 1. Przebieg doświadczenia sprawdzającego ściekanie surówki i żużla na dyszę wielkopiecową a schemat dyszy z przyspawanymi prętami miedzianymi, ob fotografia narostu utworzonego na dyszy strzałką zaznaczono kierunek przepływu powietrza w dyszy a także kierunek spływania żużla z narostu na dyszy Fig. 1. Testing the flow down of pig iron and slag on the blast furnace tuyère a pictorial diagram of the tuyčre with welded copper rods, b photograph of the buildup on the tuyère the direction arrow indicate the direction of the anflow in the tuyère and the direction of the flow of slag on the tuyère

3 S. 92 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr 3 mi koksu jest prawie jednakowe powyżej i poniżej poziomu dyszy? Zjawisko to można wytłumaczyć prędkim ściekaniem produktów w strefie ponad komorą przeddyszową, gdzie temperatura wynosi około 1700 C. Dlatego ta strefa jest stosunkowo sucha. Produkty te spiętrzają się natomiast poniżej komory przeddyszowej, gdzie temperatura jest niższa, lepkość żużla większa. Tak więc, poniżej poziomu dyszy więcej produktów jest pod komorą niż poza nią, w głąb pieca, przy podobnych temperaturach w tym poziomie. Przyjęcie za błędne tych dwu poglądów (spalanie koksu głównie podczas jego krążenia i sucha strefa przed dyszami) pozwoliły na nowe spojrzenie na mechanizmy procesu w rejonie dysz wielkiego pieca: w komorze przeddyszowej jest prawie pusta przestrzeń, w której znajduje się wolny tlen. W tej przestrzeni mogą spalać się paliwa wdmuchiwane przez dysze wielkopiecowe, zastępujące część koksu. Spalanie powinno zakończyć się przed dojściem paliw zastępczych do sklepienia (ściany) komory, gdzie gorący koks stanowi konkurencję w wychwytywaniu tlenu nie spalony do tego rejonu pył węglowy lub inne paliwo jest następnie znajdowane, nie zmienione, w składzie gazu gardzielowego; krążące w komorze kawałki koksu to te (nieliczne), które wypadły ze sklepienia natomiast większość kawałków koksu podtrzymuje w sklepieniu przepływający przez nie gaz i tam jest spalana. Ciekłe cząstki wsadu mają większy ciężar właściwy od koksu i spadają do komory przeddyszowej. Wskutek ruchu gazu (powietrza) wewnątrz komory ich pionowe tory ruchu mogą ulegać co najwyżej niewielkim odchyleniom; krążący w komorze przeddyszowej koks podlega niszczeniu wskutek wzajemnych zderzeń. Dlatego znajdujące się tam kawałki koksu powinny mieć odpowiednią wytrzymałość na rozdrobnienie. Stwierdzono, że koks o małej wytrzymałości w wysokich temperaturach (około 1700 C), jest przyczyną częstego palenia dysz od dołu (dolnej krawędzi dyszy). Prawdopodobnie taki koks krusząc się zmniejsza przepuszczalność ptasiego gniazda, co utrudnia ściekanie w dół gromadzących się tam ciekłych produktów podnoszący się ich poziom dochodzi do dysz i je przepala. Taka koncepcja mechanizmu palenia dysz od dołu spowodowała wprowadzenie w latach siedemdziesiątych minionego stulecia, najpierw w Hucie Pokój, a następnie we wszystkich polskich wielkich piecach, dysz nachylonych o 7 stopni od poziomu. Umożliwiło to pogłębienie ptasiego gniazda (rys. 3). Nachylenie dysz spowodowało likwidację nagminnego palenia dysz w polskich wielkich piecach; zmieniając średnicę dysz wpływa się na wielkość i kształt komór przeddyszowych. Warto przypomnieć, że w żeliwiaku, który jest także piecem szybowym, ale znacznie mniejszym od współczesnego wielkiego pieca, prędkości dmuchu w dyszach są bardzo małe. Powoduje to, że wdmuchiwane powietrze przepływa między kawałkami koksu pozostającymi prawie w spoczynku. Strumienie dmuchu wprowadzane do wielkiego pieca są na tyle duże, że unoszą kawałki koksu i przed wylotem dyszy tworzą komorę posiadającą sklepienie. Zgodnie z zasadą tworzenia sklepień, musi być ono podparte jednakowo na całej swej powierzchni. Gdyby siły podpierające sklepienie z jednej strony były większe niż z drugiej, nastąpiłoby przewrócenie sklepienia [5]. Można z tego wnioskować, że w komorze przeddyszowej następuje swoiste (przybliżone) zrównanie prądów, powodujące jednakowe (lub podobne) przepływy gazu w poszczególnych miejscach sklepienia. Rys. 2. Stopnie wypełnienia złoża koksowego w rejonie dyszy wielkiego pieca nr 1 zakładów Chiba (jedna liczba stanowi wartość średnią dla kwadratu o boku 400 mm) [6]. Fig. 2. The space filling [holdup] of the coke bed in the tuyère neighbourhood in the freezed blast furnace Chiba 1 each number means the average value of the holdup in square with a side of 400 mm [6] Rys. 3. Schemat kształtu dna komory przeddyszowej przy różnym nachyleniu dyszy Fig. 3. Influence of the inclination of the tuyère on the shape of the bottom of raceway

4 2008 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S. 93 Obserwując tworzenie komory przeddyszowej w modelach [5] można zauważyć 3 fazy: przy małej prędkości powietrza wdmuchiwanego przez dyszę, koks przed dyszą pozostaje w spoczynku; powiększając prędkość powietrza w dyszy wywołuje się ruchy kawałków koksu przed dyszą, a następnie utworzenie kulistej komory długość tej komory rośnie ze wzrostem prędkości powietrza w dyszy; dalszy wzrost prędkości powietrza w dyszy powoduje zanik kulistej komory i utworzenie, w złożu koksu, wąskiego kanału wnikającego głęboko w to złoże. Porównanie tych faz wskazuje, że kuliste komory przeddyszowe tworzą się tylko przy określonych prędkościach wdmuchiwanego powietrza. Przeniesienie wyników tego doświadczenia na pracujący wielki piec spowodowało, w latach siedemdziesiątych minionego wieku, próby zmniejszenia średnicy polskich dysz wielkopiecowych z ówczesnych 180 mm. Wykazały one, że zmniejszenie średnicy do 150 mm, a następnie do 130 mm, pociąga za sobą wzrost ilości dmuchu na godzinę, przyjmowanej przez piece przy niezmienionych ciśnieniach w okrężnicy i w gardzieli. Było to prawdopodobnie skutkiem wydłużenia komór przeddyszowych, a więc poszerzenia pierścienia aktywnego w garze pieca. Dalsze zmniejszanie średnicy dysz do 110 mm lub 100 mm powiększało prędkość dmuchu w dyszy, ale nie powiększyło ilości dmuchu przyjmowanego przez piece w ciągu godziny. Zmiany poglądów na mechanizmy procesu wielkopiecowego w rejonie dysz zostały bardziej szczegółowo opisane przez autorów w artykule zamieszczonym w Hutniku-W. H. w roku 1998 [5]. Dlatego w niniejszym artykule więcej uwagi poświęcono mechanizmom procesu w wyżej leżących strefach wielkiego pieca. Wsad w stanie stałym. Dzisiejsze urządzenia, stanowiące zamknięcie gardzieli wielkiego pieca, pozwalają na podanie każdego składnika wsadu stałego (koks, rudy) w żądanym punkcie powierzchni wsadu w piecu zarówno na jej obwodzie, jak i promieniu. Umożliwia to kierowanie przepływem gazu w górnej części wielkiego pieca, w tym także na stosowanie biegu obrzeżnego (peryferyjnego) lub biegu środkowego (centralnego). Pomaga w tym współczesne oprzyrządowanie pomiarowe. Szczególny wpływ na przepływ strug gazu w górnym rejonie wielkiego pieca ma uziarnienie wsadu i rozmieszczenie poszczególnych frakcji ziarnowych w gardzieli. Prowadzone od lat badania tego problemu potwierdzają dotychczasowe poglądy. Pewne braki wykazuje dokładne i uniwersalne poznanie segregacji wsadu w punktach przesypywania się wsadu w urządzeniach podających wsad na jego powierzchnię w piecu. Materiał opuszczający stożek urządzenia tradycyjnego lub rynnę w urządzeniu bezstożkowym spada według różnych torów (krzywych) na różne miejsca na powierzchni wsadu w piecu. Kształt tych torów Rys. 4. Miejsce deformacji warstw wsadu w szybie wielkiego pieca pole zaciemnione Fig. 4. The place of distortion of charge layers in the blast furnace shaft shaded area Rys. 5. Schemat ściekania mięknącego i topniejącego wsadu w złożu kawałków koksu; A część chłodniejsza złoża, B część pośrednia, C część gorętsza złoża Fig. 5. Scheme of the flow down of softening and melting products in the coke bed A the cooler part of the bed, B the intermediate part of the bed C the hot part of the bed

5 S. 94 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr 3 zależy w głównej mierze od wielkości kawałków większe kawałki spadają dalej od wylotu rynny, a mniejsze bliżej. Znaczenie ma także wielkość tarcia zsuwających się kawałków o rynnę. Bardziej szorstka rynna hamuje zsuwanie i materiał spada bliżej wylotu. Na tor spadku wpływają także strugi przepływającego gazu mogą one unosić spadające kawałki, nie wszystkie jednakowo. Na krzywą spadania i dalej na staczanie się na powierzchni wsadu już w piecu wpływa kształt ziarn wsadu. Wiadomo, że ziarna kuliste, a więc grudki pellety toczą się z inną prędkością niż ziarna o ostrych krawędziach, a więc spiek lub koks. Grudki ze względu na swój kształt toczą się po powierzchni wsadu w nieprzewidziane miejsca, przez co utrudniają prowadzenie procesu wielkopiecowego. Obserwację mechanizmu spadania wsadu do wnętrza pieca prowadzi się od lat [7, 8]. W czasie załadunku wsadu do wielkiego pieca może następować degradacja kawałków wsad spada z rynny lub stożka z wysokości kilku metrów. Dotyczy to szczególnie dużych kawałków o popękanej makrostrukturze. Duże kawałki spadają z większą energia niż kawałki małe. Dlatego pożądana jest stabilizacja wsadu przez wstępną obróbkę mechaniczną, na przykład w bębnie obrotowym. Umożliwia ona wyprowadzenie zapoczątkowanego już pękania przed fazą załadunku do wielkiego pieca i usunięcie drobnych kawałków, powstałych w czasie stabilizacji na przesiewaczach w namiarowni wielkiego pieca [9]. Wewnątrz szybu wielkiego pieca rozdrabnianie kawałków wsadu jest przeważnie niewielkie. Badania modelowe wskazują, że w szybie nie następuje wyraźne wyprzedzanie w ruchu w dół kawałków o większym ciężarze właściwym jak dawniej mniemano, bo wsad opuszcza się skupiskami. Powoduje to utrzymywanie się warstwowej makrostruktury wsadu, od załadunku do strefy kohezji. Wyjątek stanowi wsad przy obmurzu, gdzie ociera się o obmurze i o ewentualne narosty oraz wypełnia przestrzeń wynikającą z pochylenia ścian obmurza (rys. 4). Do wyjątków należy także kruszenie wskutek zmian ich struktury, różnic rozszerzalności cieplnej składników kawałka rudy (np. pękanie warstwowe kwarcytów krzyworoskich, rozpad niektórych hematytów brazylijskich) lub reakcji chemicznych w czasie ogrzewania ziarn wsadu. Kruszeniu temu trzeba przeciwdziałać przez odpowiedni dobór składników wsadu, ewentualnie przez ich przeróbkę, np. spiekanie. Mięknięcie i topnienie wsadu. Zjawisko to występuje w dolnej części szybu wielkiego pieca. W tym rejonie, obok kawałków wsadu pojawia się faza ciekła, która komplikuje przepływ gazu jest to strefa kohezji wsadu. Na opis mechanizmu zjawisk w tym rejonie składają się wyniki badania mięknięcia i topnienia poszczególnych stosowanych rud, spieków i grudek. Badania te pozwalają na opisanie ogólnych tendencji zachowania się wsadu, a także szczegółowego zachowania poszczególnych składników wsadu. Odrębna grupa badań obejmuje analizę sposobu ściekania mięknącego i topniejącego wsadu przez warstwę kawałków koksu, przy równoczesnym oddziaływaniu strug gazu unoszącego się z dołu do góry, a więc mogących hamować ściekanie wsadu. Do tych badań stosuje się od lat modele fizyczne, w których reprezentowane jest złoże kawałków koksu (może to być koks lub inny materiał kawałkowy). Topniejący wsad reprezentuje w modelach woda, a strugi gazu przeważnie powietrze. Zasadniczym błędem tych badań jest stosowanie wody jako medium reprezentującego topniejący wsad. Wsad topnieje stopniowo zmniejszając swą lepkość ze wzrostem temperatury zakres mięknięcia topnienia obejmuje kilkadziesiąt kelwinów. Natomiast woda nie ma szerokiego zakresu mięknięcia i przechodzi ze stanu stałego bezpośrednio w ciekły. Powyżej 0 C lepkość wody jest prawie stała. Istnienie szerokiego zakresu mięknięcia wsadu w wielkim piecu jest powodem jego specyficznego zachowania podczas wnikania w warstwę koksu (rys. 5). Zjawiska tego nie można odtworzyć w modelu stosując wodę. Temperatura panująca w wielkim piecu na każdym poziomie jest różna w różnych miejscach. Przy biegu peryferyjnym jest wyższa przy obmurzu niż w osi pieca, a przy biegu centralnym wyższa w osi pieca niż przy obmurzu. Tak więc przy biegu centralnym wsad blisko osi pieca mięknie i topnieje już wyżej w piecu niż wsad znajdujący się bliżej obmurza. Kiedy więc wsad przy obmurzu zaczyna mięknąć i ściekać, to na tym samym poziomie w osi pieca już kończy ściekanie, a przestrzenie między kawałkami koksu stają się puste. Wskutek tego topniejący wsad z przestrzeni pieca bardziej oddalonej od osi (a więc wsad później mięknący i topniejący) może ściekać nie tylko w dół, ale także w kierunku osi pieca, bo tam jest wolne miejsce między kawałkami koksu. Wypadkowy kierunek ściekania wsadu przy biegu centralnym jest więc ukośny, powodujący wzbogacanie centralnego rejonu pieca we wsad a więc metal i żużel. Odwrotnie przy biegu pe- Rys. 6. Schematyczne rozmieszczenie strefy mięknienia i topnienia wsadu w wielkim piecu a bieg pieca peryferyjny, b bieg pieca centralny Fig. 6. The schematic spacing of the softening and melting zone in the blast furnace a peripheral working fufnace, b central working furnace

6 2008 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S. 95 ryferyjnym, ruch ukośny wzbogaca obrzeżny rejon pieca w metal i żużel (rys. 6). Ruchy mięknącego i topniejącego wsadu można modelować zastępując ten wsad stearyną [10]. Stearyna posiada podobnie szeroki zakres temperatur mięknięcia i topnienia jak wsad rudny. Wygoda stosowania stearyny polega na tym, że mięknięcie i topnienie przebiega w niskich temperaturach (poniżej 100 C), co ułatwia modelowanie. Stearyna jest jednak lżejsza niż wsad rudny, nie pozwala to na modelowanie wpływu unoszenia wsadu przez strugi gazu. Ponadto stearyna posiada inne przewodnictwo cieplne niż rudy. Nie nadaje się więc do modelowania ilościowego ewakuacji wsadu mięknącego z okien koksowych, a przewodnictwo cieplne wsadu z rudnego i żużla pierwotnego decyduje, według badań w RWTH w Kolonii (Niemcy), o prędkości przejścia tam wsadu ze stanu stałego w ciekły. Ponieważ warstwy mięknącej rudy stają się nieprzewiewne, gaz przepływający w wielkim piecu od dysz w kierunku gardzieli, musi przepływać przez koks znajdujący się między warstwami rudy (rys 7). W ten sposób warstwy koksu stają się oknami koksowymi dla przepływu gazu. Przewiewność okien koksowych ulega zmianom, jak już wspomniano i jak widać na rys. 7, górna część warstwy koksu jest uszczelniana mięknącą i wnikającą do niej częścią rud. Wskutek postępującego ogrzewania, już roztopiony żużel pierwotny ścieka w dół i opróżnia przestrzenie między kawałkami koksu, czyniąc złoże koksu znowu przewiewnym. Niżej żużel pierwotny ma małą lepkość, podobną na dalszej drodze ściekania. Modelowanie ściekania tego roztopionego żużla wodą jest już prawdopodobne [11]. W tym rejonie, a więc poniżej strefy kohezji, działa głównie grawitacja powodująca pionowe ściekanie żużla i metalu przez lepiej lub gorzej przepuszczalne złoże koksu. Przepuszczalność ta zależy od uziarnienia znajdującego się tam koksu. Teoretycznie możliwe jest tam unoszenie ściekających produktów wielkiego pieca przez przepływający ku górze gaz. Ponieważ operatorzy wielkich pieców chcą uniknąć zawisania wsadu w wielkim piecu, utrzymują prędkość przepływu w nim gazu poniżej granicy unoszenia. Ilustruje to rozważanie także wykres T. K. Sherwooda [12] określający wskaźniki zawisania wsadu w wielkim piecu i na ich tle rzeczywiste wskaźniki pracujących wielkich pieców. Praktyczne wykorzystanie zmienionych poglądów. Przedstawione zmiany poglądów na mechanizmy procesu wielkopiecowego, pozwoliły na korekty zachowań wielkopiecowników, a także na opracowanie metod usprawnień procesu lub unikania niepożądanych zjawisk. Obok wspomnianych już zmian średnicy dysz wielkopiecowych, umożliwiających optymalizację intensywności pracy wielkiego pieca, istotne było przyjęcie poglądu, że ciekłe produkty wielkiego pieca ściekają przez komorę przeddyszową. Spowodowało to opisaną już likwidację, a przynajmniej ograniczenie palenia dolnej krawędzi dysz wielkopiecowych przez zastosowanie dysz nachylonych ku dołowi. Wykrycie ukośnego ściekania wsadu w strefie kohezji pozwoliło na wyjaśnienie przebiegu nakrzemiania surówki przeróbczej i na częściowe wpływanie na to nakrzemianie. W latach siedemdziesiątych minionego stulecia stwierdzono, że krzem w surówce wielkopiecowej pochodzi nie tylko z krzemionki stanowiącej składnik skały płonnej rud, ale przede wszystkim z krzemionki zawartej w popiele koksu. Koks spalając się w strefie dysz wielkiego pieca, osiąga temperaturę powyżej 1700 C, a więc znacznie wyższą niż skała płonna wsadu rudnego. Powoduje to intensywne tworzenie z krzemionki popiołu koksu, lotnego SiO. Tlenek ten stykając się z kroplami zredukowanego i nawęglonego żelaza redukuje się, a wytworzony krzem rozpuszcza się w żelazie [13]. Reakcja ta odbywa się tuż nad miejscem intensywnego spalania koksu, a więc nad komorami przeddyszowymi wielkiego pieca. Szansę na nakrzemianie tą drogą mają nawęglone krople metalu spływające w dół pieca przez re- Rys. 7. Warstwa koksu w strefie mięknięcia i topnienia rudy. Topniejąca ruda zwęża przewiewne dla gorącego gazu okno koksowe Fig. 7. The coke layer in the softening and melting zone. The melting ore makes the permeable part of the coke layer thiner (the coke window ) Rys. 8. Zawartości Si w surówce w garze zamrożonego wielkiego pieca [14] Fig. 8. Si contents in the pig iron in the hearth of the freezed blast furnace [14]

7 S. 96 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr 3 Rys. 9. Zawartość Si w surówce wielkopiecowej w funkcji temperatury: I wielki piec o objętości 1033 m 3, II i III wielkie piece o objętości 3200 m 3 [15] Fig. 9. The relationship between the Si content in the pig iron and the temperature I blast furnace with the volume 1033 m 3, II and III blast furnaces with the volume 3200 m 3 Rys. 10. Przekrój garu na poziomie dysz zakreskowany: pierścień aktywny Fig. 10. The cross-section of the hearth on the tuyère level the active ring is shaded jon komór przeddyszowych czyli przez pierścień aktywny garu pieca. Istotność nakrzemiania surówki żelaza w tym rejonie potwierdza rys. 8, na którym przedstawiono rozmieszczenie zawartości krzemu w surówce z zamrożonego, do celów badawczych, garu wielkiego pieca nr 1 zakładu Chiba [14]. Zjawisko to pozwala na skomentowanie pewnych okoliczności nakrzemiania surówki. Według tradycyjnych poglądów, krzem w surówce pochodzi z ciekłego żużla. Krzemionka w żużlu ulega w garze redukcji i wytworzony wolny krzem rozpuszcza się w surówce. Dlatego nakrzemianiu surówki sprzyja, przede wszystkim, odpowiedni skład żużla, a więc mała jego zasadowość oraz wysoka temperatura w garze. Taki mechanizm potwierdza się szczególnie podczas produkcji surówki z dużą zawartością krzemu dla odlewnictwa. Natomiast przy produkcji surówki dla przeróbki w stalowni chodzi o zahamowania nakrzemiania surówki. Obniżanie temperatury pracy garu łatwo prowadzi do zmniejszenia zawartości krzemu w surówce do około 1 %. Dalsze zmniejszanie zawartości krzemu przez obniżanie temperatury w garze grozi, w niektórych wielkich piecach, zamrożeniem garu. Jeszcze w latach siedemdziesiątych minionego wieku (ówczesne wielkie piece w Polsce miały objętości od poniżej 1000 m 3 do około 2000 m 3 ) uważano, że produkcja surówki zawierającej 0,5 % Si lub mniej jest niebezpieczna. Po uruchomieniu wielkich pieców w hucie Katowice (obecnie ArcelorMittal oddział Dąbrowa Górnicza) posiadających objętość 3200 m 3 zauważono, że temperatura surówki tam produkowanej jest, przy takiej samej zawartości krzemu jak w mniejszych piecach, wyraźnie wyższa ilustruje to rys. 9. Stwierdzenie to pozwoliło przypuszczać, że obniżenie temperatury do wartości krytycznych, w hucie Katowice, spowoduje osiągnięcie niższych zawartości krzemu niż w piecach mniejszych. Przypuszczenie to potwierdziło obniżenie temperatury pracy pieca w hucie Katowice do osiągnięcia zawartości krzemu w surówce 0,1% bez zaburzeń pracy pieca. Uwzględniając mechanizm nakrzemiania surówki krzemionką popiołu koksu można to zjawisko wytłumaczyć następująco. Wielkie piece huty Katowice są większe niż inne wielkie piece w Polsce, a więc mają większe gary. Udział w nich pierścienia aktywnego (rys. 10) w powierzchni garu jest mniejszy niż w piecach mniejszych. Mały udział powierzchni pierścienia aktywnego powoduje także mniejszy udział reakcji nakrzemiania z popiołu koksu. Wielkie piece huty Katowice są prowadzone bardziej centralnie niż inne, mniejsze piece w Polsce. To z kolei powoduje, że w strefie kohezji spływanie wsadu żelazonośnego zasila dodatkowo centralną część pieca, co zmniejsza szanse nakrzemiania surówki w pierścieniu aktywnym. Sumując, w piecach huty Katowice przez strefę nakrzemiania przepływa mniej surówki, niż w mniejszych piecach, przy jednakowym stanie cieplnym obydwu grup pieców. Skutkiem jest stwierdzona, w hucie Katowice, wyższa temperatura surówki niż w piecach mniejszych przy tej samej zawartości krzemu w surówce [15]. Zakończenie. Przytoczone przypadki zmian poglądów i skutków tych zmian dotyczą mechanicznego aspektu procesu w wielkim piecu. Te jakościowo opisane mechanizmy wymagają dalszych badań umożliwiających ich ilościowe opisanie, a następnie uwzględnienie w systemach automatycznego prowadzenia produkcji surówki wielkopiecowej. L i t e r a t u r a 1. Goldring D.C., Jones J.A., Grebe K.: Behaviour of ferruginous burden material In Mannesmann N 2 quenched blast furnace. Ironmaking and Steelmaking,1997, t. 24, nr 5, s Mazanek E., Sabela W.: Procesy spalania i wymiany ciepła w wielkim piecu. Wydawnictwo Śląsk, Katowice Wysocki H., Pűckoff U.: Beitrag zu Kenntnis der Vorgange vor den Blasformen des Hochofens. Stahl und Eisen t. 86, 1966, nr 13, s Greuel M., Hillnhütter W., Kister H., Krűger B.: Untersuchung der Bewegungsvorgange vor den Blasformen eines Hochofens mit einem Endoskop. Stahl und Eisen t. 94, 1974, nr 12, s. 533

8 2008 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S Sabela W., Buzek J., Konstanciak A., Konstanciak S.: Rozważania nad komorą przeddyszową wielkiego pieca. Hutnik-W.H., 1998, nr 8, s Kondoh M., Konishi Y., Marioka Y., Tomita S. Hashizume S.: Trans. ISI of Japan, t. 20, 1980, nr 7, s. B Shimomura Y., Kushima K., Shimura T. A.: Burden distribution in the blast furnace with bell-less charging systems. Trans. ISI of Japan t. 20, 1980, nr 6, s. B Sabela W.: Badania i obserwacje rozmieszczenia wsadu w gardzieli wielkiego pieca. Prace Rady Naukowo-Technicznej Huty im. Lenina Kraków nr 7, maj 1960, s Sabela W., Misiun T.: Wpływ obróbki mechanicznej składników wsadu wielkopiecowego na ich wytrzymałość. Hutnik 1970, nr 11, s Sabela W., Stec R., Mróz J., Skalski J., Ziółkowski A.: Ściekanie ciekłych produktów w wielkim piecu. Hutnik 1987, nr 4, s Wang G. X., Chew S. J., Yu A. B., Zulli P.: Model study of liquid flow in the blast furnace lower zone. ISIJ International t. 37, 1997, nr 6, s Król L., Mazanek E.: Nowoczesny wielki piec. Wydawnictwo Śląsk Katowice Sabela W., Mróz J.: Badania nakrzemiania ciekłego żelaza krzemionką koksu poprzez fazę gazową. Hutnik, 1989, nr 1, s Tsuchiya N., Okabe K., Tomita S., Hashizume S., Takahashi H., Sato M.: Distribution of chemical elements in a quenched blast furnace hearth. Trans. ISI of Japan t. 20, 1980, nr 7, s. B Sabela W., Mróz J., Kowalczuk L.: Wpływ wielkości wielkiego pieca na zawartość krzemu w surówce i jej temperaturę. Hutnik 1984, nr 12, s. 427 Dr hab.inż. Jan Buzek, prof. Pol. Śląskiej. UKD 519.6: : Dr hab. inż. Bolesław Machulec Politechnika Śląska ul. Krasińskiego 8, Katowice jan.buzek@polsl.pl boleslaw.machulec@polsl.pl Rozkład temperatur w wyłożeniu ogniotrwałym garu i trzonu wielkiego pieca z ceramiczną wkładką mulitową Temperature distribution in the blast furnace lining hearth and bottom with ceramic mullite layer Przedstawiono wyniki obliczeń modelowania matematycznego rozkładu temperatur w wyłożeniu ogniotrwałym garu i trzonu wielkiego pieca o poj m 3. Model obliczeniowy bazuje na równaniu Fouriera-Kirchoffa i uwzględnia właściwości fizyczne materiałów ogniotrwałych, jak również sposób chłodzenia garu i trzonu. Przyjęto stałą temperaturę na powierzchni wewnętrznej wyłożenia ogniotrwałego. W konstrukcji wyłożenia ogniotrwałego garu i trzonu zastosowano oprócz bloków grafitowych i bloków węglowych mikroporowatych bloki węglowe supermikroporowate. W odróżnieniu od wcześniejszych konstrukcji zastosowano na trzonie od wewnątrz, w warstwie narażonej bezpośrednio na działanie ciekłej surówki, wyłożenie ceramiczne mulitowe.uzyskane wyniki obliczeń numerycznych porównano z wynikami pomiarów przemysłowych zarejestrowanymi przez układ monitoringu wyłożenia ogniotrwałego pieca. This article presents results of mathematical model simulation of temperature distribution and determination of isotherms in the hearth and bottom of the blast furnace lining. The model is based on Fourier-Kirchoff equation and takes into consideration the physical properties of refractory materials as well as the method of cooling the blast furnace hearth and bottom. It was assumed that the temperature is constant on the inside surface of the hearth and body furnace lining. In the construction of the hearth and body furnace lining there were used not only graphite blocks and microporous carbon blocks, but also supermicroporous carbon blocks. As opposed to previous constructions, the ceramic mullite lining was used on the furnace heart from the inside in the layer directly exposed to the liquid pig iron. The results of numerical calculations were compared with the results of industry measurements registered by the monitoring system of the furnace lining. Wstęp. Temperatura jest najważniejszym czynnikiem decydującym o trwałości wyłożenia ogniotrwałego, dlatego zagadnienie wyznaczenia rozkładu temperatur w wyłożeniu ogniotrwałym garu i trzonu wielkiego pieca posiada istotne znaczenie. Trudne warunki pracy oraz wysokie temperatury sprawiają, że występujące tam materiały ogniotrwałe są szczególnie narażone na niszczące działanie. Dla oszacowania rozkładu temperatur w wyłożeniu ogniotrwałym garu i trzonu wielkiego pieca przyjęto równanie Fouriera-Kirchoffa dla przepływu ciepła w stanie stacjonarnym, które w postaci ogólnej, przy braku zewnętrznych źródeł ciepła przyjmuje postać [1 3] (k T ) = 0 (1)