RZECZPOSPOLITA POLSKA (12)OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 183756 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 334865 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 28.01.1998 (86) Data 1 numer zgłoszenia międzynarodowego 28.01.1998, PCT/EP98/00518 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: 30.07.1998, W098/32883, PCT Gazette nr 30/98 (51) IntCl7 F27D 1/12 C21B 11/00 (54) Struktura ogniotrwałej ściany (30) Pierwszeństwo: 29.01.1997.NL,1005114 (73) Uprawniony z patentu: HOOGOVENS STAAL B.V., IJmuiden, NL (43) Zgłoszenie ogłoszono: 27.03.2000 BUP 06/00 (72) Twórcy wynalazku: Jacobus Van Laar, Driehuis, NL Gerardus J. Tijhuis, Beverwijk, NL (45) o udzieleniu patentu ogłoszono: 31.07.2002 WUP 07/02 (74) Pełnomocnik: Kuczyńska Teresa, POLSERVICE PL 183756 B1 (57) 1. Struktura ogniotrwałej ściany, zwłaszcza do zastosowania w zbiorniku hutniczym do ciągłej produkcji surówki w procesie wytapiania redukcyjnego w warunkach bardzo wysokiego obciążenia cieplnego i przy bardzo dużej ścieralności w środowisku płynnego żużla o wysokiej zawartości FeO, znamienna tym, że zawiera ułożone w kolejności od zewnętrznej do wewnętrznej strony ściany (1) stalowy płaszcz (6), chłodzoną wodą miedzianą ścianę (7), chłodzone wodą miedziane półki (8) wystające w kierunku wewnętrznej strony ściany (1) oraz wyłożenie (9) z ogniotrwałego materiału spoczywające na półkach (8). Fig 1
Struktura ogniotrwałej ściany, Zastrzeżenia patentowe 1. Struktura ogniotrwałej ściany, zwłaszcza do zastosowania w zbiorniku hutniczym do ciągłej produkcji surówki w procesie wytapiania redukcyjnego w warunkach bardzo wysokiego obciążenia cieplnego i przy bardzo dużej ścieralności w środowisku płynnego żużla o wysokiej zawartości FeO, znamienna tym, że zawiera ułożone w kolejności od zewnętrznej do wewnętrznej strony ściany (1) stalowy płaszcz (6), chłodzoną wodą miedzianą ścianę (7), chłodzone wodą miedziane półki (8) wystające w kierunku wewnętrznej strony ściany (1) oraz wyłożenie (9) z ogniotrwałego materiału spoczywające na półkach (8). 2. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że do każdej chłodzonej wodą miedzianej półki (8) jest zamocowana rura (20) wody chłodzącej, a każda rura (20) wody chłodzącej jest umieszczona we wnęce (22) w chłodzonej wodą miedzianej płycie (21), przy czym wnęka (22) ma większą wysokość niż średnica rury (20) wody chłodzącej. 3. Struktura według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że na górze półki (8) rozciągają się ukośnie w górę w kierunku wewnętrznej strony ściany (1). 4. Struktura według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że na dole półki (13) rozciągają się ukośnie w dół w kierunku wewnętrznej strony ściany (1). 5. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że półki (8) są rozmieszczone na wysokości ściany (1). 6. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że chłodzona wodą miedziana ściana (7) składa się z płyt (21). 7. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że półki (8) są rozmieszczone przemiennie na wysokości, na szerokości i/lub na obwodzie ściany (1). 8. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że wyłożenie (9) spoczywa bezpośrednio na półkach (8). 9. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że wyłożenie (9) oparte jest bezpośrednio na chłodzonej wodą miedzianej ścianie (7). 10. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że wyłożenie (9) składa się z grafitowych bloków (10) mających współczynnik przewodności cieplnej w zakresie 60-150 W/m K. 11. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że wyłożenie (9) składa się z półgrafitowych bloków mających współczynnik przewodności cieplnej w zakresie 30-60 W/m K. 12. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że wyłożenie (9) składa się z ogniotrwałych cegieł (11). 13. Struktura według zastrz. 12, znamienna tym, że cegły (11) są cegłami magnezytowo-węglowymi. 14. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że w kierunku od zewnętrznej do wewnętrznej strony ściany (1) wyłożenie (9) składa się z warstwy grafitowych bloków (10), która opiera się na miedzianej ścianie (7) oraz warstwy ogniotrwałych cegieł (11). 15. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że od dołu do góry jest pochylona ku tyłowi. 16. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że miedziana ściana (7) i/lub miedziane półki (8) są z miedzi o zawartości 99% Cu i współczynniku przewodności cieplnej w zakresie 250-300 W/m K. 17. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że stalowy płaszcz (6) tworzy część naczynia ciśnieniowego, a przejścia przez stalowy płaszcz (6) dla rur (17, 18, 20) doprowadzających i odprowadzających wodę chłodzącą do miedzianej ściany (7) i chłodzonych wodą półek (8) są uszczelnione.
183 756 3 Przedmiotem wynalazku jest struktura ogniotrwałej ściany, odpowiedniej zwłaszcza do zastosowania w zbiorniku hutniczym do ciągłej produkcji surówki w procesie wytapiania redukcyjnego, w warunkach ekstremalnie wysokiego obciążenia cieplnego i przy dużej ścieralności w środowisku płynnego żużla o dużej zawartości FeO. Dotychczas surówka była wytwarzana w wielkim piecu. W procesie tym następuje redukcja rudy żelaza za pomocą koksu. Opracowano różne procesy bezpośredniej redukcji rudy żelaza, które jednakże nie zostały jeszcze zastosowane w przemyśle. Najbardziej obiecujące są tak zwane procesy wytapiania redukcyjnego w kąpieli. Wąskim gardłem w tych procesach jest mała trwałość użytkowa struktury ogniotrwałej ściany naczynia hutniczego, w którym następuje redukcja do postaci surówki. Wynika to głównie z wysokiego obciążenia cieplnego i środowiska o bardzo dużej ścieralności, w związku z obecnością FeO przy temperaturze około 1700 C. W przypadku wielkiego pieca, gdzie te same warunki występują w nieco mniej agresywnej formie i gdzie może wystąpić obciążenie termiczne 300 000 W/m2, struktura ogniotrwałej ściany zawiera w miejscu największego zagrożenia, patrząc od zewnątrz do wewnątrz, pancerz z płyt i wyłożenie z cegieł ogniotrwałych, na przykład cegieł zawierających SiC, które jest chłodzone przez elementy chłodzące. Elementy chłodzące są wykonywane albo w postaci tak zwanych płyt chłodzących, dochodzących rozłącznie do wyłożenia, jak opisano w holenderskim zgłoszeniu patentowym NL 7312549 A, albo tak zwanych chłodnic płytowych, które tworzą chłodzoną wodą ścianę pomiędzy pancerzem z płyt i wyłożeniem. Obecnie dla tej struktury uzyskuje się trwałość użytkową rzędu 10 lat. Europejskie zgłoszenie patentowe EP O 690 136 Al opisuje urządzenie, w którym związki żelaza są topione w atmosferze gazowej. Powłoka lub konstrukcja zbrojenia tego urządzenia jest chłodzona wodą. W procesie wytapiania redukcyjnego obciążenie cieplne jest znacznie wyższe i może lokalnie dochodzić nawet do 2 000 000 W/m2. Nie można zatem uzyskać akceptowalnej trwałości użytkowej z zastosowaniem struktury ściany znanej dla wielkiego pieca. Celem obecnego wynalazku jest opracowanie struktury ściany dla procesu bezpośredniej redukcji, która ma akceptowalną trwałość użytkową. Struktura ogniotrwałej ściany, zwłaszcza do zastosowania w zbiorniku hutniczym do ciągłej produkcji surówki w procesie wytapiania redukcyjnego w warunkach bardzo wysokiego obciążenia cieplnego i przy bardzo dużej ścieralności, w środowisku płynnego żużla o wysokiej zawartości FeO, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera ułożone w kolejności od zewnętrznej do wewnętrznej strony ściany stalowy płaszcz, chłodzoną wodą miedzianą ścianę, chłodzone wodą miedziane półki wystające w kierunku wewnętrznej strony ściany oraz wyłożenie z ogniotrwałego materiału spoczywające na półkach. Korzystnie do każdej chłodzonej wodą miedzianej półki jest zamocowana rura wody chłodzącej, a każda rura wody chłodzącej jest umieszczona we wnęce w chłodzonej wodą miedzianej płycie, przy czym wnęka ma większą wysokość niż średnica rury wody chłodzącej. Na górze półki rozciągają się ukośnie w górę w kierunku wewnętrznej strony ściany, a na dole półki rozciągają się ukośnie w dół w kierunku wewnętrznej strony ściany, przy czym półki są rozmieszczone na wysokości ściany. Chłodzona wodą miedziana ściana składa się z płyt, a półki są rozmieszczone przemiennie na wysokości, na szerokości i/lub na obwodzie ściany. Wyłożenie spoczywa bezpośrednio na półkach i opiera się bezpośrednio na chłodzonej wodą miedzianej ścianie, przy czym wyłożenie składa się z grafitowych bloków mających współczynnik przewodności cieplnej w zakresie 60-150 W/m K, lub z półgrafitowych bloków mających współczynnik przewodności cieplnej w zakresie 30-60 W/m K. Korzystnie wyłożenie składa się z ogniotrwałych cegieł magnezytowo-węglowych. W kierunku od zewnętrznej do wewnętrznej strony ściany wyłożenie składa się z warstwy grafitowych bloków, która oparta jest na miedzianej ścianie oraz warstwy ogniotrwałych cegieł. Struktura od dołu do góry jest pochylona ku tyłowi. Miedziana ściana i/lub miedziane półki są z miedzi o zawartości 99% Cu i współczynniku przewodności cieplnej w zakresie 250-300 W/m K.
4 183 756 Stalowy płaszcz tworzy część naczynia ciśnieniowego, a przejścia przez stalowy płaszcz dla rur doprowadzających i odprowadzających wodę chłodzącą do miedzianej ściany i chłodzonych wodą półek są uszczelnione. Podstawowa struktura ogniotrwałej ściany, dzięki maksymalnemu termicznemu stykowi pomiędzy wyłożeniem i chłodzoną wodą miedzianą ścianą oraz półkami, zapewnia uzyskanie ogniotrwałej ściany o małym oporze cieplnym. Nawet przy bardzo wysokim obciążeniu cieplnym uzyskuje się dobrą, stabilną grubość wyłożenia, prowadzącą do długiej trwałości użytkowej. Najbardziej zagrożonym obszarem w zbiorniku hutniczym, gdzie następuje redukcja do postaci surówki, jest obszar, w którym warstwa płynnego żużla zawierająca dużą ilość FeO unosi się na lustrze kąpieli surówki. W tym miejscu wyłożenie zużywa się do grubości resztkowej, na której powłoka żużlowa krzepnie, tworząc narosty działające jako warstwa ścierna i izolacyjna. To zapobiega dalszemu niszczeniu wyłożenia i struktura uzyskuje odporność na dalsze niszczenie. Chłodzenie półek poprawia trwałość użytkową struktury ogniotrwałej. Korzystnie półki są przesuwne w kierunku pionowym. Stanowi to zaletę, ponieważ podczas montażu na zimno struktura ogniotrwałej ściany może osiąść w kierunku pionowym pod wpływem swego ciężaru, tak, że poziome złącza zostają maksymalnie jak to możliwe zamknięte. Zaletą struktury jest zamocowanie wyłożenia na chłodzonej wodą miedzianej ścianie. Chłodzoną wodą miedziana ściana jest wykonana z płyt. Ułatwia to wytworzenie i montaż tej ściany. Półki są montowane przemiennie na wysokości, na szerokości i obwodzie, co zapewnia równomierny rozkład przypływu wody chłodzącej oraz o rurowania w stalowym płaszczu i umożliwia uniknięcie zagęszczenia. Wyłożenie spoczywa bezpośrednio na półkach, bez zaprawy, i opiera się bezpośrednio o chłodzoną wodą ścianę. Pozwala to na uniknięcie oporu cieplnego wynikającego z obecności złącz wypełnionych zaprawą i umożliwia duże obciążenie cieplne. Wyłożenie składa się z grafitowych bloków o współczynniku przewodności cieplnej w zakresie 60-150 W/m K oraz bloków półgrafitowych o współczynniku przewodności cieplnej w zakresie 30-60 W/m K. W rezultacie uzyskuje się wysoki współczynnik przewodności cieplnej i mały opór cieplny, dzięki czemu możliwe jest dopuszczenie wysokiego obciążenia cieplnego. W alternatywnym przykładzie wykonania wyłożenie jest zbudowane z cegieł ogniotrwałych, jakie stosuje się w konwerterach do produkcji stali lub w stalowniczych piecach elektrycznych, i najkorzystniej są to cegły magnezytowo-grafitowe. Cegły tego typu są znane w produkcji stali i odznaczają się wysoką odpornością na ścieranie. Przechodząc od zewnątrz do wewnątrz, wyłożenie zawiera warstwę grafitowych bloków, która oparta jest na miedzianej ścianie oraz warstwę cegieł ogniotrwałych. W tym przykładzie po osiągnięciu zrównoważonej grubości wyłożenie zawiera warstwę odpornych na ścieranie cegieł ogniotrwałych oraz warstwę grafitu o małym oporze cieplnym. Korzystnie ściana jest pochylona w tył od dołu do góry. Daje to poprawę stabilności wyłożenia. Ponadto rozszerzony kształt powoduje mniejsze zmiany poziomu warstwy żużla w zbiorniku hutniczym. Miedziana ściana oraz miedziane półki są wykonane z miedzi o zawartości 99% Cu, a współczynnik przewodności cieplnej leży w zakresie 250-300 W/m K. Pozwala to uzyskać możliwy do przyjęcia opór cieplny tych elementów. Stalowy płaszcz tworzy część zbiornika ciśnieniowego a przejścia rur wody chłodzącej poprzez płaszcz są uszczelniane po montażu ściany. W rezultacie proces ten może odbywać się pod ciśnieniem. Ściana jest odporna na obciążenie termiczne do ponad 300.000 W/m2 oraz na żużel zawierający około 10% wagowych FeO w temperaturze około 1700 C, a trwałość użytkowa ściany wynosi co najmniej 6 miesięcy ciągłej pracy. Umożliwia to pracę ściany w warunkach wysokiego obciążenia cieplnego, w środowisku o bardzo dużej ścieralności, z zachowaniem akceptowalnej trwałości.
183 756 5 Struktura ogniotrwałej ściany według wynalazku jest zastosowana w zbiorniku hutniczym, zwłaszcza do końcowej redukcji w konwertorze cyklonowym (CCF) dla procesu wytapiania redukcyjnego. Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zespół struktury ogniotrwałej ściany, w przekroju pionowym, fig. 2 - strukturę ogniotrwałej ściany, w widoku pokazanym strzałką I na fig. 1, fig. 3 - podzespół chłodzonej wodą płyty miedzianej ściany i chłodzonej wodą miedzianej półki, w niezmontowanym stanie, fig. 4 - podzespół chłodzonej wodą płyty miedzianej ściany i chłodzonej wodą półki, w zmontowanym stanie, fig. 5 - szczegół uszczelnienia przejścia rury doprowadzającej lub odprowadzającej wodę chłodzącą w stalowym płaszczu. Rysunek przedstawia wynalazek w przykładzie wykonania opracowanym dla zbiornika hutniczego, w którym następuje redukcja do postaci surówki za pomocą procesu wytapiania redukcyjnego w konwertorze cyklonowym CCF. Jednakże wynalazek nie ogranicza się do tego zastosowania i jest również odpowiedni do zastosowania w innych procesach redukcji rudy żelaza przy dużym obciążeniu cieplnym i/lub w środowisku o bardzo dużej ścieralności wynikającej z obecności FeO. Na fig. 1 przedstawiono strukturę ogniotrwałej ściany 1 według wynalazku, tworzącej część zbiornika hutniczego. W zbiorniku hutniczym na lustrze kąpieli surówki 3 znajduje się warstwa płynnego żużla 2, przy czym na fig. 1 pokazano poziom minimalny 4 i poziom maksymalny 5 warstwy żużla 2. Struktura ogniotrwałej ściany 1 zawiera stalowy płaszcz 6, chłodzoną wodą miedzianą ścianę 7, chłodzone wodą półki 8 oraz wyłożenie 9, które w przypadku fig. 1 zawiera grafitowe bloki 10 i cegły ogniotrwałe 11. Na fig. 1 przedstawiono przypadek, w którym struktura ogniotrwałej ściany 1 jest pochylona ku tyłowi względem pionu V, od dołu do góry. W kierunku wysokości, chłodzona wodą miedziana ściana 1 zawiera dwie płyty 12 i 13. Każda płyta 12, 13 jest zaopatrzona w cztery półki 8. Pomiędzy każdymi dwoma półkami 8 umieszczono sześć grafitowych bloków 10. Na fasadach grafitowych bloków 10 umieszczono równą ilość ogniotrwałych cegieł 11. Powyżej i poniżej struktury ogniotrwałej ściany 1 przebiega stalowy płaszcz 6, a wewnątrz zbiornik hutniczy jest wyposażony w ogniotrwałe struktury 14 i 15, których charakter, według tego zgłoszenia, jest nieistotny. Ciężar struktury ogniotrwałej ściany 1 jest podtrzymywany przynajmniej częściowo przez leżącą poniżej ogniotrwałą strukturę 15. Płyty 12 i 13 są wewnątrz wyposażone w kanały 16 wody chłodzącej z rurami 17 i 18 do doprowadzenia i odprowadzenia wody chłodzącej, które wystają w kierunku zewnętrznym ze zbiornika hutniczego poprzez stalowy płaszcz 6. Półki 8 są również wyposażone w wewnętrzny kanał 19 wody chłodzącej z rurą 20 wody chłodzącej wyprowadzoną na zewnątrz zbiornika hutniczego. Jak pokazano, półki 13 w górnej części rozciągają się ku górze ukośnie do wewnątrz, a w dolnej części rozciągają się ku dołowi ukośnie do wewnątrz. W przeciwieństwie do struktury ściany znanej dla wielkiego pieca, gdzie wyłożenie z cegieł ogniotrwałych jest łączone zaprawą, wyłożenie 9 spoczywa bezpośrednio na półkach 8 bez zaprawy i bez zaprawy opiera się na chłodzonej wodą ścianie 7. Chłodzona wodą ściana 1 i półki 8 są wykonane z miedzi o zawartości >99% Cu. Grafitowe bloki 10 mają współczynnik przewodności cieplnej w zakresie 60-150 W/m K. Ogniotrwałe cegły 11 są cegłami magnezytowo-węglowymi. Na fig. 2 pokazano część obwodu struktury ogniotrwałej ściany 1 z pominięciem wyłożenia 9. Część ta zawiera cztery płyty 12A, 12B, 13A, 13B o wysokości około 2,4 m i szerokości 1 m każda. Półki 8 są naprzemiennie ułożone na wysokości w kierunku obwodu. Ilość rur 17 i 18 doprowadzających i odprowadzających wodę chłodzącą przedstawia płyta 21 na fig. 3, która ma cztery wewnętrzne kanały wody chłodzącej. Pokazano tu, że dla rur 20 doprowadzających i odprowadzających wodę chłodzącą do półek 8 w płycie 21 wykonano wnęki 22, z których na fig. 3 pokazano tylko jeden zestaw (na fig. 1 występowały cztery półki 8 przypadające na płytę). Na fig. 4 pokazano chłodzącą płytę 21 i półkę 8 w zmontowanym stanie. Na fig. 5 pokazano przejście rury 20 wody chłodzącej półkę 8 przez płytę 21 i stalowy płaszcz 6, gdzie po zimnym montażu struktury ogniotrwałej ściany 1 następuje uszczelnienie
6 183 756 płytą 24 spawaną do rury 20 i do stalowego płaszcza 6. Przestrzeń pomiędzy płytą 21 i stalowym płaszczem 6 wypełnia się betonowym wyłożeniem. Pozostała przestrzeń 25 w szczelinie pomiędzy jedną stroną rury 20 i płytą jest wypełniana zaprawą lub wojłokiem. Struktura ogniotrwałej ściany według wynalazku jest odporna na obciążenie cieplne ponad 300.000 W/m2 i żużel zawierający około 10% FeO na poziomie temperaturowym 1700 C, dając trwałość użytkową co najmniej 6 miesięcy. Dzięki temu zbiornik hutniczy, w którym zastosowano strukturę ogniotrwałej ściany według wynalazku, lub przynajmniej jego strefa żużlowa nie wymagają częstej wymiany lub naprawy, uzyskując trwałość użytkową porównywalną z trwałością nowoczesnego wielkiego pieca.
183 756 Fig. 2
183 756 Fig. 3 Fig. 4
183 756 Fig. 5
183 756 Fig. 1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.