Bieg wielkopiecowy.
Reakcje wielkopiecowe redukcji rud żelaza polegają na uwalnianiu żelaza w stanie stałym i na uwalnianie żelaza w stanie ciekłym. Odbywa się to w dwóch strefach: w strefie podgrzewania gdzie występuje redukcja pośrednia za pomocą tlenku węgla CO oraz w strefie topnienia gdzie redukcja odbywa się za pomocą czystego węgla C a uwolnione żelazo jest w stanie ciekłym odpowiednie reakcje chemiczne tworzące redukcji pośredniej są następujące:
Jak widać jest to proces, który wymaga ogromnych ilości paliwa, dużych różnic temperatur w piecu, spaliny to głównie dwutlenek węgla, dawniej nieszkodliwy gaz, dzisiaj gaz wielce szkodliwy ze względu na efekt cieplarniany w skorupie ziemskiej. Proce wielkopiecowy otrzymywania surówki sam w sobie jest kłopotliwy gdyż otrzymujemy produkt zamiast czystego żelaza, żelazo silnie nawęglone nawet do 6% węgla. Jak się to dzieje ? Otóż czyste żelazo kontaktuje się w garze z koksem hutniczym rozżarzonym do temperatury 1600o C i tam łatwo przejmuje nie tylko węgiel, ale również siarkę i fosfor.
Surówka hutnicza z wielkiego pieca numer jeden w Hucie Katowice zawiera 4% węgla (C); 0,7% krzemu (Si); 0,5% manganu (Mn); 0,2% fosforu (P); 0,02% siarki (S). Tak wysoka zawartość węgla musi być w procesie otrzymywania stali, co najmniej dziesięć razy zmniejszona to również są koszty otrzymywania stali. Surówka nie ma żadnego zastosowania technicznego poza wytwarzaniem stali i żeliwa, jest krucha. Posiada grubokrystaliczną strukturę. Zaś węgiel zawarty w niej w procesie otrzymywania stali jest bezpowrotnie stracony i dlatego współczesna nauka poszukuje innych metod otrzymywania nie surówki, lecz żelaza niskowęglowego. Taką metodą są dwa nowoczesne procesy Midrex i Corex.
Przyszła stal otrzymywana z surówki będzie dobra jakościowo, jeśli w surówce będzie jak najmniej siarki. Siarka występuje zarówno w koksie jak i w rudzie: w koksie jako siarka wolna, w rudzie jako piryt.
W procesie wytapiania surówki dodatkowe topniki głównie wapno CaO bardzo chętnie łączy się z siarką pirytu tworząc siarczek wapnia CaS, który przechodzi do żużla wielkopiecowego.
Jeśli jednak siarka występuje w rudzie jako siarczek manganu MnS, gdyż mangan ma bardzo wysokie powinowactwo do siarki usuwamy ją w podobnej reakcji:
Podgrzewanie dmuchu powietrza jest jednym ze sposobów intensyfikacji procesu wielkopiecowego. Jednym z sposobów poza podgrzewaniem dmuchem jest wzbogacanie dmuchu w tlen ( do 23% tlenu ).
Drugim sposobem jest podwyższanie ciśnienia dmuchu ( 1,4 do 10 atmosfer ).
Trzecim sposobem jest nawilżanie dmuchu.
Czwartym sposobem jest wdmuchiwanie paliw alternatywnych do wielkiego pieca: pył węglowy, olej, gaz ziemny, mazut i tworzywa sztuczne specjalnie przygotowane (materiały polietylowe).
Surówka ciekła wlewana jest w sposób ciągły do mieszalnika zwanego kadzią TORPEDO, która ma zadanie ujednorodnić skład chemiczny i temperaturę surówki a następnie przemieszcza się do stalowni gdzie przelewany jest do konwertora tlenowego.
Historycznie zamykało się wielki piec systemem stożków PARYEGO ( mały i duży stożek ), obecnie została zakupiona licencja pod nazwą WURTH która absolutnie uszczelnia wielki piec a jednocześnie jest prosta i dobrze rozmieszcza wsad w gardzieli wielkiego pieca. Urządzenie zasypowe tzw. stożki Paryego znajduje się nad gardzielą wielkiego pieca.
Wielki piec jest piecem kampanijnym – metal płynie z niego przez 10 do 15 lat.
Proces redukcji bezpośredniej na przykładzie pieca Midrex i Corex.
Współcześnie trwają poszukiwania współczesnych metod otrzymywania żelaza w stanie stałym zwanego grudkami żelaznymi przy pomocy redukcji bezpośredniej przy pomocy nieklasycznego, jakim jest koks, lecz za pomocą spalania wodoru. Zarówno proces Midrex i Corex posiadają specjalne urządzenia wytwarzające wodór. Piec do redukcji bezpośredniej posiada wysokość nie większą niż 10m, średnicę ok. 6m a jego produkty w minimalnym stopniu zatruwają środowisko naturalne.
Keson – dziura w ziemi, którą się obmurowuje i w niej umieszcza się wielki piec; przeszkodą są wody gruntowe; taki wielki piec znajduje się w Chinach.
Legenda do rysunku:
1 – urządzenie podające wsad metalonośny specjalnie przygotowany
2 – piec szybowy
3 – podgrzewacz spalin
4 – generator do wytwarzania wodoru
5 – podgrzewacz gazu ziemnego
6 – pompa dyfuzyjna podająca wodór do pieca szybowego
7 – zbiornik gazu odlotowego
8 – przenośnik stalowy do odbioru z pieca grudek żelaza
9 – rozdzielacz grudek na wózki stalownicze 10
Wsadem do pieca Midrex lub Corex są grudki rudowe zmieszane (sklejone) specjalną gliną zwaną bentonitem.
grudki rudowe
wypalanie
w temperaturze 1250-1350oC
Redukcja żelaza z rudy w procesie Midrex jest bardzo prosta. Przebiega podobnie jak w wielkim piecu w trzech etapach, ale we wszystkich udział bierze wodór a nie jak tam tlenek węgla i węgiel.
1. - para wodna
2.
3.
grudki metaliczne
Proces redukcji bezpośredniej zwłaszcza wodorem pozwala w chwili obecnej w skali pół technicznej uzyskać w skali światowej ok. 1mln ton grudek. W skali światowej obecnie wytwarza się w procesie wielkopiecowym ok. 600mln ton surówki.
Procesy stalownicze.
Procesy stalownicze mają za zadanie przetworzyć surówkę żelaza a także złom stalowy na stal wysokiej jakości. Istnieje historycznie wiele sposobów wytwarzania stali. Pierwszym z nich była dymarka, czyli mały wielki piec, z którego w procesie wytapiania i redukcji rudy na węglu drzewnym otrzymano właśnie żelazo gąbczaste, które nie stykają się jak w wielkim piecu z koksem nie nawęglało się i po przekuciu pozwoliło uzyskać stal wolną od zanieczyszczeń żużla i węgla drzewnego.
Drugim procesem historycznym znanym był proces fryszerski a piece nosiły nazwę fryszerek.
Trzecim był proces pudlarski gdzie w podobny sposób jak w dymarkach jednak w znacznie większych ilościach redukowano rudę, a surówkę przetapiało się usuwając z niej nadmiar węgla. Taki proces dotrwał do XVII wieku, kiedy pojawił się proces Bessemera i Thomasa. Współcześnie jeszcze w XX wieku stosowano te dwa procesy, a dopiero od 1938r. Stosuje się powszechnie do dzisiaj tzw. proces konwertorowy tlenowy w skrócie LD.
7
MarWag987