2007 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S. 637 Dr hab. inż. Jan Buzek prof. nzw. Pol. Śl. UKD 669.162.2.004.6(091) Politechnika Śląska w Katowicach Prof. dr inż. Władysław Sabela Wyższa Szkoła Biznesu w Dąbrowie Górniczej Ewolucja trwałości wielkich pieców Ewolution of the durability of blast furnaces Wielki piec jest urządzeniem pracującym w sposób ciągły. W XVIII wieku kampania między kolejnymi kapitalnymi remontami trwała od kilku tygodni do kilku miesięcy, a dzisiaj przekracza 10 lat. W artykule przypomniano ewolucję konstrukcji wielkich pieców i materiałów zastosowanych do ich budowy oraz rozwój technologii ich prowadzenia, które pozwoliły na przedłużenie trwałości wielkich pieców. The blast furnaces is a continuous producing installation. In the XVIII century the blast furnace campaign between succeeding general overhauls lasted flew weeks to several months, to-day it exeeds 10 years. This paper reminds the evolution of the blast furnace design and applyed construction materials as well as the development of the blast furnace process which prolonged the durability of blast furnaces. Słowa kluczowe: wielki piec, materiały ogniotrwałe, proces wielkopiecowy, remonty kapitalne Key words: blast furnace, general overhauls, refractories, blast furnaces process Wprowadzenie. Produkcja metalicznego żelaza z rud znana jest w świecie od około 3 tysięcy lat. Żelazo produkowano w małych piecach, budowanych oddzielnie dla każdego wytopu. Do pieców tych, znanych jako dymarki, ładowano warstwy węgla drzewnego i rudy. Do dymarki wdmuchiwano powietrze, które spalało węgiel drzewny. Powstający w ten sposób gorący gaz ogrzewał rudę, a zawarty w nim tlenek węgla redukował ją. Tworzące się w trakcie odbierania przez reduktor tlenu od tlenków żelazo, pod wpływem wysokiej temperatury panującej w piecu, ulegało roztopieniu. Roztopieniu ulegała również skała płonna rudy tworząc żużel. Ciekłe produkty zbierały się na dnie pieca-dymarki; żelazo jako cięższe na spodzie, a żużel na nim. Gorące, ale już zestalone produkty, przekuwano, co powodowało oddzielenie metalu, kierowanego następnie do dalszej przeróbki formowania przez kucie lub walcowanie. Z biegiem lat nadbudowywano dymarki. Do nadbudowanych szybów ładowano warstwy rudy i węgla drzewnego. Gorące gazy, unoszące się ze spodu przez dymarkę i nadbudowany szyb, ogrzewały zawarty w nim wsad. Częściowe ogrzanie wsadu, w trakcie jego opuszczania się do dolnej części dymarki, zmniejszało zużycie węgla drzewnego. Im wyższy był szyb, tym lepiej wykorzystano ciepło unoszących się gazów. Tworzący się metal i żużel były coraz bardziej płynne i można było je wypuścić z pieca przez otwór w dolnej części. W ten sposób uniknięto rozbierania dymarki po każdym wytopie i piec mógł pracować w sposób ciągły. Tak więc przed 4 wiekami powstał wysoki piec o ciągłej pracy, zwany w Polsce wielkim piecem. Piece te produkowały w XVIII wieku [1] ponad 1000 kg surówki żelaza dziennie, a kampania od uruchomienia do zatrzymania trwała od kilku tygodni do kilku miesięcy. Wielki piec powiększał się w ciągu XIX i XX wieku. Rosła także jego produkcja do kilkuset ton surówki na dobę w połowie XX wieku. Kampanie między kolejnymi remontami kapitalnymi wydłużają się do kilku lat. W Polsce, największy wielki piec przed II wojną światową, zbudował w Hucie Kościuszko w Chorzowie Z. Krotkiewski. Piec ten miał objętość użyteczną 483 m 3. Po wojnie objętości wielkich pieców, zaprojektowanych przez S. Dyakowskiego w Biprohucie w Gliwicach, wzrastały do ponad 600 m 3 w Chorzowie i ponad 800 m 3 w Częstochowie. W 1954 r. uruchomiono pierwszy wielki piec w Krakowie miał objętość 1033 m 3, podobnie wielki piec nr 2, a następne kolejno 1386 m 3, 1719 m 3 i ostatni (nr 5) 2002 m 3. W Dąbrowie Górniczej wszystkie 3 wielkie piece miały nominalną objętość 3200 m 3, z tym, że wskutek zmniejszania grubości ich obmurza podczas kapitalnego remontu objętość użyteczna powiększyła się [2]. Kampanie między kolejnymi kapitalnymi remontami, po II wojnie światowej, wynosiły 3 do 5 lat, a przedłużanie tego okresu umożliwiały remonty średnie o różnych zakresach. Wielki piec nr 1 w Dąbrowie Górniczej zadmuchano w grudniu 1976 i pracował do września 1981 r., a więc nieco mniej niż 5 lat. Druga kampania tego pieca trwała od kwietnia 1982 do stycznia 1989 r., czyli niepełne 7 lat, z tym, że w międzyczasie dokonano remontu średniego (25.11.1985 r. do 18.12.1985 r.). Obecna kampania międzyremontowa wielkiego pieca nr 3 w Dąbrowie Górniczej trwa do teraz od listopada 1996 r. [3].
S. 638 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr 12 Ostatni wielki piec w Częstochowie o objętości 1033 m 3 zadmuchano po remoncie kapitalnym w czerwcu 1994 r. Piec pracował w niekorzystnych warunkach, polegających na częstym hamowaniu, wskutek przerw w odbiorze surówki przez stalownię. Pracę pieca zatrzymano po blisko 7 latach pomimo jego zadowalającego stanu i możliwości dalszej eksploatacji bez remontu. Stan ten sugerował możliwość przedłużenia kampanii powyżej 10 lat. O jego zlikwidowaniu zadecydowały warunki ekonomiczne. Rozważania nad trwałością wielkiego pieca. Wskaźnikiem trwałości wielkiego pieca jest długość kampanii między kolejnymi remontami kapitalnymi. W tym okresie przeprowadza się różne naprawy wymagające przerw w pracy pieca. Mogą one odbywać się przy częściowym usunięciu wsadu z pieca bądź bez ingerencji w wnętrze pieca (naprawy na zewnątrz pieca). Bardziej złożone są naprawy zmuszające do usunięcia części wsadu z pieca w tym przypadku ingerencja jest tym większa, im niżej w wielkim piecu znajduje się miejsce naprawy. Konsekwencją tego jest różny cel usprawnień poszczególnych części pieca. Jeżeli bowiem skutkiem usprawnień jest przedłużenie trwałości szybu pieca przy małej trwałości garu, to i tak konieczność remontu garu zmusi do odkrycia wymurówki szybu, nawet gdyby jej stan był dobry [4]. W latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku odnotowano pierwsze ponaddziesięcioletnie kampanie japońskich pieców dużych objętości (nr 3 Huty Kimitsu; nr 5 Huty Fukuyama). Obecnie, kampania dziesięcioletnia traktowana jest jako minimum, coraz częściej pisze się i mówi o kampaniach 12- i 15-letnich. Straty wynikające z postoju remontowego, to nie tylko długi postój pieca i straty produkcyjne, ale i koszty remontu, które w zależności od wielkości pieca wynoszą od 20 do 100 mln USD. O trwałości ścian wielkiego pieca decydują trzy czynniki: system chłodzenia, konstrukcja wymurowania i zastosowane materiały ogniotrwałe, stosowana technologia prowadzenia pracy pieca. Znaczenia technologii nie trzeba udowadniać. Współczesne bezstożkowe urządzenia zasypowe pozwalają na bardzo precyzyjne sterowanie strumieniem gazu i zmniejszanie intensywności przepływu gazu obok ścian. Chłodzenie i obmurze należy traktować jako działające w symbiozie dwie części ściany pieca. Zadaniem chłodzenia jest obniżenie temperatury obmurza do poziomu, w którym radykalnie zwiększa się odporność wymurowania na niszczące działanie zawartości przestrzeni roboczej pieca. Obmurze natomiast chronią chłodnice przed bezpośrednim atakiem wysokiej temperatury przestrzeni roboczej pieca. Poglądy na konstrukcję chłodzenia i wymurowania pieca praktycznie nie zmieniły się w ciągu ostatnich kilku lat [5, 6]. Jednym z czynników, umożliwiających uzyskiwanie dobrych wyników produkcyjnych, jest poprawnie zachowany profil. Oczywistym jest, że obmurze wielkiego pieca ogranicza przestrzeń roboczą. W trakcie całej kampanii ulega ono stopniowemu niszczeniu, aż do momentu, kiedy odsłonięte elementy chłodzenia i pancerz podlegają bezpośredniemu działaniu przestrzeni roboczej. Ten stan zapowiada konieczność przeprowadzenia remontu. Niszczące oddziaływanie przestrzeni roboczej wielkiego pieca jest sumą szeregu czynników działających z różną intensywnością, w różnych strefach pieca (rys. 1). Należą do nich: ścierające działanie zsuwającego się wsadu, ścierające działanie gazów płynących ku górze, unoszących pył, erozja i chemiczne działanie ciekłego żużla, który w strefie jego tworzenia się i komór spalania zawiera znaczne ilości FeO, erozja i chemiczne działanie ciekłej surówki żelaza, utleniające działanie tlenu, dwutlenku węgla i pary wodnej w bezpośrednim sąsiedztwie komór spalania, chemiczne działanie alkaliów, odkładanie się w obmurzu cynku i ołowiu oraz ich tlenków, odkładanie się węgla-sadzy, wysoka temperatura, gwałtowne jej zmiany (wstrząsy termiczne) i naprężenia termiczne. Wsad ładowany do wielkiego pieca jest zimny i stały (strefa A na rys. 1) i jego oddziaływanie na obmurze w górnej części szybu polega na ścieraniu podczas zsuwania się w dół. Ścieranie mechaniczne obmurza powodują również gazy płynące ku górze i unoszące pył. Dlatego w górnej strefie wymurówka powinna być odporna, przede wszystkim na ścieranie. Temu żądaniu odpowiadają materiały o bardzo małej porowatości i bardzo zwarte. Pożądane jest także dokładne ułożenie kształtek (cegieł) z jak najmniejszymi spoinami-szczelinami (poniżej 1 mm). Rys. 1. Podstawowe czynniki niszczenia obmurza w wielkim piecu Fig. 1. Essential conditions of blast furnace lining destruction Rysunek opracowany na podstawie artykułu: Van Laar J., van Stein Callenfels J.E., Stokman R., Kaptein F.: Blast furnace refractories and cooling systems the Hoogovens Solution, Steel Times, 1987, nr 10, s. 488
2007 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S. 639 Niżej, w strefie B, poszczególne kawałki wsadu miękną, a przez to wzajemnie się sklejają. Możliwe jest także przyklejanie kawałków wsadu do obmurza najłatwiej przyklejają się małe kawałki. Proces ten zaczyna się od mięknięcia i topnienia zanieczyszczeń wsadu (np. cynku). Przyklejone ziarna wsadu mogą reagować z powierzchniową warstwą wymurówki [7]. Ponadto, w przypadku odklejenia się wsadu od obmurza, może nastąpić wyrwanie powierzchniowej warstwy obmurza. Dlatego należy bardzo starannie kontrolować tworzenie się narostów na obmurzu. O ile cienkie narosty przyklejone do obmurza chronią je przed ścieraniem, to pogrubienie przyklejonych narostów powoduje wzrost ich ciężaru i odrywanie od obmurza. Tak więc grube narosty niszczą obmurze, ale cienkie są korzystne. Głębokiej penetracji topniejącego wsadu w obmurze zapobiega dobre (intensywne) chłodzenie obmurza w tym rejonie. W strefie C wsad rudny jest w pełni ciekły. Spływa on po powierzchni spadków i przy intensywnym chłodzeniu zamarza. W ten sposób, na spadkach, tworzy się warstwa zamarzniętego wsadu, stanowiąca wtórne obmurze. Z mechanizmu tworzenia zamarzniętej warstwy wsadu (lub produktu) korzysta się także w niższej części pieca w garze (strefa D). Tworzenie i zachowanie zamrożonego wsadu zależy od wahań stanu cieplnego wielkiego pieca. Między innymi, istotny wpływ mają długie postoje pracy pieca, powodujące obniżenie temperatury obmurza. Może wtedy następować pękanie utworzonych narostów i oderwanie ich od obmurza, a także pękanie obmurza. Zmiany warunków prowadzenia procesu wielkopiecowego po II wojnie światowej. W wielu krajach świata zaczęto stosować wzbogacony w żelazo wsad. Umożliwiło to radykalne zmniejszenie zużycia koksu, bardzo istotne wobec stałego wzrostu jego cen [8]. Spowodowało to szereg skutków wtórnych. Zmniejszeniu uległa ilość żużla przypadającego na 1 tonę produkowanej surówki. W Polsce i krajach sąsiednich, jeszcze w latach sześćdziesiątych minionego stulecia, ilość żużla wynosiła 700 1000 kg/t, a dzisiaj 300 kg/t lub nawet mniej. Pogorszyło to jednak warunki odsiarczania surówki w wielkim piecu i zmusiło do powiększania zasadowości żużla. Zarówno większa zasadowość żużla, jak i spadek jego ilości wpływają ujemnie na ewakuację alkaliów (Na, K) z wielkiego pieca, co z kolei sprzyja tworzeniu narostów na obmurzu. Dążność do lepszego wykorzystania gazu przepływającego przez wsad spowodowała, że temperatura gazu gardzielowego, uchodzącego z pieca, coraz częściej spada poniżej 100 o C. Powoduje to kondensację pary wodnej znajdującej się w gazie, a wobec obecności w piecu siarki kondensat zawiera kwas siarkowy. Tak więc, równocześnie z korzyścią, jaką jest zmniejszenie zużycia paliw w wielkim piecu, następuje wzmożona korozja przewodów gazowych, wyprowadzających gaz z pieca. Zmusza to do ich lepszego zabezpieczenia antykorozyjnego poprzez szczelniejsze wykładziny oraz wykonywanie tych przewodów z materiału wysoko odpornego na korozję. Do zmian warunków prowadzenia procesu zaliczyć trzeba znaczny wzrost temperatury dmuchu, z około 500 o C do ponad 1000 o C, a nawet ponad 1200 o C. Poza wzrostem temperatury wzrosło ciśnienie dmuchu i ciśnienie w gardzieli. Do wielkiego pieca wraz z powietrzem wdmuchuje się paliwa zastępujące część koksu oraz dodaje tlen. Wszystko to spowodowało zmiany konstrukcji i materiałów w ciągu dmuchu i urządzeń odbierających gaz gardzielowy. Dokonane zmiany konstrukcji wielkiego pieca. Analizując ewolucję konstrukcji gardzieli pieca trzeba zwrócić uwagę na zasadnicze zmiany aparatu zasypowego zamknięcia gardzieli. Miały one na celu zwiększenie szczelności pieca dla ograniczenia emisji gazu do atmosfery, jest to problem ekologiczny, oraz wykorzystania energii gazu gardzielowego jako paliwa. Problem szczelności zaostrzył się po wprowadzeniu technologii pracy wielkiego pieca przy podwyższonym ciśnieniu w gardzieli. Pierwsze zmiany polegały na modyfikacji konstrukcji stożkowej. Jednak skomplikowały one aparat. Jakkolwiek zwiększono szczelność, to nie uzyskano istotnej poprawy rozmieszczania wsadu w gardzieli pieca. Obecnie większość nowoczesnych, dużych pieców posiada aparaty bezstożkowe z rynną obrotową, pełniącą funkcję rozdzielacza wsadu. Aparaty te są szczelne, także przy podwyższonym ciśnieniu w gardzieli i umożliwiają sypanie wsadu w dowolnie wybranym punkcie gardzieli. Ponadto wymiana zużytych elementów jest prosta i szybsza niż w dotychczasowych aparatach. Istotnej zmianie uległa konstrukcja szybów. Jeszcze na początku lat sześćdziesiątych minionego stulecia niektóre szyby polskich wielkich pieców nie posiadały pancerza. Niebezpieczne uszkodzenia nieopancerzonej wymurówki spowodowały, że zakazano budowy takich agregatów. Szyby nieopancerzone bądź nie posiadały chłodnic, bądź stosowano w nich chłodnice poziome-skrzynkowe. Natomiast opancerzone szyby chłodzi się natryskiem na pancerz (w małych piecach, a szczególnie z cienkościennym szybem). Stosowano także poziome chłodnice różnego typu. Dobór systemu chłodzenia zależy od wielkości pieca, stosowanej technologii, a czasami poglądów reprezentowanych przez konstruktorów i użytkowników. Chłodzenie odbiera 91 96 % całej ilości ciepła przejmowanej przez obmurze z przestrzeni roboczej pieca. Pozostała ilość odprowadzana jest do atmosfery. Dla pokrycia tych strat zużywa się od 12 do 40 kg koksu na tonę przeróbczej surówki żelaza i do 75 kg na tonę surówki odlewniczej. Zwiększenie objętości pieca powoduje zwiększenie obciążenia cieplnego odnoszonego do jednostki powierzchni ściany i równoczesne zmniejszenie strat odniesionych do jednostki wyprodukowanej surówki. Straty te zmniejszają się z 32 kg koksu/t surówki dla pieca o objętości 1000 m 3 do 17 kg/t dla pieca o objętości 5000 m 3 [5, 6]. Zgodnie z większością danych, przedstawianych w literaturze, średnie ilości od-
S. 640 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr 12 prowadzanego przez chłodzenie ciepła wynoszą od 10 do 60 kw na metr kwadratowy powierzchni płyty. Wartości te miejscowo dla niewielkich powierzchni i krótkich okresów dochodzą do 150 300 kw/m 2 [5, 6]. Maksymalne obciążenie cieplne przenosi obmurze spadków, przestronu i dolnej części szybu. Ten rejon ścian wielkiego pieca ulega najszybszemu zużyciu i decyduje o konieczności remontu pieca. Intensywność odprowadzania ciepła zależy od ilości wody przepływającej przez chłodnice. Ilość wody z kolei jest zależna od systemu chłodzenia i wynosi od 0,8 do 2,0 m 3 na metr sześcienny objętości pieca, w ciągu jednej godziny, co odpowiada 3 do 10 m 3 /h licząc na 1 m 2 powierzchni ściany pieca. Według źródeł zachodnioeuropejskich dla chłodnic skrzynkowych wskaźnik ten jest dwukrotnie wyższy (5 10 m 3 /m 2 h) od wartości chłodnic płytowych (3 5 m 3 /m 2 h) [6]. Począwszy od lat pięćdziesiątych ubiegłego stulecia ukształtowały się dwa poglądy na chłodzenie ścian pieca i konstrukcję chłodnicy: Stosowanie na całej chłodzonej wysokości pieca żeliwnych chłodnic płytowych (nazywanych w Japonii i na Zachodzie staves ). Przejęte na zasadzie licencji z byłego ZSRR chłodnice staves były i są nadal modyfikowane w Zachodniej Europie i Japonii. Miedziane, poziome chłodnice skrzynkowe (plate coolers) o konstrukcji znanej z końca XVIII wieku, następnie modernizowane, służyły i służą nadal do chłodzenia ścian pieca powyżej rejonu dysz. Ściany garu i trzonu chłodzone były systemem kesonowym lub przez polewanie pancerza wodą. Obecnie uzupełnieniem chłodzenia ścian pieca jest chłodzenie podtrzonowe wodne lub powietrzne, które ogranicza niszczenie wymurowania trzonu [6]. W ubiegłym wieku w Europie Wschodniej stosowano chłodzenie wyparkowe obmurza. System ten miał na celu wykorzystanie odprowadzanego ciepła z chłodnic wielkopiecowych do przegrzania wody i wyprodukowania pary. System ten nie nadążał za zmieniającymi się w czasie obciążeniami cieplnymi w poszczególnych miejscach wielkiego pieca, co prowadziło do lokalnych przegrzań obmurza. Z tego powodu zrezygnowano z wyparkowego chłodzenia obmurza wielkiego pieca. Coraz częściej przekracza się sztywny podział systemów chłodzenia, wprowadzając równocześnie chłodnice typu staves i poziome chłodnice skrzynkowe. Typowym tego przykładem było rozwiązanie chłodzenia szybów wielkich pieców Huty Koszyce (Słowacja). Współczesne różne typy chłodnic i różne systemy chłodzenia zastosowano również w uruchomionym wielkim piecu nr 2 w Schwelgern (Niemcy). Chłodnice ścian wielkiego pieca powinny wytrzymać całą kampanię międzyremontową, a nawet decydować o jej trwaniu. Jednym z powodów niszczenia chłodnic jest gromadzenie kamienia kotłowego na ścianach rur, którymi przepływa woda. Jakość stosowanej wody w systemach chłodzenia w sposób zasadniczy, obok jej ilości i konstrukcji chłodnicy, wpływa na czas ich pracy. Współczesne systemy chłodzenia wodnego to systemy zamknięte, w których stosuje się tzw. miękką wodę, wstępnie oczyszczoną od zanieczyszczeń i rozpuszczonych soli. Ilość zawiesiny nie może przekraczać 10 mg/dm 3 ; węglanów (CaCO 3 +MgCO 3 ) 50 mg/dm 3 i siarczanów 100 mg/dm 3. Ilość węglanów określa tzw. twardość wody. Krzemiany, siarczany, a przede wszystkim węglany przy podwyższonej temperaturze odkładają się na wewnętrznej powierzchni chłodnic lub rur zalanych w korpusie i tworzą warstwę kamienia kotłowego. Współczynnik przewodności cieplnej kamienia jest bardzo niski. Warstwa kamienia kotłowego grubości 1 mm powoduje skok temperatury o 200 do 400 K. Podobnie szkodliwe jest odkładanie się zawiesiny w formie szlamu, w miejscach o zmniejszonej intensywności przepływu wody. Duże zmiany, związane z konstrukcją wielkiego pieca, nastąpiły w dziedzinie doskonalenia materiałów ogniotrwałych do wykładania szybu. Uwzględniając, opisane już, mechanizmy niszczenia obmurza wielkiego pieca, w poszczególnych strefach stosuje się materiały o różnych własnościach [9]. W szybie, szczególnie w górnej jego części, stosuje się, jak już wspomniano, materiały o małej porowatości, odporne na mechaniczne ścieranie. Jak już wspomniano, obecność mięknących fragmentów wsadu w dolnych częściach szybu ma mniejszy wpływ na ścieranie. Istotna staje się reakcja plastycznych i ciekłych składników wsadu z obmurzem. Ponieważ ten rejon obmurza ulega najszybszemu niszczeniu, próbowano stosować różne materiały, między innymi topiony Al 2 O 3. Jeszcze raz należy pokreślić, że istotnym czynnikiem hamującym niszczenie obmurza w dolnej części szybu jest intensywne jego chłodzenie. Przełom w konstrukcji obmurzy wielkich pieców spowodowało wprowadzenie do produkcji materiałów ogniotrwałych na bazie karborundu (SiC). W porównaniu z pozostałymi materiałami ogniotrwałymi, materiały karborundowe mają znacznie mniejsze pory, wyższą przewodność cieplną. Kryształy SiC charakteryzują się bardzo dobrymi własnościami fizycznymi i chemicznymi: znaczną twardością, wysoką ogniotrwałością (powyżej 2000 o C), dobrą przewodnością cieplną wynoszącą 5/W(mK) przy 1000 o C, małą rozszerzalnością cieplną, odpornością na wstrząsy termiczne i dużą odpornością chemiczną. Kryształy SiC wiąże się za pomocą Al 2 O 3 lub SiO 2 (tzw. wiązania tlenkowe), azotku krzemu Si 3 N 4 i wiązaniami (mostkami) SiC. Najlepsze wyniki uzyskano stosując materiały wiązane przez Si 3 N 4 i tak zwane materiały samodzielnie wiązane (self bonded), w których kryształy SiC wiązane są mostkami SiC. Niekiedy materiały te nazywane są materiałami o wiązaniu β-sic w odróżnieniu od kryształów węglika krzemu surowca określanego jako faza α-sic. Produkcja tych wyrobów polega na spiekaniu mieszaniny węglika krzemu, krzemu metalicznego, smół o dużej zawartości węgla i żywic, w temperaturach 1400 1600 o C.
2007 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S. 641 Gary wielkich pieców wykonywano dawniej z materiałów ceramicznych (szamotowych), ale już przed II wojną światową zaczęto stosować wyroby węglowe masy ubijane, a następnie bloki węglowe [10 12]. Dokonując analizy sposobów ułożenia materiałów ogniotrwałych trzonów i garów wielkich pieców stosowanych w hutnictwie światowym, można generalnie podzielić je na dwa typy. Wyłożenie węglowe (czarne) i wyłożenie węglowo-ceramiczne (czarno-białe). Wbrew oczekiwaniom, zastosowanie wykładzin węglowych, także w trzonie, nie zapobiegło tworzeniu wilka ; wilk powstawał wskutek erozji trzonu i jego masa na końcu kampanii międzyremontowej pieca wynosiła kilkadziesiąt do kilkuset ton. Jedną z teorii tworzenia wilka było podmywanie bloków węglowych. Sądzono bowiem, że węgiel jest odporny na działanie surówki żelaza, a szczególnie żużla, a tworzenie wilka polega na wypływaniu z trzonu lekkich bloków węglowych. Dużo uwagi poświęcono więc na doskonalenie łączenia poszczególnych bloków stosowano masy wypełniające szczeliny między blokami, bloki miały w bocznych ścianach rowki zazębiające sąsiednie bloki i wreszcie zmniejszano grubość szczelin między blokami. Stwierdzono, że niszczenie garów rozpoczyna się od środka trzonu. Nowsze badania wykazały, że węgiel wykładziny rozpuszcza się w surówce. W latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku istniał pogląd, że trwałość wyłożenia można przedłużyć zwiększając jego grubość. W praktyce jednak okazało się, że maksymalną żywotność wyłożenia osiąga się przy skutecznym chłodzeniu, w połączeniu z prawidłowym doborem materiałów ogniotrwałych. Rozpoczęto więc chłodzenie trzonów. Impulsem do tego chłodzenia było zaobserwowane tworzenie zamrożonej warstwy surówki i żużla na bocznych ścianach garu, które były już dawniej chłodzone. Chłodzenie trzonu umożliwiło utworzenie zamrożonej warstwy surówki także na dnie garu. Przeciwnicy chłodzenia trzonu obawiali się wybuchów wskutek zetknięcia ciekłego żelaza z wodą. Z powodu potencjalnego niebezpieczeństwa istniały dwie tendencje: chłodzenie wodą lub chłodzenie powietrzem mediów przepływających przez sieć przewodów pod trzonem. W praktyce wystąpiło kilka wybuchów, nawet instalacji powietrznej. Wskutek nieszczelności przewodów, wydobywające się z instalacji chłodzącej powietrze lokalnie utleniło wykładzinę węglową. Nastąpił wybuch wytworzonego tlenku węgla i zniszczenie blaszanego kolektora, przez który wypływało ogrzane powietrze uchodzące z rur instalacji chłodzącej. Ostatecznie rozpowszechniło się w świecie chłodzenie wodą. Obecnie, nowoczesne gary zbudowane z bloków węglowych, chłodzone są pionowymi chłodnicami podpancerzowymi na obwodzie i poziomymi rurami pod trzonem. Pracują między remontami kilkanaście lat. Inne czynniki wpływające na trwałość wielkiego pieca. Istotne znaczenie w przedłużeniu kampanii pracy wielkiego pieca ma technologia jego prowadzenia. Ulegała ona ewolucji wskutek zmian jakości wsadu. Zmiany te polegały na wzroście zawartości żelaza we wsadzie, poprawie uziarnienia wsadu, zmianach struktury, np. zastosowaniu spieku zasadowego i wyprowadzeniu ze wsadu surowego topnika. Wynikały też z lepszego poznania własności koksu i wykorzystania tej wiedzy. Istotnemu usprawnieniu uległa możliwość kierowania rozmieszczeniem wsadu przez zastosowanie m.in. bezstożkowego aparatu zasypowego. Niebagatelny wpływ na trwałość wielkiego pieca mają nowe urządzenia i aparaty pomiarowe, a także udział informatyki w kierowaniu jego pracą. Czynniki te pozwoliły na, przynajmniej częściowe, opanowanie procesu tworzenia i likwidacji narostów decydujących o przemieszczaniu się wsadu i gazów w piecu. Sprzyja to wykorzystaniu narostów do ochrony obmurza, a nie jego niszczenia. Największy wpływ na wielkość niszczenia wyrobów ogniotrwałych ma zawsze temperatura, w której pracują. Jeżeli można utrzymać temperaturę gorącej ściany w garze poniżej 900 o C, to nie ma obawy o destruktywne oddziaływanie par alkaliów, cynku i tlenku węgla. Również zakrzepnięcie surówki żelaza na ścianach garu w temperaturze poniżej 1150 o C powoduje ich ochronę, przez powstanie tzw. samochroniącego się garu. Należy pamiętać o starannym, dokładnym montowaniu wyłożenia ogniotrwałego w czasie jego zabudowy w wielkim piecu. Dotrzymanie odpowiednich szczelin dylatacyjnych wypełnionych masą ogniotrwałą, zachowującą parametry jakościowe przez całą kampanię, są gwarantem długiej bezawaryjnej pracy tej części pieca. Zapobiega to powstawaniu tzw. poduszek powietrznych, ograniczających przepływ ciepła i w konsekwencji prowadzących do wzrostu temperatury wymurowania. Należy zwrócić uwagę również na kontrolę układów chłodzenia, szczególnie dysz. W przypadku wykrycia najmniejszej nieszczelności, należy niezwłocznie ją usunąć. Wobec coraz bardziej precyzyjnego chłodzenia obmurza wielkiego pieca istotne znaczenie, jak już wspomniano, ma jakość wody przepływającej przez chłodnice. Stosowana dawnej powszechnie woda z obiegu otwartego (rzeka-piec-rzeka) powoduje zarastanie chłodnic, szczególnie rur, co zmusza do uciążliwego usuwania kamienia kotłowego. Dlatego coraz częściej do chłodzenia stosuje się wodę preparowaną, krążącą w obiegu zamkniętym. Gwarantem długoletniej pracy garu i trzonu wielkiego pieca jest jego eksploatacja bez częstych, a szczególnie długich postojów wynikających, na przykład, z braku zapotrzebowania na surówkę żelaza. W czasie postoju występują spadki temperatury, powodujące naprężenia termiczne, a te są źródłem pękania materiałów ogniotrwałych. Może to być przyczyną przyspieszonej erozji i skrócenia czasu eksploatacji. Zakończenie. Niniejszy artykuł będzie wykładem wprowadzającym na kolejnym seminarium monotematycznym i spotkaniu wielkopiecowników z wyższych uczelni, instytutów i hut Czech, Słowacji i Polski, które odbędzie się w 2008 r. w Ostrawie. Seminaria te, od kilku lat, organizuje corocznie
S. 642 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr 12 Katedra Żelaza i Koksownictwa VŠB Technická Univerzita Ostrava, której kierownikiem jest doc. hab. dr inż. Jan Kret. Współorganizatorami są: Katedra Metalurgii Politechniki Śląskiej w Katowicach i Katedra Metalurgii Żelaza i Odlewnictwa Technicka Univerzita Košice. Poprzednie seminarium pt. Aglomeracje rud żelaza odbyło się 30. maja 2007 r. w Ostrawie. Wykład wprowadzający został opublikowany w miesięczniku Hutnik-Wiadomości Hutnicze 2007, nr 9, s. 482. Przyszli uczestnicy seminarium w 2008 r. są proszeni o przygotowanie swoich wykładów rozwijających problem wzrostu trwałości wielkich pieców. L i t e r a t u r a 1. Osiński J.: Opisanie Polskich Fabryk Żelaza, Warszawa, 1782 2. Gawron M., Badora R., Sabela W., Konstanciak A.: 26 lat pracy wielkich pieców Huty Katowice, Hutnik-Wiadomości Hutnicze, 2004, nr. 1, s. 2 3. Kalamat Z., Badora R., Chyży A., Hyla A.: Modernizacja wielkiego pieca nr 2 w Mittal Steel Poland SA w oddziale Dąbrowa Górnicza, Hutnik-Wiadomości Hutnicze, 2007, Nr 8, s. 393 4. Sabela W., Konstanciak A.: Rozważania nad cyklami remontowymi wielkich pieców. Kwartalnik Naukowo-Techniczny Huty Katowice, 1995, nr 1, s. 38 5. Król L.: Chłodzenie obmurza wielkiego pieca, Hutnik- -Wiadomości Hutnicze, 1989, nr 4, s. 151 6. Król L.: Konstrukcja i urządzenia wielkiego pieca. Wydawnictwo Śląsk, 1989 7. Gawron M.: Narosty w wielkim piecu. Hutnik-Wiadomości Hutnicze, 2005, nr 9, s. 441 8. Sabela W., Brzeziński P. Buzek J.: Czynniki wpływające na koszty pozyskiwania metalicznego żelaza. Hutnik-Wiadomości Hutnicze, 2005, nr 10, s. 490 9. Sabela W.: Szyby wielkich pieców. Hutnik 1967, nr 7-8, s. 357 10. Sabela W.: Gary wielkich pieców. Hutnik 1967, nr. 3, s. 115 11. Buzek J.: Przyczyny niszczenia garów wielkopiecowych, Hutnik -Wiadomości Hutnicze, 1998, nr 12, s. 456 12. Buzek J. Niszczenie węglowego wyłożenia garu i trzonu wielkiego pieca pod wpływem ruchów ciekłych produktów, Hutnik-Wiadomości Hutnicze, 2000, nr 4, s. 147 Dr hab. inż. Stanisław TURCZYN, prof. AGH UKD 669-122.4:669-418.5:669.15-194.57:669-97:669.15-194.55 Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica Katedra Plastycznej Przeróbki Metali al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków e-mail: turczyn@metal.agh.edu.pl Walcowanie na gorąco cienkich taśm ze stali o wysokiej wytrzymałości Hot rolling of thin strip from high strength steel W pracy scharakteryzowano stale o wysokiej wytrzymałości stosowane w nowoczesnym przemyśle motoryzacyjnym, takie jak DP, TRIP, CP i martenzytyczne. Jako przykład przedstawiono proces walcowania na gorąco taśm ze stali ferrytyczno-martenzytycznej typu DP. Oceniono również wpływ prędkości chłodzenia po walcowaniu na skład fazowy i niektóre własności mechaniczne taśm. Omówiono także proces walcowania na gorąco taśm w temperaturach poniżej A r1, odpowiadających zakresowi stabilnego ferrytu. Proces ten, jako bardziej ekonomiczny, może być stosowany w zastępstwie konwencjonalnego procesu produkcji blach przeznaczonych do głębokiego tłoczenia. Otrzymane wyniki stanowią podstawę do projektowania procesu termomechanicznego walcowania na gorąco taśm stalowych. Most often used in modern automotive industry types of steel such as DP, TRIP, CP and martensitic are characterized. As an example, Hot rolling of strips made from DP steel was detailed discussed. The influence of cooling rate on phase volume fraction and some mechanical properties of DP strips has been also analysed. An overview of some metallurgical aspects of the production of low carbon steel strips by applying the ferritic rolling below A r1 temperatures is also presented. This process can be employed as a cost saving replacement for conventional production of deep drawing quality steel strips. The obtained results are the basis to the design of hot strip rolling as the thermomechanical process. Słowa kluczowe: stale o wysokiej wytrzymałości, stale ferrytyczno-martenzytyczne, termomechaniczne walcowanie taśm, walcowanie w zakresie ferrytu, własności mechaniczne Keywords: high strength steels (HSS, AHSS), dual phase steels (DP), thermomechanical rolling of strips, ferritic rolling, mechanical properties