Surowce są wprowadzane do gardzieli wielkiego pieca, a produkty (ciekła surówka i żużel) są spuszczane z dna (gar wielkiego pieca). Nabój schodzi w dół, napotykając wznoszący się strumień gorącego gazu redukującego. Gaz BF o resztkowej wartości opałowej jest zbierany z gardzieli pieca w celu jego oczyszczenia.
Wielki piec może być podzielony na sześć stref temperaturowych:
- Gardziel: W gardzieli następuje ładowanie naboju i ewakuacja gazów BF.
- Szyb: W szybie gorący gaz BF oddaje swoje ciepło składnikom naboju. Temperatura naboju rośnie od temperatury otoczenia do około 950°C, a tlenek żelaza zostaje częściowo zredukowany.
- Przestron: Przestron łączy szyb ze spadkami. W tej części temperatura rośnie dalej z 950°C do około 1250°C. Następuje dalsza redukcja tlenku żelaza i rozpoczyna się reakcja koksu.
- Spadki: W strefie spadków zachodzą dalej reakcje koksu. Żelazo topi się i powstaje żużel.
- Dysze: W tej strefie gorący dmuch jest wprowadzany do pieca za pomocą szeregu dysz (do 42). Dysze są rozmieszczone wokół górnego obmurza gara i są zasilane przez rurociąg o dużej średnicy (przewód okrężny dmuchu/okrężnica), obiegający piec na wysokości spadków. Temperatury mogą tutaj przekroczyć 2000°C i tlenki zostają całkowicie zredukowane.
- Gar: Gar zbiera ciekłą surówkę i żużel. Wokół gara jest rozmieszczone od jednego do czterech otworów spustowych, przy czym z jednego lub dwóch otworów spuszczana jest surówka równocześnie
Szyb, przestron, spadki i dysze są typowo chłodzone wodą, natomiast gar jest chłodzony wodą, olejem lub powietrzem. Piec jest wyłożony materiałem ogniotrwałym (wyłożenie ogniotrwałe na poziomie gara wynosi co najmniej 1,5m).
Produkcja surówki wynosi od około 0,5 Mt/rok dla mniejszych wielkich pieców, do prawie 4 Mt/rok dla dużych wielkich pieców.
Gaz wielkopiecowy zawiera około 20-28% CO, 1-5% H2, składniki obojętne (50-55% N2, 17-25% CO2), niewielkie ilości związków siarki i cyjanku oraz duże ilości pyłu pochodzącego z naboju. Ilość cyjanku może być szczególnie wysoka podczas operacji wydmuchu wielkiego pieca, jednakże występuje to sporadycznie, a dodanie dodatków do układu minimalizuje tworzenie się cyjanku. Wartość opałowa gazu BF wynosi około 2,7 do 4,0 MJ/Nm³. Produkcja gazu BF wynosi około1200 do 2000 Nm³/t surówki.
Po oczyszczeniu, gaz BF jest często stosowany jako paliwo po wzbogaceniu go gazem koksowniczym lub gazem ziemnym, które posiadają wyższą wartość opałową. Gaz BF może być również stosowany bez wzbogacania, np. w nagrzewnicach dmuchu wielkopiecowego, jeżeli stosowane są nowoczesne palniki i/lub podgrzewanie powietrza spalania [UBA Comments - Komentarze UBA, 1997]. Gaz BF może być również stosowany bez wzbogacania lub bez nowoczesnych palników/podgrzewania, jeżeli podjęte zostaną odpowiednie środki ostrożności.
Proces wielkopiecowy wykorzystuje wysokoprocentowe rudy. Wszelkie pierwiastki występujące z żelazem są rozdzielane między fazę ciekłej surówki i żużel. Te, które przechodzą do ciekłej surówki to fosfor, siarka, mangan i krzem. Tytan, aluminium, wapń, magnez oraz większa część krzemu i siarki przechodzą do żużlu jako tlenki i niemetale. Różne pierwiastki mogą też przejść w stan lotny i odłożyć się na różnych częściach wielkiego pieca. Dotyczy to szczególnie cynku (Zn) i ołowiu (Pb), które są wprowadzane do wielkiego pieca poprzez rudy żelaza i produkty uboczne zawracane zawracane do obiegu przez spiekalnię.
Całkowita zawartość cynku we wsadzie generalnie zmienia się od 100 do 250 g/t wyprodukowanej surówki. W praktyce w większości nowoczesnych zakładów przyjmuje się ograniczenie zawartości cynku do 100-150 g/t surówki. Materiały o wysokiej zawartości cynku lub ołowiu zawracane do obiegu nie są zwykle akceptowane, lub są stosowane tylko w ograniczonych ilościach.
Usuwanie Zn i Pb z pieca jest realizowane przez prowadzenie wielkiego pieca w taki sposób, aby temperatura w środku pieca była utrzymywana powyżej 400°C. Wtedy cynk może zostać łatwiej usunięty z gazu wielkopiecowego w postaci drobnych cząstek ZnO, które są prawie całkowicie wytrącane przy oczyszczaniu gazu BF [Pazdej,1995].
Większość instalacji wielkiego pieca stosuje wdmuchiwanie środków redukujących do pieca na poziomie dysz. Zastępuje to częściowo koks ładowany do gardzieli pieca. Taki sposób postępowania pozwala operatorowi na optymalizację stosowania środków redukujących. Inne zalety to zwiększona wydajność i zmniejszenie wymagań dotyczących wytwarzania koksu, co redukuje emisje z pieca koksowniczego przypadające na tonę wyprodukowanej stali. Wiele zakładów stosuje metodę wdmuchiwania pyłu węglowego, oleju lub gazu ziemnego. Dwa zakłady rozpoczęły wtryskiwanie odpadów tworzyw sztucznych, wykorzystując charakterystyczną dla nich wysoką zawartość węglowodorów w procesach redukcji [UBA Comments - Komentarze UBA, 1997].
Wielki piec jest okresowo opróżniany w celu usunięcia płynnej surówki i żużlu z gara wielkiego pieca. W tym celu otwierany jest jeden z otworów spustowych na bocznej ścianie gara za pomocą wiertarki otworu spustowego lub pręta przebijającego. W niektórych przypadkach do otwierania otworu spustowego stosuje się lancę tlenową. Zwykle wielki piec posiada od jednego do czterech otworów spustowych. Liczba otworów spustowych jest zależna od pojemności (wielkość) pieca.
W nowoczesnych wielkich piecach surówka i żużel są spuszczane razem (zwykle żużel zaczyna wypływać po ciekłej surówce). Następnie żużel i surówka są oddzielane w przewale żużlu w hali lejniczej, po czym każde z nich spływa dalej oddzielnymi korytami.
Płynna surówka spuszczona z wielkiego pieca płynie w korytach, pokrytych materiałami ogniotrwałymi lub cementem, wyłożonych żaroodpornymi mieszaninami glinowo-węglowymi lub krzemionkowo-węglikowymi i jest odlewana do kadzi (bezpośrednio lub przez przechylne rynny). Kadzie te mogą być z otwartą lub zamkniętą górą, lub też może to być wóz kadzi torpedo. W tym ciekłym stanie temperatura surówki wynosi około 1440-1500°C.
Żużel spuszczony z pieca płynie w korytach do instalacji granulacji, do kadzi żużlowych lub do otwartego dołu.
Na koniec cyklu odlewania otwór spustowy jest zamykany mechanicznie przez wstrzyknięcie masy ogniotrwałej na otwór spustowy przy zastosowaniu tak zwanej „zatykarki“.
Ilość produkowanego żużlu zależy od stosowanej rudy żelaza i ilości topnika potrzebnego do uzyskania wymaganej jakości surówki. Żużel może znaleźć różnorodne zastosowanie jako: materiał do budowy dróg, kruszywo do betonu, izolację termiczną (wełna mineralna) i jako zamiennik cementu. W wielu przypadkach udało się już osiągnąć całkowite wykorzystanie żużlu wielkopiecowego.
Aktualnie wykorzystywane są trzy procesy przetwarzające żużel wielkopiecowy:
proces granulacji żużlu;
proces spustu żużlu do dołów;
proces paletyzacji (grudkowania) żużlu.
Wszystkie procesy chłodzenia żużlu mogą generować siarkowodór, o nieprzyjemnym zapachu.
Granulacja jest najpowszechniejszym procesem obróbki żużlu wielkopiecowego stosowanym aktualnie w Unii Europejskiej. Proces polega na wlewaniu płynnego żużlu przez wysokociśnieniowy natrysk wodny do głowicy granulacyjnej, umieszczonej blisko wielkiego pieca.
Po procesie granulacji, żużel/szlam wodny jest przeważnie transportowany do układu odwadniającego, składającego się z poziomego basenu filtrującego (szczególnie w procesie OCP), pionowego leja filtrującego lub obrotowego bębna odwadniającego (szczególnie w procesie INBA). W kilku przypadkach żużel/szlam wodny jest transportowany do zbiornika oddzielającego przed odprowadzeniem wody. Tutaj para wodna jest zbierana i skraplana lub emitowana przez komin.
Po odwodnieniu resztkowa wilgoć w rozdrobnionym żużlu wynosi przeważnie około 10%. Warstwa filtracyjna jest okresowo przepłukiwana wodą wstecznie i przedmuchiwana powietrzem w celu usunięcia drobnych cząstek. Rysunek 7.4 i rysunek 7.5 przedstawia dwie najpowszechniej stosowane technologie granulacji: proces OCP i proces INBA.
Rysunek 7.4: Granulacja żużlu z wielkiego pieca w procesie OCP - [Poth, 1985]
Rysunek 7.5: Granulacja żużlu z wielkiego pieca w procesie INBA - [Radoux, 1982]
1.Koryto żużlu 13.Woda chłodząca
2.Obudowa przeciwrozpryskowa 14.Pompa ciepłej wody
3.Koryto chłodzące 15.Pompa wody zużytej
4.Zbiornik zbierający żużel 16.Woda odżużlowania wirowego
5.Rozdzielacz 17.Woda uzupełniająca
6.Bęben filtrujący 18.Woda czyszcząca
7.Przenośnik 19.Sprężone powietrze
8.Basen na wodę 20.Składowanie granulatu żużlowego
9.Stacja chłodzenia
Proces spustu żużlu do dołów obejmuje odlewanie cienkich warstw płynnego żużlu bezpośrednio do dołów żużlowych znajdujących się w pobliżu pieców. Alternatywnie, po zebraniu żużlu w kadziach, płynny żużel jest wolno chłodzony i krystalizuje na wolnym powietrzu. Doły są na przemian napełniane i opróżniane, a żużel kawałkowy jest łamany i kruszony do zastosowania jako grube kruszywo. W praktyce, czas chłodzenia może być zredukowany przez spryskiwanie gorącego żużlu kontrolowaną ilością wody, chociaż zwiększa to potencjalnie wytwarzanie nieprzyjemnych zapachów. Przy odpowiednim stosowaniu woda chłodząca jest całkowicie zużywana poprzez parowanie.
Podczas procesu spustu żużlu do dołów powstaje żużel kawałkowy, który jest poszukiwanym materiałem do budowy dróg. Czas chłodzenia ma silny wpływ na jakość wytwarzanego żużlu kawałkowego. Chłodzenie wodą również poprawia mikrostrukturę, dając lepsze właściwości mechaniczne.
Proces grudkowania jest stosowany tylko w kilku zakładach w 15 Unii Europejskiej i w niektórych zakładach w Kanadzie. Warstwa płynnego żużlu jest rozlewana na blachę, która działa jak deflektor. Arkusz żużlu jest następnie ścinany regulowanymi strumieniami wody, które zapoczątkowują pęcznienie i chłodzenie żużlu. Następnie żużel jest rzucany odśrodkowo w powietrze na bęben obrotowy, aby zakończyć jego pęcznienie i chłodzenie. Cząstki żużlu przyjmują różne trajektorie zależnie od ich rozmiaru, który osiąga wielkości od granulowanego piasku do napęczniałych grudek.
Przy prawidłowym stosowaniu, woda, jest całkowicie zużywana w tym procesie w trakcie odparowywania i jako wilgoć zawarta w produkcie. Zużycie jednostkowe wody jest mniejsze od zużycia wymaganego przy granulacji na mokro.
Puchaczo_o