01 Metalurgia Ekstrakcyjna Zelaza

AKADEMIA GRNICZO HUTNICZA im. Stanisawa Staszica

w Krakowie

WYDZIA INYNIERII METALI I INFORMATYKI PRZEMYSOWEJ

Prof. dr hab. in. Andrzej dzki Dr in. Andrzej Michaliszyn Dr in. Arkadiusz Klimczyk

METALURGIA EKSTRAKCYJNA ELAZA

CZ I

/do uytku wewntrznego AGH/

Kierunek: Metalurgia, Rok: II, Semestr: IV

AKADEMIA GRNICZO HUTNICZA Wydzia Inynierii Metali i Informatyki Przemysowej

Prof. dr hab. in. Andrzej dzki, Dr in. Andrzej Michaliszyn, Dr in. Arkadiusz Klimczyk 2

I. Tworzywa metalurgiczne i ich przygotowanie.

Pod tym pojciem rozumie si cao materiaw wsadowych, niezbdnie potrzebnych

dla przeprowadzenia procesw metalurgicznych. W metalurgii elaza te procesy to proces

wielkopiecowy, w ktrym produkuje si surwki oraz procesy stalownicze, w ktrych

produkuje si rne rodzaje stali.

W procesie wielkopiecowym tworzywami s:

1. Surowce metalodajne tj: rudy elaza, rudy manganu, namiastki rud, zom a

przede wszystkim na obecnym poziomie technologii spiek rudny i grudki

wypalane. Spiek i grudki nazywamy wsadem przygotowanym natomiast rudy

wsadem surowym.

2. Topniki tj. tworzywa dodawane w celu uzyskania uli w iloci i o skadzie

niezbdnym do prawidowego przebiegu procesu i otrzymania surwki o

odpowiedniej jakoci.

3. Paliwa tj. koks, gaz ziemny, py wglowy czy olej opaowy su gwnie do

otrzymania z nich niezbdnej iloci ciepa przy ich spalaniu dla

prawidowego przebiegu procesu w odpowiednich temperaturach.

Rudy elaza.

Obecnie nowoczesna technologia nie dopuszcza we wsadzie wielkopiecowym duych iloci

(wicej ni 20%) surowych rud elaza. Jeli s stosowane w stanie surowym to musz by

przesiane i mie odpowiedni skad chemiczny tj. Fe co najmniej wiksze ni 50%, CaO/SiO2

od 0,5 do 1,1 oraz znikome iloci siarki, alkaliw i fosforu. Rudy surowe s aktualnie w

wikszej czci uywane do produkcji wsadu przygotowanego tj. spieku rudnego i grudek.

Do mineraw elazononych wchodzcych w skad rud elaza zalicza si:

1. Hematyt zwany elaziakiem czerwonym o wzorze Fe2O3; jest on

niemagnetyczny i krystalizuje w ukadzie heksagonalnym; w stanie czystym

zawiera 70% Fe.

2. Magnetyt zwany elaziakiem magnetycznym o wzorze Fe3O4; jest on

magnetyczny, krystalizuje w ukadzie regularnym a w stanie czystym zawiera

72,4% Fe,



3. Uwodnione tlenki elaza wystpuj w postaci limonitu 2Fe2O3*3H2O zwane s

czasami elaziakiem brunatnym lub w postaciach nFe2O3*mH2O. Rudy te zwane

s brunatnymi i zawieraj od 52,2 66,1%Fe, krystalizuj w ukadzie rombowym.

4. Syderyt o wzorze FeCO3=FeO*CO2 najczciej wystpuje w postaci syderytu

ilastego; zawiera w stanie czystym ok. 48,3% Fe.

Do celw metalurgii elaza najwiksze znaczenie maj jednak rudy hematytowe i

magnetytowe.

Rudy hematytowe wystpuj:

a) Krzywy Rg Ukraina i zawieraj od 48-56% Fe,

b) Kursk i Ural Ukraina i Rosja,

c) Brazylia-Minas-Gerais 62-67% - najbogatsze na wiecie,

d) Indie 60-66%.

Rudy magnetytowe wystpuj:

a) Krzywy Rg, Kursk, Potawa,

b) Szwecja Kirunawara i Geliwara; Fe 58-70%,

c) USA Jezioro Grne ok.51% Fe,

d) Chiny,

e) Australia.

Rudy brunatne wystpuj:

Kuba 42-48% Fe, Lotaryngia-Francja 30% Fe (nie s wydobywane), Hiszpania Bilbao 60% Fe.

Syderyty

Polska Czstochowa, Kielce, czyca od 25-42% Fe mae zoa, nie wydobywa si aktualnie.

Rudy manganowe dziel si na:

Typowo manganowe zawierajce ponad 35% Mn wystpujce w Afryce Poudniowej, Gabonie, RPA, Ukraina Nikopol, Brazylia, Gruzja,



Manganowo-elaziste zawierajce od 10-35% Mn wystpuj Gruzja, Cziatura i Nikopol,

Rudy elazistomanganowe (o maej wartoci metalurgicznej) zawieraj od 5-10%Mn i towarzysz rudom elaza.

Poza mineraami zawierajcymi elazo czy mangan w rudach wystpuj mineray nie

zawierajce Fe i Mn. Zwizki te dzieli si na dwie grupy:

a) domieszki wprowadzajce inne skadniki do metalu,

b) skaa ponna s to inne zwizki rud nie zawierajce elaza i Mn.

Ad a). Zawarto domieszek w rudzie nie przekracza 1-3%. Stosujc kryterium przydatnoci

danego pierwiastka dla wytapianej surwki domieszki dzielimy na 3 grupy:

poyteczne (np. Mn w rudach elaza), szkodliwe wprowadzajce pierwiastki obniajce jako surwki jak: S,

As, Zn, Pb, Na i K,

porednie np. P, ktry w surwce przerbczej jest szkodliwy (surwka z ktrej wytwarza si stal) a w surwkach odlewniczych poyteczny.

Ad b). Skaa ponna rud to mineray zoone z szeregu tlenkw powizanych midzy sob

oraz z tlenkami Fe i Mn. Skaa ponna rud oceniana jest dodatnio pod wzgldem

metalurgicznym jeli zawieraj duo CaO, MgO, Al2O3 , a mao zawiera SiO2 i alkaliw.

Topniki w wielkopiecownictwie znaczenie maj tylko topniki zasadowe w postaci

kamienia wapiennego CaCO3 (biay do szarego o zawartoci CaO powyej 50%, minimalnej

zawartoci SiO2 poniej 1,5 i S) oraz dolomitu CaCO3*MgCO3.

Namiastki rud elaza i manganu.

Przy coraz to wikszej oszczdnoci i deficycie rud, z koniecznoci wykorzystuje si

produkty odpadowe procesw metalurgicznych takie jak:

py wielkopiecowy (44-55 % Fe), uel martenowski i konwertorowy (CaO ok. 20 %, Fe 10-24 %, Mn 7-10 %), uel z piecw grzewczych walcowni (Fe 45-50 % oraz SiO2 niekorzystne 28-35

%),

uel elazomanganowy (Mn do 20 %), zgorzelina (z walcowiny i motowni) (Fe ok. 70 %),



wypaki pirytowe (Fe 40-65 % i niekorzystna S - 50%).

Paliwa

W procesie spiekania, grudkowania (wypalanie) a przede wszystkim w procesie

wielkopiecowym gwnymi paliwami s:

koks jako podstawowe paliwo powstaje w bateriach koksowniczych przez such destylacj wgla. Koks powinien zawiera jak najmniej popiou i H2O. (Popi 8-11%,

H2O 0,3-7%, cz. l. 0,5 -1,5%). Koks powinien by wytrzymay na rozkruszanie (



Du redukcyjno czyli zdolno do oddawania tlenu. Wysok temperatur topnienia i may zakres miknicia.

Duy stopie utleniania czyli [ ][ ]kgatFeFekgatOO .

Surowce do produkcji spieku, grudek i surwki elaza.

Surowce uywane do produkcji spieku to:

Rudy elaza zwane aglorudami. Koncentraty rud elaza. Rudy manganu. Topniki. Namiastki rud. Paliwa.

Rudy elaza w zalenoci od wystpujcego w nich zwizku elaza nazywamy:

1. Hematytowe gdzie podstawowym skadnikiem jest Fe2O3, barwy czerwonej.

2. Magnetytowe - gdzie podstawowym skadnikiem jest Fe3O4, barwy czarnej i s

magnetyczne.

Te w/w rodzaje rud s podstawowymi tworzywami metalodajnymi w metalurgii elaza,

bowiem zawieraj od 50-67% Fe. Oprcz tego istniej : syderyty FeCO3, limonity

mFe2O3*nH2O, piryty FeS, ktre obecnie ze wzgldu na ma zawarto Fe maj mae

znaczenie.

Technologia procesu spiekania.

Technologia ta obejmuje czynnoci konieczne do wytworzenia spieku. Mona te czynnoci

podzieli na wstpne i zasadnicze.

Do wstpnych czynnoci nale:

a) rozadowanie surowcw w hucie,

b) skadowanie surowcw,

c) sortowanie i kruszenie surowcw.

Do czynnoci zasadniczych nale:

d). namiarowanie surowcw,

e). mieszanie, nawilanie i podawanie mieszanki na tam spiekalnicz,



f). spiekanie na tamie spiekalniczej,

g). wstpne kruszenie i sortowanie gorcego spieku,

h). chodzenie i sortowanie gorcego spieku.

Wszystkie ww. czynnoci obojtnie czy zaliczamy je do wstpnych czy zasadniczych musz

by prawidowo wykonane. Praktycznie oznacza to, e kada z nich wpywa na: jako

spieku, ekonomik procesu, wielko produkcji a porednio na emisj szkodliwych

skadnikw do otoczenia.

Ad a).

Rozadowanie surowcw powinno by tanie i szybkie. Odbywa si wic za pomoc

wywrotnic wagonw. Wyprniaj cay wagon w przecigu ok. 2-ch minut. W zimie

zamroone surowce przed podaniem na wywrotnice odmraa si (w wagonach) w tzw.

odmraalniach wagonw.

Ad. b).

Skaduje si surowce na skadowisku w taki sposb, e kady z nich uoony jest w oddzieln

pryzm lub wytworzon mieszank. Skadowisko peni trzy funkcje tj.

Zapasu rud. Uredniania rud. Sezonowania rud.

Zapas rud powinien by taki aby nawet w okresie ostrych mrozw zapewni cigo pracy

huty.

Urednianie odbywa si na skadowisku poprzez usypywanie pryzm cienkimi warstwami

oraz rozbieraniu pryzm od razu z caej powierzchni czoowej. Urednianie ma na celu

wyrwnanie skadu chemicznego w zakresie jednej rudy lub topnika.

Sezonowanie to proces odbywajcy si na skadowisku, ktry ma na celu skoagulowanie

pylastych frakcji a przez to:

zmniejszenie zapylenia, obnienie strat rudy a zatem i produkcji, podwyszenie przewiewnoci (gazoprzepuszczalnoci przyszej mieszanki, przez co

zmniejsza si zapylenie, wzrasta szybko produkcji i obnia si zuycie paliwa).



Sezonowanie polega na posypywaniu kadej warstwy rudy w prymie wapnem, ktre

wchaniajc wilgo powoduje czenie pyw w granulki siami napicia powierzchniowego

wody. Sezonowanie trwa ok. 14 dni, czyli tyle czasu rudy przebywaj na skadowisku.

Ad. c).

Sortowanie i kruszenie polega na przesiewaniu i kruszeniu rud. Rudy do procesu spiekania

powinny by ziarniste o wymiarach 6-8 mm, bez frakcji pylastej i grubej powyej 15 mm.

Topniki i koksik powinny mie wymiary do 3 mm bez frakcji poniej 0,5 mm. Szczeglnie

nie powinno by koksiku poniej 0,5 mm, gdy powoduje to wzrost CO w spalinach a wic

emisj tego szkodliwego zwizku do rodowiska.

Ad. d).

Namiarowanie polega na dokadnym dozowaniu (czyli rwnie waeniu) poszczeglnych

skadnikw celem wytworzenia mieszanki spiekalniczej, ktra zapewni odpowiedni skad

chemiczny produkowanego z mieszanki spieku. Nastawy dozujce (masa tworzyw) s

okrelane przez tzw. receptur do wykonania mieszanki i s wykonywane automatycznie

poprzez komputerowe sterowanie wypywu skadnikw z zasobnikw. Oprcz rud, topnikw

i koksiku w skad mieszanki spiekalniczej wchodz odpady stae procesw hutniczych takie

jak:

uel konwertorowy (z produkcji stali), uel i szlam wielkopiecowy i konwertorowy, zendra i zendra muek (z procesw walcowniczych), uel z piecw grzewczych ( walcowni).

Spiekalnia peni zatem rol utylizatora odpadw staych, ktre gdyby byy skadowane na

hadach powodowayby przenikanie do gleby i wd skadnikw szkodliwych np. metali,

metali cikich, siarki itp.

Ad. e).

Po dozowaniu na tam zbiorcz skadnikw mieszanki spiekalniczej ulegaj one przed

podaniem na tam spiekajc - zmieszaniu i nawileniu w mieszalniku i grudkowniku

wstpnym. Czynnoci te maj na celu wyrwnanie skadu i zwizanie drobnych pylastych

frakcji w skoagulowane ziarna. Mieszanka jest podawana na tam spiekajc za pomoc

stow wibracyjnych lub wzkw rozadowczych. Urzdzenia te musz tak pracowa aby

zapewni sta wysoko warstwy mieszanki na tamie i wyeliminowa segregacj ziarn.



Ad. f).

Zasadniczy proces produkcji spieku rudnego odbywa si na tamie spiekalniczej. Jest to

tama bez koca zoona z wzkw posiadajcych jedynie burty boczne, ktrych dnem jest

ruszt posiadajcy przewity (szczeliny) o szerokoci ok 0,11mm. Tamy charakteryzuje si

ich powierzchni spiekania rzdu od 50 (stare) do 600m2 (nowe). Nad tam, za urzdzeniem

zasypowym jest palnik obejmujcy tam na caej jej szerokoci. Do palnika doprowadzany

jest gaz (koksowo-wielkopiecowy), ktry spalajc si zapala powierzchniowo koksik w

mieszance. Pod tam zainstalowane s ssawy do przesysania powietrza przez mieszank.

Powietrze to spala koksik znajdujcy si w mieszance. W warstwie, w ktrej koksik si spala

warstwa aru wystpuje wysoka temperatura rzdu 1200-1260oC. Spaliny przy tej

temperaturze nadtapiaj ziarna rud, topnikw i odpadw (nie mog ich topi, gdy zalej

ruszt), ktre jakby spawaj si ze sob powierzchniowo. Powstaje zatem jednolity materia

zwany spiekiem o staych wasnociach chemicznych i fizycznych.

Ad. g).

Spiek zsypujc si z tamy jest wstpnie kruszony na amaczu i sortowany. Drobne kawaki

poniej 15 mm powracaj jako spiek zwrotny do urzdzenia zasypowego tamy.

Ad. h).

Kawaki spieku powyej 15 mm s podawane na chodnie spieku, ktre mog by paskie lub

obrotowe z nawiewem lub przesysaniem powietrza. Spiek naley chodzi wolno, aby nie

powodowa jego nadmiernego kruszenia (naprenia cieplne) i aby mogy si

wykrystalizowa ziarna nowych mineraw. Te nowe mineray i ich krystalizacja powoduj,

e spiek wychodzony staje si odporny na kruszenie, cieranie oraz jest porowaty i atwo

oddaje tlen (redukcja) ze zwizkw elaza w procesie wielkopiecowym. Ze spiekalni spiek

jest transportowany do zasobnikw wielkiego pieca tamocigiem gumowym (t spieku

poniej 120oC).



Rys. 1. Widok oglny urzdze do uredniania rudy (1 zway rudy, 2 przenonik tamowy dostarczajcy rud na skad, 3 przenonik rudy na zway, 4 przenonik tamowy odwocy rud ze skadowiska, 5 urzdzenie mieszajce, 6 brona, 7 przenonik zgrzebowy).

Rys. 2. Tamy chodnicze spieku. (a z przesyaniem powietrza przez spiek, b z przedmuchiwaniem spieku), (1 tama chodnicza, 2 odcigi kominowe, 3 zsyp spieku gorcego, 4 zbiornik spieku zimnego)



Rys. 3. Schemat obrotowego stou chodniczego z wymuszonym przesysaniem powietrza w Hucie Appleby-Frodingham. (1 tama spiekalnicza, 2 amacz spieku, 3 sito wibracyjne, 4 st chodniczy, 5 zasilacz wibracyjny, 6 wzki stou chodniczego, 7 przenonik do ochodzonego spieku, 8 staa pokrywa nad stoem chodniczym, 9 wentylator).

Rys. 4. Schemat rozkadu warstwowego stref powstaych w mieszance spiekalniczej na ruszcie urzdzenia spiekajcego.



Rys. 5. Tama spiekalnicza

III. Przygotowanie wsadu przez grudkowanie

Wiadomoci oglne.

Grudkowanie jest jedn z najbardziej rozpowszechnionych metod przygotowania wsadu

wielkopiecowego. Nie jest to sposb konkurencyjny do procesu spiekania z uwagi na to, e

spieka si materiay ziarniste, natomiast grudkuje si materiay pylaste (koncentraty bardzo

drobne). Bardzo drobne pylaste czstki mieszanki spiekajcej zmniejszaj przewiewno

mieszanki, a tym samym zmniejszaj rwnie wydajno produkcji spieku. Dlatego przed

spiekaniem powinny by odsiewane. W przypadku produkcji grudek, wanie te najbardziej

drobne frakcje (okoo 0,06 mm i drobniejsze) decyduj o powodzeniu procesu produkcji

grudek. Oznacza to, e im wicej drobnych frakcji poniej 0,06, a nawet 0,05 mm jest



uytych do grudkowania, tym powstae grudki s trwalsze i w tym wikszym stopniu nadaj

si do dalszej obrbki, majcej na celu zwikszenie ich wytrzymaoci. Urzdzeniami do

produkcji grudek surowych s talerze lub bbny grudkujce, a praktycznie cae zespoy

bbnw oraz talerzy ewentualnie kombinacji bbnw i talerzy o rnych rednicach i

prdkociach obrotowych. Wielko grudek (rednica), a take wydajno urzdze

grudkujcych zaley od ustawienia ich kta pochylenia i stosowanych prdkoci obrotowych

tych urzdze. Na og wielko grudek i wydajno s do siebie odwrotnie proporcjonalne.

Technologia produkcji grudek.

Technologi produkcji grudek, jak i urzdzenia w ktrych ta produkcja si odbywa

przedstawiono tylko skrtowo. Technologi produkcji grudek najoglniej mona podzieli na

dwa nastpujce etapy:

Przygotowanie wsadu do procesu produkcji grudek surowych i produkcja grudek surowych.

Utwardzanie grudek celem zwikszenia ich wytrzymaoci.

W pierwszym etapie przed przystpieniem do wytwarzania grudek surowych naley

dokadnie przygotowa mieszank do grudkowania. Na og podstawowym skadnikiem tej

mieszanki s koncentraty rudne, ktre s bardzo drobne, co wynika ze sposobu ich

wytwarzania w procesach wzbogacania rud. S wic odpowiednim tworzywem do

wytwarzania grudek surowych. Jako inne skadniki stosuje si niekiedy bentonit, wapno

palone i skadniki podwyszajce napicie powierzchniowe wody. Wymaga si, aby skad

drobnoziarnistej mieszanki by nastpujcy:

100% frakcji poniej 0,05 mm, 80% frakcji poniej 0,04 mm, a 20% midzy 0,04 0,06.

Taki skad ziarnowy mieszanki uzyskuje si poprzez jej przesiewanie selektywne na sitach o

koniecznych wymiarach oczek 0,04 0,06 mm. Po uzyskaniu odpowiedniego skadu

ziarnowego niekiedy stosuje si dodatki. Celem stosowania dodatkw jest:

Zwikszenie napicia powierzchniowego wody lub tzw. napicia koloidalnego. Uzyskania grudek o odpowiednim skaldzie chemicznym.

Naley jednak stwierdzi, e stosowanie dodatkw do korekty skadu chemicznego wystpuje

w praktyce przemysowej rzadko, ze wzgldu na trudnoci technologiczne wystpujce przy



wypalaniu grudek. Po skomponowaniu mieszanki do grudkowania w opisany powyej

sposb, podaje si j odpowiednimi porcjami do urzdzenia grudkujcego. Bben lub talerz

ustawione pod wybranym ktem, obracajc si z regulowan szybkoci obrotow, pokrywaj

drobn mieszank i unosz ku grze urzdzenia grudkujce (schemat przedstawiony na rys.

6). Do bbna lub na talerz wtryskiwana jest woda. Ilo dodawanej wody musi by

odpowiednio dobrana dla kadej mieszanki. Gdy woda wystpuje w zbyt maej iloci, grudki

opornie si tworz, gdy jest jej za duo, s sabe i rozlatuj si w czasie transportu do piecw

wypalajcych. Grudki surowe s na og przesiewane na kocu urzdzenia grudkujcego i

dzielone wg wymiarw na odpowiednie frakcje. Dalej s one transportowane do wypalenia.

Tylko grudki o wytrzymaoci powyej 20 N/grudk gwarantuj, e nie rozlec si w

transporcie. Wynika std problem, e niektre rodzaje grudek po wypaleniu zawieraj duo

drobnej frakcji, powstaej z rozpadu grudek surowych.

Rys. 6. Schematyczne przedstawienie ruchu materiaw na grudkowniku talerzowym. Oznaczenia; n1 ilo obrotw, a-n1 obrotw, b-n2>n1 obrotw, c-n3>n2>n1 obrotw, d-n4>nkr (grudka opuszcza urzdzenie).

Drugim etapem produkcji grudek jest ich utwardzanie. Istnieje bardzo wiele chemicznych

sposobw utwardzania grudek. Najczciej przyjtym sposobem jest utwardzanie ich przez

wypalanie w specjalnie sucych do tego celu urzdzeniach (piece szybowe, tamy, krtkie

tamy i inne), ktrych schematy i sposoby wypalania grudek dokadnie przedstawiono w

rnych pracach. Celem wypalania grudek jest nadanie im wytrzymaoci zdolnej znie

trudne warunki wielkopiecowe tj. naciski, cieranie i inne. Wypalanie grudek prowadzi si w

warunkach utleniajcych w temperaturach 1350oC (1623K) w przypadku grudek kwanych,

1250oC (1523K) w przypadku zasadowych.



IV. Brykietowanie tworzyw.

Jest to rzadko uywany sposb przygotowania wsadu do wielkiego pieca lub stalowni.

Brykiety najczciej wykonuje si z namiastek rud z innymi komponentami. Zatem jest to

sposb na utylizacj m.in. odpadw hutniczych. Brykietowanie odbywa si w prasach wysoko

cinieniowych, gdzie formuje si brykiety w rne ksztaty. Przed brykietowaniem nastpuje

przygotowanie mieszanki, z ktrej wykonuje si brykiety. Do mieszanki dodaje si

dodatkowo skadnikw utwardzajcych brykiety. Brykiety mog by wypalane lub nie

wypalane.

V. Proces redukcji - proces wielkopiecowy Oglne zasady

Proces produkcji surwki elaza odbywa si w wielkich piecach. W urzdzeniach tych

produkuje si surwki przerbcze (su do wytwarzania stali), surwki odlewnicze ( su na

odlewy cz. maszyn i armatury) oraz elazomangan (uywany jako odtleniacz i dodatek

stopowy przy produkcji stali). Surwk lub eliwem nazywamy stop elaza z wglem i

innymi pierwiastkami, w ktrym zawarto wgla wynosi wicej od 2,11% (wg wykresu Fe-

C) a w praktyce wielkopiecowej od 3,8% dla surwek odlewniczych do 4,8% dla surwek

przerbczych. Surwki s kruche i maoplastyczne std nie nadaj si do procesw przerbki

plastycznej, w ktrej powstaj gotowe wyroby hutnicze jak blachy, prty, rury, ksztatowniki

itp.

V.1. Urzdzenia do procesu wielkopiecowego

Podstawowym agregatem jest wielki piec, ktrego profil przedstawia rys. 7. Urzdzeniami

towarzyszcymi s:

urzdzenia do zaadunku wsadu a w tym urzdzenia zasypowe, nagrzewnice dmuchu wraz z zestawami doprowadzajcymi dmuch, urzdzenia hali spustowej, urzdzenia odpylajce i oczyszczajce gaz w najbardziej nowoczesnych

technologiach,



urzdzenia do wdmuchiwania pyu wglowego, urzdzenia do odzysku ciepa spalin z nagrzewnic, turbiny rozprne do produkcji energii elektrycznej, kadzie typu torpedo do transportu surwki.

Rys. 7. Wielki piec z zespoem urzdze zaadunkowych. 1 fundament, 2 pancerz trzonu, 3 pancerza garu i spadkw, 4 pancerz szybu i gardzieli, 5 kolumny podszybowe, 6 obmurze z materiaw ogniotrwaych, 7 pyty stalowe dla ochrony gardzieli, 8 chodnice zewntrzne, 9 chodnice wewntrzne, 10 rury wodne zasilajce, 11 zbiorniki wody z chodnic, 12 zasobniki tworzyw, 13 wagon-waga, 14 jama skipowa, 15 skip (wzek skipowy), 16 wycig skipowy, 17 urzdzenie zasypowe, 18 otwr spustowy, 19 rynna do surwki, 20 otwr ulowy, 21 rynna do ula, 22 okrnica doprowadzajca dmuch, 23 zestaw dyszowy, 24 przewody odprowadzajce gaz



Rys.8. Bezstokowe urzdzenie zasypowe typu P.Wurth (PW). 1 lej przyjmujcy, 2 rynna staa, 3 grny zawr uszczelniajcy, 4 zbiornik wsadowy, 5 zasuwa materiaowa, 6 dolny zawr uszczelniajcy, 7 kompensator, 8 zasuwa okularowa, 9 lej wylotowy, 10 korpus rynny zasypowej, 11 rynna zasypowa

V.2. Zasada przeciwprdowa pracy WP.

Wielki piec naley do grupy piecw szybowych, ktrych proces technologiczny odbywa si w

tzw. przeciwprdzie. Przeciwprdowa zasada pracy wielkiego pieca sprowadza si do ruchu w

przeciwnych kierunkach a to:

Wsadu z gry pieca w jego d. Gazu z dou pieca (od dysz) do jego gry.



Rys. 9. Przepyw gazu przez wielki piec

Wsad adowany jest urzdzeniem zasypowym do gardzieli (gra pieca). Wsad ten

skada si z materiaw elazodajnych, koksu i ewentualnie topnikw.

Dmuch (obecnie gorcy) wdmuchiwany jest do pieca w jego dole (prawie grny

poziom garu) przez dysze, przed ktrymi spala si przemieszczajcy z gry koks.

To palenie si koksu oraz topienie wsadu na surwk i uel, a take wypuszczanie z

pieca pynnych produktw wytopu powoduje zwalnianie si (oprnianie) pewnej objtoci

pieca, czyli moliwo obniania si wsadu (schodzenie wsadu) w d.

Dmuch przed dyszami spala koks, nastpuje redukcja powstaego CO2 w CO, i

powstay gaz porusza si do gry pieca. Zatem jednoczenie gaz przepywa do gry pieca, a



wsad schodzi w d (przeciwprd). Podczas tego wzajemnego przemieszczania wsad pobiera

ciepo od gazu i tym samym ogrzewajc si a do temperatury pynnych produktw wytopu.

W tym czasie gaz przekazujc ciepo wsadowi ozibia si od temperatury 1900-2500oC

(przed dyszami) do temperatury 80-250oC w gardzieli pieca. Im temperatura gazu na gardzieli

jest mniejsza, a temperatura surwki na spucie wiksza, tym wymiana ciepa w tym procesie

jest lepsza.

Oprcz powyszego, w czasie ruchu przeciwprdowego zachodzi rwnie wymiana

masy. Gaz, a cilej jego skadniki reduktory CO i H2, odbieraj tlen zwizkom elaza oraz

wskutek nagrzewania wsadu CO2 z topnikw i H2O z wilgoci. Im szybciej procesy te

przebiegaj tym piec produkuje szybciej.

Rys.10. Reakcje fizykochemiczne zachodzce w wielkim piecu.



Profil wielkiego pieca.

Czciami wielkiego pieca w jego zamknitej objtoci s gardziel, szyb, przestron, spadki i

gar. Ich geometria jest nastpujca:

a. gardziel ma ksztat walca, ksztat ten sprzyja symetrycznoci uoenia

wsadu przy zaadunku;

b. szyb ma ksztat citego stoka, uwzgldnia to zwikszenie objtoci

materiaw wsadowych wskutek ich nagrzewania podczas schodzenia w

d pieca;

c. przestron ma ksztat walca, poniewa materiay si nie rozszerzaj

przechodzc w stan plastyczny i pynny. Brak zmian objtoci, a raczej

skurcz, jest spowodowany zajmowaniem wolnych przestrzeni midzy

kawakami wsadu przez ciecz,

d. spadki maj ksztat odwrconego stoka citego uatwia to spywanie

pynnych produktw do garu;

e. gar ma ksztat walca i suy do magazynowania pynnych produktw

wytopu w okresach pomidzy kolejnymi spustami.

Dno garu stanowi trzon, cao konstrukcji spoczywa na fundamencie.

VI. Technologia procesu wielkopiecowego

Wielki piec jest urzdzeniem, w ktrym poruszajc si w przeciwprdzie wsad (z gry na d)

i gaz (z dou pieca do gry) wymieniaj ciepo i mas.

Wsad zasypywany jest z gry pieca urzdzeniem zasypowym. Najnowszym urzdzeniem

zasypowym jest urzdzenie bezstokowe typu Paula Wurtha. Urzdzenie to peni rwnie rol

zamknicia hermetycznego wielkiego pieca a zatem nie zezwala na wypyw gazw i pyu do

atmosfery (eliminujc emisj CO, SiO2 i pyu gazu wielkopiecowego).Gwnym zadaniem

urzdzenia zasypowego jest takie uoenie wsadu w gardzieli, ktre pozwala na swobodny i

rwnomierny przepyw gazw (z dou pieca do gry) na wszystkich przekrojach i caej

wysokoci pieca. Gwarantuje to wtedy optymaln wymian ciepa i odbieranie tlenu z

tlenkw elaza.

Wsad do procesu wielkopiecowego aktualnie skada si ze:

spieku rudnego,



grudek, koksu, niewielkich dodatkw topnikw w postaci kamienia wapiennego (CaCO2) lub

dolomitu (CaCO3 i MgCO3).

Wykorzystujc gazoprzepuszczalno tworzyw z ktrych najbardziej przewiewny i

przepuszczalny jest koks tak rozsypuje si wsad aby stworzy optymaln przewiewno

wsadu w wielkim piecu. Zapewnia to dobr wymian ciepa i masy, co z kolei prowadzi do

minimalizacji strat cieplnych i wzrostu szybkoci produkcji surwki.

Gaz powstaje w dole pieca podczas spalania koksu i paliw zastpczych gorcym dmuchem

przed dyszami.

VI.1 Nagrzewanie dmuchu i podanie go do pieca.

Zimny dmuch jest toczony rurocigami zimnego dmuchu z siowni przez turbodmuchawy.

Cinienie jego wynosi od 1,5 do 5,5 atm w zalenoci od wielkoci wielkiego pieca (objtoci

od 1000 do 5500 m3). Nastpnie jest nagrzewany w urzdzeniach zwanych nagrzewnicami.

Najpopularniejsze z nich to nagrzewnice typu Cowpera z wewntrznymi szybem spalania lub

nowsze Dideera z zewntrznym szybem spalania. W nagrzewnicach powietrze ogrzewa si do

temperatur rzdu 800-1350oC. Zwykle piec posiada 3 lub 4 nagrzewnice, z ktrych 1-a lub

2-e s opalane gazem ( spala si w szybie spalania). Powstajce spaliny przechodz przez

kratownic zoon z materiaw ogniotrwaych. W kratownicy spaliny oddaj ciepo, ktre

jest w niej akumulowane. Nastpnie spaliny wychodz do komina. W nowych rozwizaniach

instalowane s urzdzenia do odzysku ciepa spalin (wykorzystywane jest do produkcji

ciepej wody) i urzdzenia odsiarczajce. Po nagrzaniu kratownicy do tem. rzdu 900-1500oC

koczy si opalanie i w drugim cyklu przepuszcza si powietrze zimne (dmuch zimny) przez

kratownic, czyli wytwarza si gorcy dmuch. Stao jego temperatury w caym cyklu

ogrzewania dmuchu jest zapewniona poprzez dopust zimnego powietrza zaworem

motylkowym sterowanym automatycznie.



Nastpnie dmuch jest przesyany do okrnicy czyli przewodu opasujcego cay wielki piec

na poziomie spadkw. Z okrnicy dmuch jest rozdzielany do zestaww dyszowych, ktrymi

doprowadzany jest do pieca. Ilo dysz (zestaww dyszowych) jest tym wiksza im wikszy

jest wielki piec, czyli im wiksza jest rednica garu. Zakoczeniem zestawu dyszowego jest

miedziana dysza chodzona intensywnie wod. Przez t dysz dmuch gorcy jest

wprowadzony do pieca pod cinieniem od 1,5 do 5,5 atm, przez co ma du szybko (130-

250 m/sek) i energi kinetyczn.

Gorcy dmuch

Gorcy Dmuch o staej

temperaturze

Zawr motylkowy

Zimny dmuch



Rys. 11. Nagrzewnica Coopera (zw. Kauperem) dla podgrzewania dmuchu. (1 fundament, 2 paszcze nagrzewnicy z wyoeniem ogniotrwaym, 4 szyb spalania, 5 kolumny podtrzymujce krat, 6 wielokanaowa kratownica z szamoty, 7 przewd i palni8k gazowy, 8 odprowadzenie spalin, 9 przewd doprowadzajcy zimny dmuch, 10 przewd odprowadzajcy gorcy dmuch).



Rys. 12. Przewody doprowadzajce dmuch do wielkiego pieca. (1 okrnica dmuchu (przewd zbiorczy), 2 kolano stae z krcem wylotowym z okrnicy, 3 kolano ruchome dyszowe (poczone przegubowo), 4 cigno sprynowe dla poczenia kolana z dyszakiem, 5 wziernik z pokryw wziernikow, 6 dyszak zwyky lub izolowany (azbestem), 7 obsada dyszownicy z rurkami dla chodzenia wodnego, 8 dyszownica (z brzu) z chodzeniem wodnym, 9 miedziana dysza z chodzeniem wodnym, 10 pancerz garu z ramami staliwnymi dla osadzenia obsad dyszownic, 11 ogniotrwae obmurze szamotowe spadkw, 12 ogniotrwae obmurze garu (na poziomie dysz szamotowe, a poniej wglowe). UWAGA!!! a.). przewody wymienione pod poz 1-3 s wyoone ksztatkami szamotowymi; b). czci wymienione pod poz. 7-9 stanowi tzw. Zestaw dyszowy.

VI.2. Spalanie koksu w wielkim piecu.

Spalanie koksu w wielkim piecu jest gwnym rdem ciepa. Spalanie koksu w

wielkim piecu nastpuje dopiero po jego zejciu od gardzieli a do strefy dysz i nastpuje

wanie przed dyszami doprowadzajcymi dmuch do pieca. Proces spalania zachodzi w tzw.

komorach spalania wytworzonych energi kinetyczn i du szybkoci dmuchu. Dmuch

przez dysze wprowadzony jest do pieca z du szybkoci i pod cinieniem od 2 do 4,5 atm,

w zalenoci od wielkoci i objtoci wielkiego pieca (rednicy garu).



W przekroju komora spalania przed dyszami WP. Ilo dysz zaley od rednicy garu pieca i

wynosi np.32 dla pieca o garu 12m. i objtoci 3200 m3 (Huta Katowice).

Dugo komory spalania l = l1 + l2

gdzie:

l2 = dugo strefy redukcyjnej

l1 = dugo strefy utleniajcej (rwnoznacznej ze stref cyrkulacji koksu).

Dugo i objto komr spalania zaley od energii kinetycznej dmuchu oraz wasnoci

fizycznych koksu. Te wasnoci koksu to: reakcyjno , kawakowo, porowato, zawarto

wgla.

Reakcja spalania koksu przed dyszami przebiega w dwu etapach.

W pierwszym etapie przy wylocie dyszy znajduje si strefa utleniajca (l1)prawie

rwnoznaczna ze stref cyrkulacji koksu. W tej strefie tlen dmuchu zostaje zuyty na

powierzchniowe spalenie kawakw koksu w myl reakcji:

C + O2= CO2



W drugim etapie w tzw strefie redukcyjnej (l2) powstay CO2 reaguje z nieruchomym koksem

w myl reakcji

CO2 + C = 2CO

Gaz opuszczajcy komor spalania skada si zatem z : CO, H2 i N2, gdy azot nie reaguje w

piecu a H2 powstaje bd z rozkadu pary wodnej (wilgoci) dmuchu bd pochodzi ze spalin

wprowadzonych przez dysz paliw zastpczych (gazu ziemnego, oleju itp.) w myl reakcji

CH4 + O2 = 2H2 + CO

W wyniku spalania koksu i paliwa zastpczego ustala si w komorze spalania temperatura (od

1800 do 2500oC), ktrej maximum przypada w strefie utleniajcej w miejscu gdzie

wystpuje maximum CO2.

Chodak poda wzr na dugo komory spalania:

L = 0, 118 EK + 770 [mm]

gdzie:

EK = energia kinetyczna dmuchu [ kgm/sek]

W pojciu chemicznym (mona zrobi pomiary sond) strefa utleniajca koczy si w

miejscu gdzie zawartoci O2 wynosi 2% a strefa redukcyjna gdzie zawarto CO2 wynosi 2%.

Od dugoci i objtoci komr spalania zaley wstpny kierunek gazw przez wielki piec. Im

dusza komora spalania tym przepyw jest bardziej rodkowy a im krtsza tym bardziej

przepyw jest przy cianach pieca.



VI.3. Przepyw gazw przez wielki piec.

Po opuszczeniu strefy dysz gazy powstae w komorach spalania przemieszczaj si w

gr pieca. Naturaln tendencj gazw jest ich przepyw przy cianach ze wzgldu na

mniejsze opory spowodowane rozlunieniem wsadu ze wzgldu na rozszerzenie si w dole

szybu wielkiego pieca. Ta tendencja moe by zniwelowana wydueniem komr spalania i

np. zasypaniem mniej przewiewnej od koksu rudy przy cianie. Oglnie mona stwierdzi, e

gazy pyn zawsze tam gdzie s mniejsze opory przepywu.

W strefie ponad dyszami (spadki, przestron) gdzie oprcz koksu staego inne tworzywa s w

postaci pynnego elazistego ula lub kropel metalu, przepyw gazw zaley od:

- ziarnistoci koksu (maa i nierwnomierna ziarnisto zawa wolne przestrzenie

suce do spywania ula do garu i jednoczesnego przepywu gazw w gr pieca),

- lepkoci ula (im gstszy uel tym wolniej cieka i jest mniej przepuszczalny dla gazw

poruszajcych si w gr),

- iloci ula ( im wiksza masa spywajcego w d ula tym mniej miejsca w wolnych

przestrzeniach pomidzy kawakami koksu do przepywu w gr pieca gazw).

W strefie tzw. kohezji miknicia materiaw warstwa plastyczna jest prawie

nieprzepuszczalna dla gazw i gaz moe wydobywa si z tej strefy jedynie oknami

koksowymi. Jest to strefa najbardziej nieprzepuszczalna i im grubsza (zaley od stopnia

przygotowania wsadu) tym przepyw gazw w gr pieca jest mniejszy i bardziej

nieregularny.

W strefie materiaw staych przepyw gazw uwarunkowany jest skadem ziarnowym i

uoeniem materiaw w gardzieli pieca. Im rwniejszy skad ziarnowy tym wiksze rednice

hydrauliczne (wolne przestrzenie pomidzy kawakami wszystkich tworzyw) i tym lepszy

(atwiejszy) przepyw gazw.

Generaln zasad aerodynamiki przepywu gazw przez wielki piec w przeciwprdzie do

wsadu jest jego rwnomierny przepyw na kadym przekroju i kadej wysokoci pieca.

Zapewnia to rwnomierne obmywanie wszystkich kawakw wsadu a przez to, szybk

wymian ciepa (gaz przekazuje ciepo wsadowi) i masy (gaz odbiera tlen z tlenkw elaza i i

innych metali).

Ten rwnomierny (lub lekko nierwnomierny ale cile kontrolowany i zamierzony)

przepyw gazu osiga si przez:



urwnomiernienie skadu ziarnowego wsadu (odsiewane przed zaadunkiem do pieca), przez co rednice wolnych przestrzeni s najwiksze,

zmniejszenie gruboci strefy miknicia (przygotowanie wsadu o wskim temperaturowo zakresie miknicia),

zmniejszenie lepkoci ula uel szybko spywa w d i jest przepuszczalny dla gazw,

zmniejszenie iloci ula (wicej elaza) uel jest lejszy od elaza zajmuje wiksz objto zatem zmniejszenie jego masy w stosunku do elaza pozostawia wicej

niezajtego miejsca dla przepywu gazw.

Oglnie mona stwierdzi, e intensywno i ekonomika pracy pieca zaley m.in. od

wzajemnego oddziaywania supa wsadu (ktry powinien by przepuszczalny) i strumienia

gazu. Przepyw gazw przez WP okrelaj straty cinienia statycznego pomiary na kilku

poziomach przy cianach okrelajce najwiksze straty cinienia a zatem i opory przepywu.

Ponadto gaz podtrzymuje 50-60% masy wsadu wpywajc na zmniejszenie tarcia wsadu o

wsad a przez to na mniejsze wydmuchy pyu.

VI. 4. Wymiana ciepa w wielkim piecu

Wymiana ciepa w wielkim piecu zachodzi miedzy gazem i wsadem. Polega zatem na

przekazywaniu ciepa przez gaz wsadowi. Obecnie przyjmuje si, e wielki piec moe by

podzielony pod wzgldem wymiany ciepa na trzy strefy tj.:

1. Grn stref wymiany ciepa I

2. Stref rezerwy cieplnej II

3. Doln stref wymiany ciepa III

Przedstawia to schemat



Z schematu tego wynika, e najwiksz ilo ciepa przekazuje si wsadowi w dolnej strefie

tj. III. Wynika to z faktu, e temperatura gazu przed dyszami wynosi rednia 2250oC a wsadu

(ula i surwki) ok. 1500oC. Ten duy gradient temperatury jest czynnikiem intensywnej

wymiany cieplnej w tej strefie. Na skutek zachodzcej szybko wymiany ciepa oraz

szerokiemu przebiegowi endotermicznych reakcji redukcji i topnienia gradient temperatury

zmniejsza si do ok. 30o w temperaturze wsadu ok. 1000oC. Z tego powodu w strefie nr II

(strefie rezerwy) wymiana ciepa prawie nie zachodzi. W strefie I nastpuje zanik

endotermicznych reakcji i topienia a zatem mniejsze zapotrzebowanie ciepa przez wsad std

(idc od strefy II do I) nastpuje powolny wzrost gradientu temperatury i wymiany ciepa,

ktra jest najwiksza w gardzieli gdzie wsad ma temperatur otoczenia (30o) a gaz od 80 do

250oC. Idealnie pracujcy wielki piec to taki, ktry ma zbilansowane przychody i rozchody

ciepa, stref rezerwy niezalen od wysokoci pieca oraz wypuszcza bdzie gaz

wielkopiecowy o niskiej rzdu 80o 100o temperaturze.

VII. Reakcje zachodzce w wielkim piecu - od gardzieli (po zaadunku wsadu) do trzonu stanowicego dno garu WP.

1. Ju w gardzieli nastpuje w tem. od 100 do 200oC odparowanie wilgoci nabytej

zwizanej z wsadem tylko siami napicia powierzchniowego.

2. Ju od gardzieli rozpoczyna si a koczy w grnej czci szybu wydzielanie wody

zoolitowej i krystalicznej, ktra jest zwizana z tworzywem jako kopalina typu np.

mFe2O3 * n H2O (uwodnione tlenki elaza limonity). Rozpad tej sieci nastpuje do

600oC. Jest to reakcja endotermiczna zatem takich surowych rud nie warto uywa.



3 i 4 Redukcja porednia

Dygresja !

a) Przez procesy redukcji w metalurgii rozumie si takie reakcje w ktrych nastpuje

odbieranie tlenu z tlenkw metali.

b) W metalurgii elaza to oznacza odbieranie tlenu z tlenkw elaza

c) Reduktorem jest ten pierwiastek lub zwizek chemiczny, ktry w danych warunkach

cinienia i temperatury ma wiksze powinowactwo do tlenu ni metal w tlenku

redukowanym

d) W stosunku do elaza np. w wielkopiecowych warunkach reduktorami s: CO, H2 i C.

e) Redukcja porednia wystpuje wtedy kiedy produktem gazowym reakcji jest CO2

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 powyej temperatury 572 oC

FeO + CO + Fe + CO2



W wielkim piecu na og FeO redukuje si jednak na drodze redukcji bezporedniej.

5. Reakcje pomidzy H2O, CO i C

Para wodna (wilgo) jest wprowadzona do pieca z dmuchem i wsadem.

Powstaje rwnie w wyniku redukcji zwizkw elaza wodorem (redukcja

wodorowa)



3 Fe2O3 + H2 = 2 Fe3O4 + H2O

F3O4 + H2 = 3FeO + H2O

FeO + H2 = Fe + H2O

Tak powstaa para wodna lub pochodzca z dmuchu i wsadu reaguje

H2O + CO = H2 + CO2 od 500 1000oC

H2O + C = H2 + CO ok. 100 i powyej oC

6. Jeli do wielkiego pieca wprowadzono wglany topnikowe w postaci CaCO3 i MgCO3 to

w temp. ok. 900oC nastpuje ich intensywny rozkad.

Ca CO3 +Q CaO+ CO2 S to reakcje silnie endotermiczne wymagajce

dostarczenia duych iloci ciepa

Mg CO3 +Q MgO + CO2

Topniki surowe wprowadza si aby zapewni odpowiedni mas i jako ula. Powinny

by wprowadzane jednak ze spiekiem, gdy w przeciwnym razie na ich dysocjacj potrzeba

dodatkowych iloci ciepa w piecu a wic i dodatkowych iloci koksu.

Na 100 kg topnika w/w potrzeba 30 kg koksu a wtedy proces jest nie ekonomiczny.

7. Procesy redukcji bezporedniej.

W metalurgii elaza przez redukcj bezporedni rozumie si taki proces redukcji, w

ktrym produktem gazowym jest CO;

np. FeO + CK = Fe + CO jednoetapowa

lub 2 dwuetapowa

CO2+C=2CO

FeO + CO = Fe + CO2

+=+= COFeCFeO



W peni reakcje te zachodz powyej 1000oC a rozwinity ich zakres pochania koks, co

jest zjawiskiem nieekonomicznym.

8. W okrelonej temperaturze materiay elazodajne mikn tworzc trudno przepuszczaln

stref miknicia tzw. kohezji. Strefa ta jest zawarta pomidzy dwoma izotermami

Tpm temperatury pocztku miknicia

TKm temperatury koca miknicia czyli temperatury topnienia

Jest trudno przepuszczalna dla gazw, ktre mog wypywa do szybu tylko przez okna

koksowe.

9. Na izotermie Tkm powstaj pierwsze krople cieczy zwanej ulami pierwotnymi, ktre

spywaj w d pomidzy kawakami koksu od dysz do gry pieca pyn gazy, std gazy

maj due opory przepywu a ule pieni si i spywaj wolno. Podczas spywania tych

uli zachodz reakcje redukcji bezporedniej ksztatujce now ciecz, ktr jest metal a

mianowicie:

(P2O5) + 5Ck=2[P] +5{CO} oraz (SiO2) + 2 Ck = [Si] + 2 {CO}

(MnO + Ck = [Mn} + {CO] oraz (FeO) + Ck) = [Fe] + {CO}

( ) uel, [ ] metal, { } gaz.

Czciowo zachodzi rwnie reakcja odsiarczania

(CaO) + [FeS] + Ck = (CaS) + [Fe] + {CO} wymagane zatem jest aby CaO i MgO

(MgO) + [FeS] +Ck = (MgS) + [Fe] + {CO} znajdoway si w ulu.

W garze zbiera si uel i metal a na granicy ich podziau zachodz reakcje w fazach

ciekych a mianowicie:

(FeO) +[C] = [Fe]+{CO}, (MnO) +[C]=[Mn]+{CO} oraz (SiO2)+2[C]=[Si]+2{CO}

Tu zachodzi gwne odsiarczanie wg w/w reakcji z CaO i MgO. Warunkiem dobrego

odsiarczania jest istnienie wolnego CaO i MgO w ulu nie zwizanego z SiO2. Jeli

zasadowo czyli 2SiO

CaO > 1.0 a w rzeczywistoci > 1,05 to odsiarczanie zachodzi. Ok.

93% siarki jest wyprowadzane z ulem, 5% przechodzi do surwki a ok. 3% uchodzi z

gazami. Dobra surwka przerbcza to taka, e ma mao < 0,025S ,



0,5, mao Mn = 0,1-0,4 a duo C = 4,5 5,0%. Surwki odlewnicze maj duo Si >

1,75%, P> 0,5% mniej C ok. 4,2% .

Rozwinicie pkt.3, 4 i 7 procesy redukcji

Reakcje redukcji poredniej nr I, II, III zachodz powyej 572oC

I. Fe2O3 + CO = Fe3O4+CO2

II. Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2

III. FeO + CO = Fe + CO2

IV. Fe3O4 + 4 CO = 3Fe + CO2 zachodzi poniej 572oC wycznie. Reakcja I zachodzi

poniej i powyej 572oC

(Fe) = pole Fe

(FeOx) pole FeO

(Fe3O4) pole Fe3O4

Wykres b jest charakterystyczny dla redukcji bezporedniej, gdy pojawi si wgiel w

ukadzie. Zwykle reakcja nr I (redukcja hematytu Fe2O3) zachodzi wycznie drog

poredni, gdy wystarczy minimalne stenie aby reakcja ta zasza. Dla innych reakcji II

i III schemat 2-etapowej redukcji poredniej jest nastpujcy:

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 = reakcja II

CO2 + C = 2 CO = reakcja IV

II + IV = Fe3O4 + CO + CO2 + C = 3FeO + CO2 + 2CO =

= Fe3O4 + C = 3 FeO + CO endotermiczna

FeO + CO = Fe + CO2 = reakcja III

CO2 + C = 2CO = reakcja IV

III + IV = FeO + CO + CO2 + C = Fe + CO2 + 2CO = FeO + C = Fe + CO endotermiczna.

Jak z powyszego wynika obie te reakcje redukcji bezporedniej zuywaj w efekcie

wgiel. Wgiel ten ju nie dojdzie w d pieca do komr spalania. Zatem z niego przy

braku spalania nie otrzymamy ciepa. Oprcz tego w/w reakcje jako endotermiczne

rwnie pochaniaj ciepo (ze spalania koksu).

Z powyszego wynika, e rozwj redukcji bezporedniej prowadzi do wzrostu

zapotrzebowania na ciepo, czyli w efekcie powoduje wzrost zuycia paliwa koksowego i

wzrost kosztu produkcji surwki.



VIII. ule wielkopiecowe.

W procesie wielkopiecowym uczestnicz m.in. dwie nie mieszajce si ze sob fazy

cieke o rnych masach waciwych. S to surwka (stop elaza z wglem i innymi

pierwiastkami, w ktrym zawarto wgla wynosi powyej 2%, a w praktyce powyej 4%)

oraz ule (cieke zwizki krzemianowe tlenkw metali nie redukujcych si w wielkim piecu

w ogle lub w ograniczonym stopniu).

W zalenoci od rnego skadu skay ponnej rud, spiekw i grudek oraz rnych metod

prowadzenia wielkiego pieca otrzymywane ule wykazuj znaczne rnice tak pod

wzgldem chemicznym jak i pod wzgldem wasnoci fizycznych.

Skad chemiczny uli wielkopiecowych. Podstawowymi skadnikami uli s dla surwek przerbczych:

ule spustowe uel pierwotny

SiO2 36-40% FeO 30%

CaO 36-48% MnO 8 10%

Al2O3 5-10% Mao CaO ok. 8-10 MgO ok. 2%

oraz CaS 1,5 3% SiO2 36 40%

MnO do 1,0 Al2O3 8 12

FeO do 1,0 Potem rozpuszcza si CaO i MgO w miar

schodzenia ula w d, gdy FeO, MnO si

redukuj

Z wymienionych tlenkw redukuj si z ula do surwki jedynie w wikszym stopniu MnO,

SiO2 i reszta FeO. Natomiast CaO, MgO i Al2O3 nie redukuj si w wielkim piecu w ogle.

Lepko uli. Def. oglna.

Lepkoci lub wiskoz nazywamy t waciwo ciaa (gazowego, ciekego lub staego), ktra

sprawia, e przy zmianie ksztatu wystpuj w ciele naprenia cinajce, wykazujce

proporcjonalno do prdkoci zmian ksztatu.

Def. II.

W wszym zakresie ujmowania zjawiska:

Lepko jest wasnoci cieczy lub gazu, polegajc na stawianiu oporu przy przesuwaniu

laminarnym (uwarstwionym) i nie przyspieszonym dwch graniczcych ze sob warstewek

cieczy lub gazu.



Dla uli lepko jest rzeczywist sta zalen jedynie od temperatury i cinienia

dxdv = gdzie:

- naprenie cinajce [m-1kg s-2]

dxdv - spadek (gradient) prdkoci, prostopady do kierunku przepywu [s-1]

v pr. przepywu [ms-1]

2m

Ns

podwielokrotno

1 puaz = 1p. =

2

110mNs = Pa sek

1cP = 10-3 2mNs

Zaleno lepkoci dynamicznej od temperatury jest nastpujca:

RTEAo = exp*

Lepko uli zarwno pierwotnych jak i kocowych ma due znaczenie dla pracy pieca

wpywajc na rozkad strumieni gazw w spadkach oraz przebieg reakcji redukcji Si, Mn i

odsiarczania surwki. Gste ule wolno spywajc midzy kawakami koksu blokuj drog

gazom powodujc zawisy i tworzenia narostw.Wane w praktyce jest ustalenie takiego

wsadu, z ktrego powstay uel miaby ma lepko.

IX. Reakcje zachodzce pomidzy ulem a metalem.

a). Redukcja tlenkw elaza z fazy ciekej.

elazo w ciekej fazie ulowej znajduje si w postaci krzemianw elaza lub eutektyk

tych zwizkw. Midzy stref topnienia a poziomem dysz zawarto FeO w ulu zmienia

si od 8 do 3%. Bogate w elazo s powstajce ule pierwotne, ktre ciekaj w d

przesczaj si pomidzy kawakami koksu. Redukcja tlenkw elaza w tej strefie z fazy

ciekej zachodzi wic wglem koksu. Obecno tlenku wapnia uatwia przebieg redukcji

poprzez rozkad soli krzemianowych.

(Fe2SiO4)+2(CaO)+2Ckoks=2[Fe]+(Ca2SiO4)+2{CO}



Zachodzi ta reakcja na drodze ciekania ula do garu z pochoniciem ciepa

(endotermiczne). Ostateczna redukcja ciekych tlenkw elaza do zawartoci w ulu (FeO)

poniej 1% zachodzi w garze pomidzy metalem i ulem.

Zbyt gwatowne ciekanie ula posiadajcego niezredukowane tlenki elaza powoduje

zbytnie rozwinicie endotermicznych procesw w garze, co prowadzi do ozibienia garu i

wpywa niekorzystnie na skad surwki. Informacj o przebiegu redukcji tlenkw elaza z

ula uzyskuje si przez kontrol analizy skadu ula i przez jego obserwacj na spucie.

uel taki po ostygniciu jest czarny a w czasie spustu jest gsty o ciemnej barwie.

b). Redukcja tlenku krzemu w wielkim piecu.

rdem krzemu w surwce jest krzemionka, ktra wystpuje w skale ponnej materiaw

elazodajnych. W fazie staej przebieg redukcji krzemionki jest minimalny z uwagi na may

kontakt rud z koksem. W temp. powyej 1300oC zwizki krzemionki wraz z innymi tlenkami

przechodz w stan cieky, co powoduje rozwj reakcji w ukadach uel-metal-wgiel koksu

oraz uel-metal nasycony C. Ilo fazy ulowej, jej skad chemiczny i wasnoci

fizykochemiczna ma istotne znaczenie na przebieg redukcji SiO2 a wic i na kocow

zawarto Si w surwce. Duy wpyw na redukcj SiO2 i przejcie krzemu z ula do metalu

maj warunki cieplne panujce w garze.

Reakcja redukcji Si w WP wymaga dla swojego przebiegu wysokiej temperatury i

duych iloci ciepa. Wahania zawartoci Si w surwce na spucie stanowi wskanik

mwicy o stanie cieplnym garu. Ilo zredukowanego Si zaley rwnie od zasadowoci

ula, im wiksza zasadowo ula tym trudniej zredukowa SiO2 a tym samym

zawarto Si w metalu jest mniejsza.

Przykad reakcji:

(SiO2)+2[C]=[Si] + 2{CO}silnie endotermiczna.

c). Redukcja tlenku manganu w wielkim piecu w fazach ciekych

Redukcja tlenku manganowego z ula zachodzi w garze WP wglem koksu i metalu.

Przykad reakcji:

(MnO) + [C] = [Mn] + {C}

Reakcja przebiega ze znacznym pochoniciem ciepa, duy jej rozwj nastpuje w wysokich

temperaturach i przy wysokiej zasadowoci ula. Wspczynnik podziau wynosi ok. 60% i

jest tym wikszy im wysza zasadowo i im mniejsza masa ula.



d). Redukcja piciotlenku fosforu

(P2O5)+5C = 2[P] + 5 {CO}

Redukcja fosforu zachodzi stopniowo w miar obniania si FeO w ulu i praktycznie jest

zakoczona na poziomie dysz. Cay fosfor przechodzi z ula do metalu a sposb w jaki

moemy oddziaywa na jego zawartoci w surwce to tylko odpowiednie dobranie wsadu

wielkopiecowego.

e). Reakcja odsiarczania.

Jest jedn z najwaniejszych reakcji wpywajcych na jako surwki. Zachodzi ju wstpnie

przy ciekaniu ula w spadkach a najwikszy jej rozwj nastpuje w garze wielkiego pieca.

W garze reakcja ta zachodzi na granicy podziau faz metal-uel. Im mniejsza lepko

(uatwiony transport), wiksza ciepota garu i zasadowo ula tym przebieg przejcia siarki

z metalu do ula lepszy i proces odsiarczania przebiega wydajniej.

Przykad reakcji.

[FeS] + (CaO) + C = [Fe] + (CaS) + {CO}

w bardziej ograniczonym stopniu:

[FeS] + (MgO) + [C] = [Fe] + [MgS] + {CO}

Warunki najlepszego przebiegu technologicznego i ekonomicznego.

1. Dobra ciepota garu (osiga si j przez rwnomierny bieg pieca a zmiany ciepoty wtedy

nie s due i mona je regulowa temp. dmuchu lub H2O dmuchu)

2. Zasadowo ula rzdu 1,05 1,15. Wtedy rwnie jest niska lepko ula (osiga si

przez odpowiedni dobr skadnikw wsadu namiarowanych do WP). Najlepiej jest

stosowa sam spiek o odpowiedniej zasadowoci.

X. Produkty wytopu

1. surwki przerbcze 2. surwki odlewnicze Surwki zwierciadliste

do produkcji eliwa

Si 0,3 1,2 1,5 4,0 Max 2%

Mn 0,2 1 Max 1% 10-25%

P 0,05 0,2 0,1 1,2% Max. 0,3



S 0,01 0,035 Max 0,05 Max 0,3

C 4 5% 3,4 4,2 Ok. 4

2. elazomangan

S, max 1,5, Mn 60 85%, Pmax = 0,5 , Smax = 0,02

3. Gaz wielkopiecowy

CO 21-30

CO2 - 22 10

H2 68 50

4. Py WP

Fe do 40%

C do 15%

.15,02

=SiOCaO i to jest niekorzystne

UWAGA. Urzdzenia hali lejniczej wielkiego pieca oraz sama hala lejnicza s zamieszczone

osobno w postaci prezentacji

XI. Intensyfikacja procesu wielkopiecowego

Podstaw wspczesnej technologii wielkopiecowej jest stao wszystkich

parametrw, ktre maj wpyw na prac wielkiego pieca, jego wydajno i jako produkcji.

Dotyczy to zarwno warunkw wsadowych, jak i parametrw dmuchu, a wic jego iloci,

cinienia (spadku) i temperatury, zawartoci w nim H2O, dodatku paliw zastpczych i tlenu

do dmuchu. Tak okrelona rwnomierno ma szczeglnie due znaczenie dla wielkich

piecw pracujcych szybko i mao stabilnych cieplnie. Obecnie stosuje si szereg elementw

intensyfikujcych proces wielkopiecowy, poprawiajcych jego ekonomik przez obnienie

zuycia koksu. Do pierwszej grupy naley zaliczy podwyszenie cinienia w gardzieli oraz

dodatek pary wodnej i tlenu do dmuchu. Czynnikami obniajcymi zuycie koksu s wysoka

temperatura dmuchu i dodatek paliw zastpczych. Niektre z wymienionych czynnikw



wpywaj na rozwinicie biegu obrzenego, inne znowu rodkowego. Jedne z nich

powoduj koncentracj aru w garze, drugie natomiast przesuwaj stref wysokich

temperatur ku grze pieca. Z tych te wzgldw, obok zasady poprawy przewiewnoci wsadu

wraz z intensyfikowaniem procesu, przyjto stosowa rwnoczenie dwa lub trzy czynniki

intensyfikujce, ktrych dziaanie wzajemnie si dopenia. Zesp warunkw wsadowych

oraz parametrw technologicznych okrela maksymaln przewiewno, to jest maksymaln

ilo gazw przepywajcych przez piec, bez naruszenia pynnoci schodzenia wsadu.

Przekroczenie tej granicznej wartoci powoduje zawisanie wsadu i zarywkowy bieg pieca z

tendencj do tworzenia si kanaw. Rwnoczenie ta warto graniczna okrela maksymaln

wydajno pieca. Dodatkowym czynnikiem utrudniajcym prac pieca w warunkach wysokiej

temperatury dmuchu jest obnienie zuycia koksu na ton surwki, podniesienie obcienia

(R:K), a wic niekorzystne obnienie przewiewnoci w wyniku zastpienia czci dobrze

przewiewnego koksu rud lub spiekiem o znacznie gorszej przewiewnoci. Podnoszenie

temperatury dmuchu wymaga:

wprowadzenia dodatku pary wodnej lub odpowiedniej iloci paliw zastpczych, ktre obniaj temperatur komory spalania, dochowujc tym samym niezmienion

objto gazw przepywajcych przez piec,

poprawy przewiewnoci wsadu, odsiewanie miau, prac na wsadach o wskich zakresach kawakowatoci, zblienie rozmiarw kawakw wsadu rudnego (spieku lub

grudek) do rozmiarw kawakw koksu,

przejcia na bardziej obrzeny bieg pieca przez zmian poziomu i systemu zaadunku. Wysokie cinienie w gardzieli przynosi stosunkowo wiksze efekty przy wsadach miakich i

surowych ni przy wsadach dobrze przewiewnych i przygotowanych. Wynika to z faktu

poprawienia przewiewnoci, przy podwyszonym cinieniu w gardzieli, co daje wiksze

efekty przy nie przewiewnych wsadach.

Wprowadzenie paliw zastpczych obnia bardzo temperatur komory spalania i zwiksza ilo gazw w wielkim piecu. Z tych wzgldw wprowadzenie paliw

zwizane jest z rwnoczesnym powanym podwyszeniem temperatury dmuchu lub

obnieniem jego wilgotnoci.



XII. Alternatywne procesy produkcji elaza

Dla hut o wielomilionowych zdolnociach produkcyjnych nie ma dzi zbyt szerokiej i

konkretnej alternatywy. Ich linia technologiczna bazuje na wysokowydajnych wielkich

piecach i konwertorach tlenowych std konieczno istnienia i eksploatacji koksowni oraz

spiekalni rud.

Znacznie korzystniej i wielowariantowo przedstawiaj si moliwoci konfiguracji

metalurgicznej w hutach o wydajnoci 1-1,5 mln ton stali rocznie. Tam coraz czciej

znajduj zastosowanie alternatywne technologie w zakresie produkcji wsadu dla stalowni, tak

surwki elaza jak i innych materiaw zastpujcych bd uzupeniajcych zom stalowy.

Jeszcze do niedawna technologie te ograniczay si do procesw redukcji bezporedniej rud i

produkcji elaza gbczastego, ktre w formie gbki lub brykietw jest stosowane w piecach

stalowniczych, g. piecach elektrycznych. Dominujce w tym zakresie technologie: Midrex,

HyL, Fior, Ironcarbide, Circofer prowadzone s w piecach szybowych w zou staym lub w

warstwie fluidyzowanej gdzie reduktorem jest gaz. W innej grupie metod, takich jak Sl/RN,

DRC, Fastment, Inmetco itp. stosuje si reduktor stay w postaci wgla.

Dominuj zdecydowanie metody redukcji gazem, przy stosowaniu ktrych wytwarza si

ponad 90% wiatowej produkcji elaza gbczastego. Jeszcze do koca lat 70-tych

przewidywano, e do koca XX wieku wiatowe zdolnoci produkcyjne instalacji redukcji

bezporedniej osign poziom 100 mln ton rocznie. Taki rozwj jednak nie nastpi z dwch

podstawowych przyczyn:

sytuacji energetycznej ktre pozwala na ekonomiczn produkcj elaza gbczastego tylko w rejonach gdzie SA tanie noniki energii,

nastpi rozwj rynku zomowego oraz technik jego przerobu i przygotowania.

Obecnie opinie s ju prawie zgodne, e produkcja elaza gbczastego nie jest alternatyw

lecz uzupenieniem dla produkcji surwki elaza. W roku 2000 zdolnoci produkcyjne

wszystkich instalacji redukcji bezporedniej wynosiy 44 mln ton a produkcja 21 mln ton, co

oznacza e wykorzystywano tylko 60% zdolnoci urzdze. Jednake pojedyncze instalacje

pracoway z wydajnoci 100% i do roku 2008 przewidywano przyrost zdolnoci

produkcyjnych o kolejne 12 mln ton co autentycznie nastpio. W Europie zachodniej

produkcja elaza gbczastego w skali globalnej nie ma adnego znaczenia przemysowego.



W procesach stalowniczych zastosowanie elaza gbczastego moe mie wielkie znaczenie

przy produkcji wysokojakociowych stali, szczeglnie na wyroby paskie wytwarzanej na

bazie zomu stalowego. Poza redukcj bezporedni rud, inn obecnie ju dojrzaa i

technologicznie sprawdzon drog pozyskiwania wsadu dla stalowni jest produkcja surwki

elaza poza wielkim piecem. Proces COREX wyszed poza instalacje pilotow w Pretorii.

Dwukrotnie wikszej wydajnoci instalacja pracuje od padziernika 95 w hucie Pohang

koncernu poco w Korei Poudniowej. Dalsze budowane instalacje s czsto projektowane

jako kompleksy zespolone z obiektami redukcji bezporedniej wykorzystujcymi gaz z

Corexu. Przedstawione zestawienie ukazuje stan w zakresie pracujcych i budowanych

instalacji COREX.

01 Metalurgia Ekstrakcyjna Zelaza

Documents

Transcript of 01 Metalurgia Ekstrakcyjna Zelaza