Kerpely Antal Anyagtudományok és Technológiák Doktori Iskola. DOKTORI (PhD) ÉRTEKEZÉS

Kerpely Antal Anyagtudományok és Technológiák Doktori Iskola

DOKTORI (PhD) ÉRTEKEZÉS

A nagyolvasztó falazatának hőtési intenzitása, tapadványkialakulási folyamata és az áramló gáz metallurgiai kihasználása között fennálló összefüggés-rendszer feltárása

Móger Róbert okleveles kohómérnök

Tudományos vezetı: Dr. Farkas Ottó Professor Emeritus

Miskolci Egyetem Mőszaki Anyagtudományi Kar Metallurgiai és Öntészeti Intézet Miskolc 2014

AJÁNLÁS

Móger Róbert, 12 éves az ISD DUNAFERR Zrt.-ben különbözı szintő és beosztású munkakörökben végzett, nyersvasgyártó-mérnöki tevékenység után kezdte meg levelezı doktoranduszi tanulmányait és jelentıs témakörő feladat megoldására irányuló kutató munkáját. A kiterjedt üzemi tapasztalat, valamint a közben végzett különbözı üzemi vizsgálatok és fejlesztések során szerzett kutatási gyakorlat birtokában tisztában volt azzal, hogy a doktori kutatási témájának megoldása érdekében – az elméleti megközelítések mellett – szükséges kiterjedt, konkrét nagyolvasztói vizsgálatai csak akkor vezetnek értékelhetı, releváns és megalapozott eredményekhez, ha – a nagyolvasztóban lejátszódó összetett, bonyolult függıségi viszonyokat hordozó folyamatok szem elıtt tartásával – a feladat-megoldáshoz szükséges oksági összefüggések feltárásához igen nagyszámú mérési adatot használ fel és értékeli azokat. A kapcsolódó, bıséges üzemi eredmények bevonásával végzett részletes és elmélyült feldolgozást a jelen értekezés (valamint annak melléklete) egyértelmően tanúsítja. Az elméletileg megalapozott és nagymértékben kiterjedt, tudományos alapossággal megtervezett és gondos felkészültséggel véghezvitt kutatási tevékenysége tette lehetıvé, hogy megalapozott felismerések szülessenek a nyersvasgyártás nagyolvasztói folyamatainak egyes jellemzıi között fennálló olyan kapcsolatrendszerek felkutatásában, melyek a vonatkozó szakirodalomban ezideig még nem voltak fellelhetık. Így az értekezés alapvetı értéke, hogy – a címében megfogalmazott célkitőzésnek megfelelıen – döntıen regressziós analízis eredményeként, matematikai kifejezésekkel is megfogalmazott, számos összefüggést tár fel a gázáram metallurgiai (és hıtani) kihasználása, a tapadványok helye és mérete, a falazat-hımérséklet változása, valamint a falazathőtési intenzitás között, illetve ezen tényezık kölcsönhatása rendszerében. Ezen összefüggések lehetıséget nyújtanak például a tapadványok kialakulási folyamatának nyomon követésére, helyének és radiális irányú méretének – nem invazív méréssel történı – meghatározására, s ezáltal a tapadványeltávolítás idejének kijelölésére, valamint a tapadványok káros metallurgiai hatásmértékének, s az azt befolyásoló kapcsolatrendszerek megállapítására. A tapadványok kialakulásának és leválásának ismeretanyagát, valamint azok szerkezeti felépítését és kapcsolati vonatkozásait az alkáliákkal, részletes vizsgálatainak eredményeivel gazdagítja az értekezés, hozzájárulva ezzel a tapadványképzıdés mérséklési (esetleg elkerülési) lehetıségeinek, illetve a tapadvány-leválasztás módozatainak optimális megválasztásához. Ezek a technológiai beavatkozások jelentıs tényezık – egyéb járatparaméterek mellett – a

CO-kihasználás mértékének fokozásában, s ezáltal a fajlagos C-fogyasztás és így a CO2emisszió csökkentésében, amint azt az értekezés egyértelmően meghatározza. Az értekezésbe foglalt kutatómunka kiemelkedı érdeme, hogy a vázolt témakörben új tudományos eredményekkel gazdagítja a nyersvasmetallurgia ismeretanyagát, s ezáltal újabb kutatási területet is nyitnak, valamint növelik a nyersvasgyártás technológiai kultúráját, együttesen és egyidejőleg gyarapítva az oktatás tananyagát is. Az értekezésbe foglalt kutatási eredményeibıl ezideig 1 db külföldi és 5 db hazai publikáció jelent, illetve jelenik meg. A jelölt viszonylag gazdag publikációs tevékenységérıl tanúskodik, hogy a szoros értelemben vett doktori témán kívül – a részben ahhoz kapcsolódó – fúvóformameghibásodás, ércelıkészítés, kohóátépítés, környezetvédelem, nyersvaskéntelenítés témakörökben végzett vizsgálatait tárgyaló 1 db külföldi és 9 db hazai szakcikk született. A doktoranduszi éveit megelızı kutató és publikálós tevékenysége – a felkészültségét is bizonyítva – jelentıs mértékben megalapozta a doktori kutatási munkájának kedvezı hatékonyságát, valamint a jelen disszertációban bemutatott értékes, tudományos eredményeket. A jelölt szakmai felkészültségét és eredményeit a hazai és a külföldi szakmai közélet elismeri. Az ISD DUNAFERR Dunai Vasmő Zrt. Nagyolvasztómővében 1998-ban üzemmérnök beosztásban indult pályafutását követıen 2002-ben technológus, 2004-ben technológiai osztályvezetı, 2007-ben pedig termelésvezetı helyettes beosztásban tevékenykedett, 2010-tıl pedig metallurgiafejlesztési fıosztályvezetı minıségében folytatja munkáját a Technológiai Igazgatóságon. Az Európai Bizottság Szén és Acél Kutatási Alap (RFCS) zsugorítvány- és nyersvasgyártással foglalkozó (TGS1) bizottságában szakértıként, 2010-ben kapott megtisztelı megbízás alapján, szorgalmasan dolgozik. A vázolt felsorolás is bizonyítja, hogy Móger Róbert a nyersvasgyártás ismert és elismert szakembere. A nyersvasgyártást mővelı, szerteágazó és gazdag munkásságának széles palettáján, a jelen értekezésben bemutatott értékes kutatási eredményei, méltó helyet foglalnak el és egyben megérdemelt, rangos és sikeres tudományos vitát generálhatnak a nyilvános védés során, meggyızıdésem szerint.

Miskolc, 2014. január 17.

Dr. Farkas Ottó Professor Emeritus

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS

Megköszönnöm témavezetımnek Dr. Farkas Ottó Professor Emeritusnak azt a rengeteg segítséget és támogatást, amit a doktori tanulmányaim során, valamint a disszertáció készítése alatt kaptam. Köszönöm az ISD DUNAFERR Zrt. Nagyolvasztómő vezetıjének, Cseh Ferencnek, aki támogatta, hogy a doktori tanulmányaimat elkezdhessem, majd ezt követıen valamennyi, ezzel kapcsolatos kérésemet támogatta. Köszönöm Titz Imrének, Kvárik Sándornak és Pap Zoltánnak, hogy lehetıvé tették, a témához szükséges valamennyi mérés illetve nagyszámú mintavétel elvégzését, ami elengedhetetlen volt a megfelelı pontosság elérése érdekében. Köszönet a Technológia Osztály szakmai támogatásáért. Szeretném megköszönni a Technológiai Igazgatóság vezetıjének, Rokszin Zoltánnak, hogy lehetıvé tette és támogatta a doktori képzésemet, valamint szakmai tanácsokkal segítette a disszertáció megírását. Köszönet a Metallurgiafejlesztési Fıosztály valamennyi dolgozójának, akik szakmai konzultációkkal és informatikai tudásukkal támogatták a munkámat. Köszönöm a támogatását az Anyagvizsgáló és Kalibráló Laboratóriumok Igazgatóság vezetıinek, különösen Dr. Pallósi Józsefnek, akik folyamatosan segítettek a különbözı anyagminták elemzésében, kiértékelésében, az adatok rendszerezésében. Köszönetet mondok az Innovációs Igazgatóság és az Energetikai Igazgatóság vezetıinek szakmai támogatásáért, amivel sokat segítettek a disszertációm elkészítésében. Köszönettel tartozom a Miskolci Egyetem Ásványtani-Földtani Intézetének, személy szerint Dr. Kristály Ferencnek, a tapadványminták ásványfázis-vizsgálatáért. A tapadványminták hıvezetési tényezıjének mérése a Miskolci Egyetem Kerámia- és Szilikátmérnöki Intézeti Tanszékén történt Dr. Kocserha István vezetésével, akinek köszönöm az elvégzett munkát. Köszönöm a támogatását Reich Antalnak, a hőtılap hıvezetési számításokhoz nyújtott segítségért. Végül, de nem utolsósorban szeretném megköszönni feleségemnek, Emıkének valamint gyermekeimnek, Jázminnak és Dominiknak, hogy az elmúlt három évben elnézték nekem azt, hogy kevesebb idıt töltöttem velük, és minden lehetséges módon támogattak ez idı alatt.

Tartalomjegyzék

Bevezetés................................................................................................................................ 1 1. A nagyolvasztói tapadványképzı elemek és hatásuk a tapadványképzıdés metallurgiai folyamataira............................................................................................................................ 3 1.1. Az alkáliák képzıdése és hatása nagyolvasztói körülmények között .......................... 6 1.1.1. Az alkáli vegyületek képzıdésének termodinamikai szempontjai......................... 7 1.1.2. Az alkáliák hatása a nagyolvasztóban, különös tekintettel a tapadványképzıdésre ................................................................................................... 10 1.2. A cink képzıdése és hatása nagyolvasztói körülmények között................................ 13 1.2.1. A cinkvegyületek képzıdésének termodinamikai szempontjai............................ 13 1.2.2. A cink hatása a nagyolvasztóban, különös tekintettel a tapadványképzıdésre.. 15 2. A nagyolvasztói tapadványképzıdés és –leválás folyamatának elemzése....................... 16 2.1. A nagyolvasztói tapadványok kialakulásának, leválásának hıtani és metallurgiai jellemzıi............................................................................................................................ 16 2.1.1. A nagyolvasztó hőtési és tapadványképzıdési folyamatok kapcsolatrendszere. 16 2.1.2. A nagyolvasztói tapadványok kémiai és ásványfázis-összetételének vizsgálata 25 2.1.2.1. A nagyolvasztó aknájának alsó részébıl tapadványminták kivétele, azok elıkészítése vizsgálatra ............................................................................................ 25 2.1.2.2. A nagyolvasztó aknájának alsó részébıl kivett tapadványminta kémiai és ásványtani vizsgálata................................................................................................ 28 2.1.2.3. A nagyolvasztó aknájának alsó részébıl kivett tapadványminta szövet- és elemtérképének vizsgálata........................................................................................ 32 2.1.3. A nagyolvasztói falazat hőtési intenzitása változtatásának hatása a nagyolvasztók tapadványképzıdési folyamataira ........................................................ 34 2.1.3.1. A nagyolvasztó aknájának alsó részén elhelyezkedı hőtılapon mért mérési adatok vizsgálata ...................................................................................................... 35 2.1.3.2. A nagyolvasztó aknájának alsó részén elhelyezkedı hőtılap hıátadási folyamatának modellezési rendszere........................................................................ 36 2.1.3.3. A nagyolvasztó aknájának alsó részén elhelyezkedı hőtılap hıátadási folyamatának modellezése különbözı hőtıvízmennyiségek esetén ........................ 40 3. A tapadványok nagyságának és térbeli elhelyezkedésének hatása a gázáram-eloszlásra és sebességre, valamint a gáz hıtani, illetve metallurgiai kihasználására................................ 42 3.1. A tapadványképzıdés és a gázkihasználás összefüggésének elméleti alapja és térbeli tartománya......................................................................................................................... 42 3.1.1. A kapcsolatrendszer elméleti alapja .................................................................. 42 3.1.2. A tapadványréteg kialakulásának leggyakoribb magassági tartományának megjelölése ................................................................................................................... 43 3.2. A nagyolvasztó különbözı gázáramlási idıszakainak vizsgálata a falazat- és hőtılaphımérsékletek alapján....................................................................................................... 47

3.2.1. A nagyolvasztó „kedvezı gázáramlási idıszakának” vizsgálata a falazat- és hőtılap-hımérsékletek alapján .................................................................................... 48 3.2.2. A nagyolvasztó „kedvezıtlen gázáramlási idıszakának” vizsgálata a falazat- és hőtılap-hımérsékletek alapján .................................................................................... 50 3.3. A nagyolvasztói falazat- és hőtılap-hımérsékleteinek, illetve tapadványainak hatása a CO-kihasználásra .............................................................................................................. 51 3.3.1. A nagyolvasztó falazat- és hőtılap-hımérsékleteinek illetve tapadványainak hatása a CO-kihasználásra .......................................................................................... 52 3.3.1.1. A gázkihasználás mértékének alakulása az akna-alsórész hımérsékleteinek függvényében ........................................................................................................... 52 3.3.1.2. Falazat-hımérsékletek, hőtılap-hımérsékletek és a tapadvány rétegvastagságának kapcsolatrendszere ................................................................... 55 3.3.1.3. A tapadvány és rétegvastagságának hatása a gázkihasználás mértékére .... 57 3.4. A nagyolvasztói falazat- és hőtılap-hımérsékletek kapcsolata a gázhımérséklettel 59 3.4.1. A nagyolvasztó „kedvezı gázáramlási idıszakában” a falazat- és hőtılaphımérsékletek összefüggése a gázhımérséklettel ........................................................ 59 3.4.2. A nagyolvasztó „kedvezıtlen gázáramlási idıszakában” a falazat- és hőtılaphımérsékletek összefüggése a gázhımérsékletekkel .................................................... 61 3.5. A tapadványkialakulás és a CO-kihasználás konkrét összefüggése .......................... 63 4. A tapadványképzıdést és annak mértékét meghatározó tényezık................................... 65 4.1. A nagyolvasztó Na-, K- és Zn mérlege...................................................................... 65 4.1.1. Káliummérleg ..................................................................................................... 65 4.1.2. Nátriummérleg ................................................................................................... 69 4.1.3. Cinkmérleg ......................................................................................................... 69 5. A tapadványképzıdés lehetıségeinek korlátozása és általa a gázkihasználás fokozására használható metallurgiai és fizikai lehetıségek ................................................................... 73 5.1. A tapadványképzı elemek nagyolvasztóból történı eltávolítását befolyásoló legfontosabb metallurgiai tényezık .................................................................................. 73 5.1.1. A nagyolvasztóból történı Na- és K-eltávolítás................................................. 73 5.1.2. A nagyolvasztóból történı Zn-eltávolítás.......................................................... 77 5.2. A nagyolvasztó akna falazathőtésének optimalizálása .............................................. 80 5.2.1. A tapadványréteg (falazat) vastagságának meghatározása a beépített hőtılaphıelemek segítségével .................................................................................................. 80 5.2.2. A tapadványréteg (falazat) vastagságának meghatározása a hőtılap hőtıvízének jellemzıi alapján ...................................................................................... 85 5.2.3. A nagyolvasztó akna falazathőtésének optimalizálása....................................... 88 6. Összefoglalás.................................................................................................................... 91 6.1. Az 1. fejezet összefoglalása ....................................................................................... 91 6.2. A 2. fejezet összefoglalása ......................................................................................... 92 6.3. A 3. fejezet összefoglalása ......................................................................................... 94 6.4. A 4. fejezet összefoglalása ......................................................................................... 96 6.5. Az 5. fejezet összefoglalása ....................................................................................... 98

7. Tézisek ........................................................................................................................... 100 Summary ............................................................................................................................ 103 Irodalomjegyzék................................................................................................................. 104 MELLÉKLETEK JEGYZÉKE .......................................................................................... 107

Bevezetés A disszertáció a címnek megfelelıen három nagy témakör összefüggéseire fókuszál, melyek a nagyolvasztói tapadványképzıdési folyamatok, a falazat hőtési intenzitásának változtatása és a redukáló gáz metallurgiai kihasználása közötti kapcsolatrendszer feltárása. Az értekezés címében megfogalmazott kutatási feladat a nagyolvasztóban lejátszódó, kölcsönös hatásokban megjelenı, rendkívül összetett és bonyolult folyamatrendszer egy olyan részének a behatóbb feltárását tőzte ki célul, mely a nyersvasgyártás üzemi, energetikai és ökológiai viszonyaira egyaránt hatást gyakorol, de annak ismerete, azaz szakirodalmi háttere napjainkban még nem kielégítı. A helyzet nyilvánvaló magyarázata az, hogy a témakörben szereplı tapadványképzıdési folyamat szabad szemmel vagy nem, vagy csak kivételes esetekben utólag (kohóleállítás és falazatbontás) vizsgálható. A létrejött tapadványok helyzete, mérete és morfológiája legfeljebb közvetve valószínősíthetı és ezért a metallurgiai és hıátadási folyamatokra vonatkozó konkrét hatásuknak a meghatározása nagyon kiterjedt üzemi vizsgálatokat igényel. A kutatási célkitőzés teljesítése természetesen nem nélkülözheti a tapadványképzıdési folyamatok behatóbb feltárását és ezen ismeretek birtokában, a tapadványok kialakulásának megakadályozását, vagy csökkentését szolgáló korszerő, újabb metallurgiai felismerések rögzítését és rendszerezését sem. A választott téma kidolgozásának és a szükséges üzemi vizsgálatok nagyolvasztói bázisát az ISD DUNAFERR Dunai Vasmő Zrt. Nagyolvasztómőve, a kapcsolódó laboratóriumi hátteret pedig a Miskolci Egyetem és az ISD DUNAFERR Zrt. vonatkozó laboratóriumai biztosították. A dunaújvárosi nyersvasgyártás két kohóra épül, melyek közül a kutatásom mérési helyének kiválasztott ISD DUNAFERR Zrt. Nagyolvasztómő II.sz. kohója a nagyobb, 7,65 m-es medenceátmérıvel. A kohó geometria elrendezése és tőzállóanyag-felépítése látható az 1. ábrán. A nagyolvasztó hasznos térfogata 1033 m3. Az alkalmazott fúvóformák száma 16 db, melyek egyenként 150 mm átmérıjőek. A kohó 2001-es átépítését követıen várhatóan 2014-ban kerül újra felújításra. A mérési helyként szolgáló nagyolvasztó kiválasztása az alábbi szempontok figyelembevételével történt: - az anyagelrendezésben történı változások esetén a gázáramlási viszonyok módosulása. A II.sz. kohó e tekintetben erıteljesebben reagál, aminek következménye az, hogy a torokgáz

1

kihasználást befolyásoló falazat menti (kerület menti) gázáramlás is jobban befolyásolható és így tanulmányozható. - a vizsgálatok idıtartama alatt ne legyen lényeges változás a kohó mőszaki állapotában. Itt elsısorban egy kohóátépítésre gondolok, ami alapvetıen változtatja meg a gázáramlási viszonyokat. Abból kifolyólag, hogy a nagyolvasztó rendkívül összetett sokváltozós rendszer, amelyben a fizikai-kémiai-metallurgiai törvényszerőségek szinte valamennyi folyamata lejátszódik, így ha bármely paraméterét vizsgáljuk, arra számtalan egyéb változó hat. Ennek megfelelıen a diszszertációm törzsanyagához képest, azt megközelítı mennyiségő mellékletet (adatot) is tartalmaz az anyag, annak érdekében, hogy a kapott összefüggések korrelációja megfelelı mértékő legyen.

1. ábra A II.sz. kohó fontosabb méretei, falazata 2

1. A nagyolvasztói tapadványképzı elemek és hatásuk a tapadványképzıdés metallurgiai folyamataira A nagyolvasztók ellenáramú aknás kemencék, ahol a kohó felsı torok részén beadagolt vashordozók, salakképzık és a koksz lefelé haladva elımelegednek, átalakulnak miközben a felfelé áramló redukáló gáz kémiai munkát végez rajtuk és leadja hıenergiájának jelentıs részét. A felfelé áramló redukáló gáz a kohó alsó részén a medencében (a fúvósíkon) befújt elımelegített levegı oxigénjének és nitrogénjének, valamint az ugyanott (az oxidációs zónában) parciálisan égetett koksznak (+ befújt tüzelıanyagnak) a magas hımérséklető (Telm·0.85 ≈ 17001950°C) reakcióterméke [8], ahol Telm a fúvósíkban kialakuló elméleti égéshımérséklet.

2. ábra A redukáló gáz áramlása a kohézív zónán keresztül [1] Ez a redukáló gáz az oxidációs zónát elhagyva keresztülhalad az aktív kokszrétegen, majd a megolvadt termékektıl plasztikus kohézív zóna „kokszablakain”, ahol csupán csak a koksz marad szilárd állapotban a beadagolt alapanyagok közül (2. ábra). Ezt követıen az adagolási rendszer által meghatározott, egymást követı koksz és ércrétegeken áthalad, fizikai és kémiai energiájának nagy részét az anyagoszlopnak leadja, majd a kohó torok részénél távozik. A nagyolvasztók - méretüktıl, profiljuktól, a felhasznált alapanyagoktól és az üzemeltetési paraméterektıl függıen - öt különbözı zónája határozható meg (3. ábra). A zónák mérete és alakja a nagyolvasztóktól függıen egymástól eltérı lehet. 3

Érc Koksz

Tetıpont Szemcsés zóna

Lágyulási vonal Koksz ablak

Kohézív zóna lába

Olvadási vonal Kohézív zóna

Oxidációs zóna Kohézív zóna Aktív koksz zóna Álló koksz zóna Salak Medence

Nyersvas

3. ábra A nagyolvasztók mőködése szempontjából legfontosabb részei A nagyolvasztókba adagolt alapanyagokat különbözı csoportokba sorolhatjuk: Fe-hordozók (nyers érc, zsugorítvány, pellet, stb.), tüzelı és redukáló anyagok (koksz, olaj, szén, földgáz, stb.), valamint a salakképzık (mészkı, dolomit, kvarchomok, stb.). Ezek folyamatosan a medence irányába haladva, a felfelé áramló redukáló gáz hatására felmelegednek, az Fe-, Si-, Mn-hordozók teljesen, vagy részlegesen redukálódnak. A kohézív zóna hımérséklettartományában a kokszon kívül beadagolt és már számos metallurgiai folyamaton átesett, átalakult valamennyi alapanyag megolvad és az aktív kokszrétegen át lecsöpög a kohó medence részébe. Itt sőrőségkülönbség alapján az olvadt nyersvas és salak termékként elkülönülnek egymástól, amelyek rendszeres idıközönként - a csapolások során - eltávolításra kerülnek. Tüzelıanyagként fıként kokszot használnak, de világszerte a nagyolvasztók nagy részében gazdaságossági-termelési célok érdekében a koksz egy részét földgázzal, szénporral vagy olajjal helyettesítik, amelyek a fúvósíkon, a fúvóformákon keresztül kerülnek befúvásra. A nyugvó és az akna között az alapanyagokkal a kohóba bekerült nátrium, kálium és a cink körforgása figyelhetı meg, melynek fizikai-kémiája hasonlatos a frakcionált desztillációhoz

4

[2]. (A nátrium és a kálium az alkálifémek csoportjába tartoznak és a szakirodalomban használatos elnevezésének megfelelıen a továbbiakban alkáliák győjtınéven említem ıket.) Az említett szennyezık nagy koncentrációban történı elıfordulásának számos negatív hatása van. Ezek közül a legfontosabb, hogy képesek nagymértékben lecsökkenteni a nagyolvasztó élettartamát (kampányidejét) azáltal, hogy reakcióba lépnek a falazatot alkotó vegyületekkel, valamint azzal, hogy egyfajta ún. tapadványréteget képeznek a kohó falazatán, amelyek üzemzavarokhoz és - feltehetıen - a gázkihasználás csökkenéséhez is vezetnek. A fent említett kohói élettartam csökkentésében betöltött szerepe és nyersvastermelésre, valamint az energiafogyasztásra gyakorolt negatív hatása ellenére a tapadványok kialakulásának vizsgálatára korlátozott számú kutatás történt. Ezekben megállapítást nyert, hogy az alkáliák és a cink részt vesznek a tapadványképzıdési folyamatban. Az elméleti feltételezések közötti lényegi különbsége az, hogy egyesek úgy gondolják, hogy az alkáliák és a cink egyfajta katalizátorként funkcionálnak a tapadványok kialakításában, míg mások véleménye szerint ezek teljes egészében részt vesznek a folyamatban [2, 3, 14-16]. A tapadvány okozta gyakorlati problémák közül az egyik leggyakrabban elıforduló az anyagoszlop lefelé haladásának megakadása. Ekkor az anyagoszlop a kohó torok részétıl a kohó medence irányában történı levonulása közben olyan, a tapadvány okozta ellenállásba ütközik, amelyik nagyobb erıhatást fejt ki, mint az anyagoszlop természetes levonulását biztosító gravitációs erıhatás és a gázáram ellentétes irányú erıhatásának eredıje. Ez az anyagoszlop további levonulását nem teszi lehetıvé, az anyagoszlop „függésbe” kerül. Az anyagoszlop megakadása a kohó egyik rendellenes állapota, melyre alkalmazható a normál üzemmenettıl eltérı beavatkozások tárháza. Ezek megfelelı kombinálásával meg lehet szüntetni e rendellenes állapotot, amelynek következtében az anyagoszlop hirtelen lefelé mozog, „megcsúszik”. Az anyagoszlop megakadása közben az anyagoszlop azon része, amely a függéstıl nem érintett, tovább mozog a medence irányába, így egyfajta üreg képzıdik a függésben lévı anyagoszlop alatt. Így amikor az anyagoszlop megcsúszik, akkor jelentıs anyagmennyiség zuhan lefelé a kohómedence irányába és szélsıséges esetben a nagyolvasztóban az anyagoszlop „átfúvása”, csatornás járat alakul ki [4]. A rendellenes anyaglevonulás eredményeként romló és egyenlıtlen gázkihasználással, a csapolt nyersvas változó összetételével és hımérsékletével, csökkenı termelékenységgel és növekvı fajlagos tüzelıanyag-felhasználással kell számolni. Ezen felül a nem megfelelı olvadékösszetétel miatt sok esetben fúvóforma kiégések is bekövetkezhetnek [5]. Tehát a nagyolvasztóban kialakuló tapadványok egyértelmően károsak a nagyolvasztók mőködésére, mivel 5

- az azt alkotó Na, K és Zn-tartalmú vegyületek károsítják a nagyolvasztó falazatát, - az anyagoszlop rendellenes megakadását okozzák, amelyek hatására a nagyolvasztók egyenletes anyagoszlop-levonulása megbomlik, ami többlet-energiafelhasználáshoz és ezen keresztül többlet CO2-kibocsátáshoz vezet. A nagyolvasztói tapadványok fent felsorolt negatív hatása egyértelmővé teszi, hogy a doktori kutatási témám olyan témakört érint, amelynek tudományos módszerekkel történı részletes feltárása alapvetı fontosságú minden nyersvasgyártással foglalkozó szakember számára, és ami széles tudományos érdeklıdésre tarthat számot. 1.1. Az alkáliák képzıdése és hatása nagyolvasztói körülmények között Az 1. táblázatban a hazai és a nemzetközi alkália és cinkterhelésre vonatkozó adatok láthatók. Hazai viszonylatban az ISD DUNAFERR Zrt. 2 db nagyolvasztójának alkáliaterhelése a nemzetközi átlag középsı részében helyezkedik el a maga 3,1 kg/t nyv. értékével. Ugyanakkor Zn-terhelés esetében a magyar kohók terhelése többszöröse a külföldön szokásosnak, így a hazai nyersvasgyártás során a fenti szennyezıelemek okozta problémák is nagyobb mértékben jelentkeznek. 1. táblázat A nagyolvasztók szennyezıanyag-terhelésének összehasonlítása [6] ISD-DUNAFERR

ThyssenKrupp

VoestAlpine

Ruukki

Dunaújváros

Schwelgern

Linz „A”

Raahe

Na2O-terhelés (kg/t nyv.)

1,35

0,78

0,95

1,18

K2O-terhelés (kg/t nyv.)

1,79

1,34

3,91

1,47

Zn-terhelés (kg/t nyv.)

0,230

0,038

0,075

0,034

Megnevezés

Az alkáliák a nagyolvasztó alsó, magasabb hımérséklető zónáiban elemi formában, vagy vegyületként elgızölögnek és a redukáló gázárammal felfelé áramolnak. Különösen az alkáliszilikátok és -karbonátok az instabilak a kohó ezen részén. A nagyolvasztó tengelye mentén magasabban elhelyezkedı, „hidegebb” részeken a fémgızök egy része a tőzálló anyaggal, vagy az elegy egyes vegyületeivel reakcióba léphet, így a kohó adott hımérsékleti viszonyai között stabilabb vegyületek jönnek létre. Ezek a vegyületek az elegy süllyedésével ismét a kohó magasabb hımérséklető zónáiba kerülnek, újra és újra redukálódnak, létrehozva ezzel az alkáliák körforgását. Az alkáliák nagy része azonban a salakba megy, mivel az elegy süllyedése közben nincs elegendı idı a redukciójukra. Az alkáliák redukciója folytatódik a salakban is a nátrium- és kálium-gızök kialaku6

lásával, amelyeket a felfelé áramló redukáló gáz magával ragad és egészen a nagyolvasztó aknájáig szállít. Ráadásul jelentıs mennyiségő nátrium- és kálium-cianid keletkezik a fúvósíkban, amelyek szintén a torok felé áramolnak. Az alkáliák recirkulációja és felhalmozódása hozzávetıleg a 700-1200 °C közötti hımérséklet-tartományban játszódik le, azaz még a kohók salakképzıdési reakcióit megelızı hımérséklettartományban. Példaként a káliumvegyületek említett körforgását szemlélteti a 4. ábra [7].

4. ábra A nagyolvasztóban kialakuló alkáli körfolyamatok [7] 1.1.1. Az alkáli vegyületek képzıdésének termodinamikai szempontjai Az alkáli vegyületek stabilitása a különbözı hımérsékleteken más és más. A nyersvasgyártási folyamat során fıként kálium-szilikát (K2SiO3) és kálium-karbonát (K2CO3), valamint a kálium-oxid (K2O) és a kálium-cianid (KCN) vesz részt az alkália-körforgásban. A 2. táblázatban a fent említett, tapadványképzıdés szempontjából fontos Na- és K-vegyületek olvadásés forráspontja látható [8]. 7

A nátrium vegyületek stabilitása hasonló a kálium vegyületekével és így azt feltételezhetnénk, hogy azok viselkedése is hasonló, azonban az elıbbiek hatása jóval kevésbé meghatározó az alkáliák körforgása során. Ennek oka, hogy a nátriumvegyületek könnyebben vihetık a salakba. A nátrium ezen - a nyersvasgyártás szempontjából kedvezı - tulajdonságai miatt az alkáliák körforgásában kevésbé vesz részt, mint a kálium [9]. 2. táblázat A fontosabb Na- és K-vegyületek olvadás- és forráspontja [8] Megnevezés K Na K2O Na2O K2CO3 Na2CO3 K2SiO3 Na2SiO3 KCN NaCN

Tolv(°C)

Tfp(°C)

64 98 830 1132 901 858 976 1089 622 562

759 883 ≈2727 ≈3227 disszociál disszociál ≈3727 1625 1530

A következıkben a képzıdı alkáli vegyületek termodinamikai folyamatait vizsgáltam. A vizsgálat a tapadványképzıdés szempontjából legfontosabb káliumvegyületekre terjed ki, melyek fıként kálium-szilikát (K2SiO3) és a kálium-karbonát (K2CO3).

Normál szabadentapia változás (dG0) [kJ/mol]

0 400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Hımérséklet (°C) -100

-200

-300

-400 2K+SiO2+CO2=K2SiO3+CO

K2SiO3 + C =2 K(g)+ SiO2 + CO

2 K + 2 CO2 = K2CO3 + CO

K2CO3 + 2C = 2 K(g) + 3 CO

-500

5. ábra A szilikát- és a karbonát-körfolyamatban résztvevı reakciók normál szabadentalpia változása [8] 8

A kálium-szilikát stabilitását a következı egyenletek határozzák meg:

(K2SiO3) + C =2 {K}+ (SiO2) + CO

(1.1)

T≥1200°C

2 {K}+ SiO2 + CO2 = K2SiO3(l) + CO

(1.2)

976°C≤T<1200°C

2 {K}+ SiO2 + CO2 = K2SiO3(s) + CO

(1.3)

759°C≤T<976°C

2 K(l) + SiO2 + CO2 = K2SiO3(s) + CO

(1.4)

T<759°C

A szilikát körfolyamat a folyékony salak és az elegyalkotók lágyulási zónája közötti hımérsékletközben következik be. Ide a kálium, a csepegı salak még nem redukálódott K2O·SiO2tartalmával lép be. Redukciója csak magas hımérsékleten a fúvósíkhoz közeli tartományban megy végbe. A termodinamikai számítások alapján a (1.1) reakció kezdeti hımérséklete (normál állapotot feltételezve) 1584°C [8]. Az 5. ábrán a szilikát- és a karbonát-körfolyamat termodinamikai alapjai láthatók a fontosabb reakciók normál szabadentalpia változásai alapján. A kálium-szilikát viszonylag stabil gız és folyadék formájában 1200 °C alatt, így ha az alkáligızt tartalmazó redukáló gáz érintkezik az elegy vagy a tőzálló anyag szilícium-dioxid tartalmával termodinamikailag lehetséges a K2SiO3 képzıdése. 976-1200 °C hımérséklettartományban a káliumszilikát folyékony és így a kovasav tartalmú anyag, amely érintkezik a „szennyezett” redukáló gázzal meglágyul. Abban az esetben, ha K2SiO3 más oxidok – különösképpen kalcium-, és alumínium-oxidok – jelenlétében képzıdik, a lágyulási hımérséklet a 976°C-nál is alacsonyabb lehet. Ezek a reakciók a tapadványképzıdési mechanizmus fontos részfolyamatai lehetnek. A kálium-karbonát stabilitását az alábbi reakciók határozzák meg:

K2CO3(l) + 2 C = 2 {K} + 3 CO

(1.5)

T≥1200°C

2 {K} + 2 CO2 = K2CO3(l) + CO

(1.6)

901°C≤T<1200°C

2 {K} + 2 CO2 = K2CO3(s) + CO

(1.7)

759°C≤T<901°C

2 K(l) + 2 CO2 = K2CO3(s) + CO

(1.8)

T<759°C

A (1.5) reakció normál szabadentalpia változása cca. 1200°C-on zérus, ami azt jelenti, hogy ezen hımérséklet felett a kálium-karbonát elemi káliummá redukálódik. Alacsonyabb hımérsékleteken a kálium a felfelé áramló gázzal haladva reakcióba léphet a szén-dioxiddal és kálium-karbonát keletkezik. Ez a reakció lesz az egyik fontosabb káliumforrása (nagyon finom K2CO3 alakban) a torokgáz alkáliatartalmának. A reakcióknak (1.6, 1.7) nagyon gyorsan kell 9

lejátszódniuk a felfelé áramló gáz nagy sebessége miatt. 759°C alatt a K2CO3-képzıdése a gázáram és folyékony káliumcseppek közötti reakciónak köszönhetıen jön létre. Meg kell jegyezni, hogy a kálium-szilikát és a kálium-karbonát termodinamikai szempontból nem stabilak a nagyolvasztó alsó, magas hımérséklető részében, és ezeknek a korábban bemutatott (1.1, 1.5) reakciónak megfelelıen teljes egészében káliummá kellene redukálódniuk. Ugyanakkor a szakirodalom szerint [2] a kálium nagy része redukálatlan marad és a salak segítségével eltávozik a kohóból. Ez utóbbi azt jelzi, hogy reakciókinetikai okok (kevés idı áll rendelkezésre) miatt sem megy végbe a teljes káliumredukció. A további okok termodinamikai jellegőek. A káliumvegyületek közül legkisebb ∆G0 értékkel rendelkezı K2SiO3 normál szabadentalpia értéke tovább csökken amennyiben a levonuló anyagoszlopban a kálium-szilikát képzıdését elısegíti a kovasavnak valamilyen aktív formája. Ekkor ugyanis lecsökken a káliumvegyületek aktivitása és így nagyobb lesz a káliumredukció kezdeti hımérséklete. Így a kohó alsó részében a káliumredukció aránya lecsökken, és így nagyobb része kerül a salakba. Ennek értelmében minél kisebb a salak CaO/SiO2 aránya, annál kisebb a káliumvegyületek aktivitása és annál nagyobb az elgázosítás hımérséklete. A salak MgO-tartalom és a toroknyomás növelése szintén hasonló hatást fejt ki, azaz növeli az egyensúlyi hımérsékletet. További lehetıség a káliumredukció csökkentésére, hogy kalcium vagy alumínium hozzáadással szilárd állapotú komplexeket hozunk létre, csökkentve ezáltal a kohó felsı részében a K2SiO3 aktivitását. 1.1.2. Az alkáliák hatása a nagyolvasztóban, különös tekintettel a tapadványképzıdésre A nagyolvasztóba bekerült nátrium- és káliumvegyületek lényegében a kohó minden egyes részén valamilyen módon károsan befolyásolják az abban zajló metallurgiai, fizikai és kémiai folyamatokat. Ezek az alábbiak lehetnek: -

tapadványképzıdés, és az ebbıl következı anyagoszlop levonulási illetıleg gázkihasználási zavarok,

-

tőzálló falazat kopása, eróziója,

-

az Fe-hordozók (pellet, zsugorítvány) lágyulás és olvadáspontjának csökkenése,

-

a vasérc pelletek duzzadása és szétesése, valamint a zsugorítvány szétesése,

-

a koksz fizikai tulajdonságainak romlása azáltal, hogy a koksz pórusaiba adszorbálódik és megrepeszti azt,

-

a cianidképzıdésben betöltött szerepe miatt környezetvédelmi problémák [10-13]. 10

A tapadványképzıdéssel foglalkozó - meglehetısen kisszámú - szakcikkekben található fontos és értékes információk alapján, az állapítható meg, hogy meglehetısen kicsi a hasonlóság a különbözı kohók tapadványainak szerkezetében és elhelyezkedésében. Azonban a tapadványokat két csoportba lehet rendezni. Bizonyos tapadványok lamináris (réteges) felépítést mutatnak, váltakozva találhatók bennük fémvas és a salakalkotókhoz kapcsolódó alkálivegyületek. Az ilyen típusú tapadványokat lamináris struktúrájú tapadványoknak nevezzük, míg a másik fajták a nem laminárisak. Egy jellemzı nagymérető tapadvány feltételezett kialakulása és elhelyezkedése látható a 6. ábrán [13].

6. ábra A kohói tapadvány jellemzı elhelyezkedése és kialakulása [13] Ahogy korábban már utaltam rá, a szakemberek között nincs egységes álláspont, hogy az alkáliák jelenléte az elıfeltétele a tapadványképzıdésnek vagy csak súlyosbítja a már kialakult helyzetet [2, 3, 14-16]. Abban azonban mindenki egyetért, hogy az alkáliák egyértelmően káros hatással bírnak a nagyolvasztók mőködésére. 11

A luleå-i kísérleti kohóban vizsgálták a tapadványképzıdés körülményeit [17]. A tapadványok kialakulásában nagy szerepet tulajdonítottak a falazaton, hőtılapokon kialakult vékony védırétegnek, mely védi a falazatot és a hőtési rendszert. Az elemzések alapján ezek fıként a korábban említett káliumtartalmú vegyületekbıl (KAlSiO4) épültek fel. Amennyiben valamilyen okból az anyagoszlop levonulása megakadt (kohóállás, járatzavar) a kialakult védıréteg hízásnak indult. A megvastagodott tapadványréteg fıként az elegyalkotók Fe-, Si-, Mg- tartalmából, valamint a felfelé áramló redukáló gázzal érkezı káliumból állt. Tapadványréteg fıként a kohóakna felsı részében volt megfigyelhetı. A tapadványok elemzése alapján megállapítható, hogy a ferrum már nagyrészt redukálódott állapotában (FeO) volt jelen, viszonylag magas (10-15 % FeO) értékkel. A tapadványok nagyságrendekkel nagyobb káliumot tartalmaztak, mint nátriumot, köszönhetıen a termodinamikailag stabilabb Na-vegyületeknek, melyek így a salakba kerültek. A kálium fıként alumínium- (KAlSiO4), és magnézium- (K2MgSiO4) komplex vegyületek formájában fordult elı.

Vékony védıréteg (K-Al szilikát)

Elegyösszetevık

Amennyiben elegendı idı áll rendelkezésre a folyamatok a következık: - Fe-hordozók redukciója, - K-Al- és Ca-Al- szilikátok kialakulása a szemcsehatárokon

{K}{CO} 7. ábra A kohói tapadvány kialakulása a kohó állása vagy járatzavar esetén [17] A tapadványok cinktartalma mindössze 0,02 % volt, ugyanakkor a kohó cinkterhelése is alacsony értéken alakult. A hıelemek hımérsékletszórásainak elemzésébıl egyértelmően megállapítható volt a tapadványképzıdés helye, ideje.

12

A 7. ábrán a tapadványok feltételezett kialakulására vonatkozó illusztráció látható. A kohóakna falazatát egy vékony K-Al-szilikát védıréteg borítja normál üzemmenet mellett. Amenynyiben a kohójárat megbomlik és/vagy az anyagoszlop megakad, vagy bármilyen okból kifolyólag a kohóval le kell állni, a fent látható módon kezd vastagodni a védıréteg. A tapadványt a részben redukálódott érc FeO-tartalma alkotja, valamint a redukáló gázzal felfelé áramló kálium által képzett komplex vegyületek hizlalják, melyek a szemcsehatárokon jönnek létre és egyfajta „ragasztóként” funkcionálnak. 1.2. A cink képzıdése és hatása nagyolvasztói körülmények között A cink kis mennyiségben számos ércben megtalálható ferroferrit, azaz magnetit (Zn,Fe)OFe2O3, illetıleg hematit ZnO·Fe2O3; szilikát 2ZnO·SiO2 vagy szulfid (Zn,Fe)S, ZnS formában. A szulfidok – a kutatások szerint - átalakulnak komplex oxidokká az aknában. A szilikátok sokkal nehezebben redukálhatók, mint a ferritek [18]. 1.2.1. A cinkvegyületek képzıdésének termodinamikai szempontjai A cink és a fontosabb cinkvegyületek olvadás- és forráspontja látható a 3. táblázatban. A nagyolvasztóban a cink parciális nyomása jóval kisebb, mint 1 bar, így a kondenzálódása is alacsonyabb hımérsékleten következik be. 3. táblázat A fontosabb cinkvegyületek olvadás és forráspontja [8] Megnevezés

Tolv(°C)

T fp(°C)

Zn ZnO

419 1975

907 -

ZnS

1700

-

Zn2SiO4

1512

-

ZnSiO3

1437

-

Valamennyi cinkvegyületet a karbon redukálja a kohó alsó, 1000 °C fölötti hımérsékleti zónájában. A redukálódott fém cink gázhalmazállapotú és az alábbi reakció szerint képzıdik:

ZnO + C ={Zn}+ CO

(1.9)

ahol az egyensúlyi állandó értéke a következı módon számolható:

K=

p Zn ⋅ p CO a ZnO ⋅ a C

(1.10)

13

Az egyensúlyi állandó értéke nagyon alacsony, különösen 1000°C alatti hımérsékleteken (10. ábra). 0,9 Egyensúlyi állandó (K)

0,8

K-egyensúlyi állandó ZnO-CO

0,7

K-egyensúlyi állandó ZnO-H2

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 600

700

800

900

1000

1100

1200

Hımérséklet

8. ábra A szén-monoxiddal és hidrogénnel történı cink-oxid- redukció egyensúlyi állandó értékei [8] A cinkreakció mértéke tehát függ a ZnO-komplex vegyület aktivitási együtthatójától is [18]. A hidrogén mint redukáló elem elméletileg szóba jöhet, de elsısorban 1000 °C fölött van ennek a reakciónak létjogosultsága. A 8. ábra a hidrogénnel történı redukció egyensúlyi állandóját mutatja. Magas hımérsékleteken, ahol megfigyelhetı a redukció, a cink gáz halmazállapotban van jelen. A felfelé áramló gáz a cink-gızt magával ragadja a hidegebb, 900°C alatti zónába, ahol reoxidáció történik CO2-dal, amelynek reakcióterméke ZnO és CO. Ugyanakkor a kohó tengelye mentén magasabban elhelyezkedı, hidegebb zónában létrejöhet az alábbi reakció is:

{Zn}+ 2CO2 = ZnCO3+CO

(1.11)

A képzıdı karbonátok és oxidok szilárd halmazállapotúak, melyek vagy a torokgázzal együtt távoznak a kohóból finom szemcsék formájában, vagy ráragadnak a levonuló elegy szemcséire (pl. különbözı Fe-vegyületek fıként apró szemcséire kondenzálódik) vagy megtapadnak a tőzálló falazaton, mint tapadvány.

14

Azok a karbonátok és oxidok, melyek az eleggyel együtt lefelé haladnak megolvadnak és újra redukálódnak, azaz a cink körforgása tovább folytatódik. Ily módon a cink alkáliaként viselkedik. A kondenzálódott rész oxidációja vékony cink-oxid film kialakulásához vezet az elegyalkotók felületén, amely meggátolja a vas-oxidok redukcióját [7,19]. 1.2.2. A cink hatása a nagyolvasztóban, különös tekintettel a tapadványképzıdésre A cink nagyolvasztóban történı viselkedése sok szempontból hasonlatos az alkáliák által okozott problémákhoz, amelyek a következık: -

tapadványképzıdés, és az ebbıl következı anyagoszlop-levonulási, illetıleg gázkihasználási zavarok,

-

tőzálló falazat kopása, eróziója.

A szakirodalom legalább két különbözı módon osztályozza a tapadványokat. Az egyik csoportosítási módról már beszéltünk, amely szerint megkülönböztetünk réteges és nem réteges tapadványokat. A másik besorolási mód a nagyolvasztóban történı elhelyezkedés szerinti különbségtétel, ahol felsı és alsó tapadványokról beszélünk. Az elıbbi típust vizsgálva megállapíthatjuk, hogy a felsı tapadványokat cink-cink-oxid illetve szállópor és finom karbonrétegek alkotják. A kialakulásukra vonatkozó elmélet az, hogy a rétegek létrejötte összefüggésben van a kohó torokrészében uralkodó körülményekkel, elsısorban a hımérséklettel és az oxigénpotenciállal. A másik típusú tapadvány, amely az akna középsı és alsó zónájában található, részben redukálódott ércszemcsékbıl, kokszszemcsékbıl és az ezeket összekötı cinkbıl, cink-oxidokból áll. Ezen zóna körülményei között a cink gızfázisbeli koncentrációja elég nagy, ami növeli a nagymértékő tapadvány kialakulásának a lehetıségét. A magasabb hımérséklet és a nagyobb parciális cink-nyomás kedvez a cink-tőzálló anyag és a cink-elegy közötti kémiai reakcióknak. A folyékony fázisú alkália és cink-cianidok kötıanyagként részt vesznek a szemcsék összeragasztásában és így jelenlétükkel lecsökkentik az elegy gázáteresztı képességét. A cink jelenléte a nagyolvasztóban növekvı fajlagos kokszfogyasztást eredményez, melynek egyik magyarázata az, hogy a tapadványok kialakulásával a kohójáratot meghatározó gázpermeabilitás széles határok között változik, ami egyenetlen kohójáratot eredményez. A tapadványok okozta keresztmetszet-csökkenés csatornás járatot okoz, így megnövekszik a redukáló gáz sebessége, aminek következtében lecsökken a gázkihasználás és az indirekt redukció mértéke [5, 18, 20]. 15

2. A nagyolvasztói tapadványképzıdés és –leválás folyamatának elemzése A nagyolvasztókat - falazatuk védelme érdekében - hőtıszerelvényekkel szerelik fel. A nagyolvasztó-falazatot a kohó-páncéllemez és a tőzálló falazat között elhelyezett hőtıszerelvényekkel, vagy a nagyolvasztó páncélzatán keresztül is lehet hőteni. Az elıbbi esetben beépített

szerelvényekkel

történı

hőtésrıl,

míg

az

utóbbi

esetben

permetezı

vagy

vízköpenyhőtésrıl beszélünk. A vizsgálataimat az ISD DUNAFERR Zrt. II.sz. nagyolvasztójánál végeztem, ahol beépített szerelvényekkel történı hőtéssel óvják a kohó falazatát. A beépített hőtıszerelvényekkel történı hőtés esetén a függıleges elhelyezkedéső hőtılapos vagy a vízszintes elhelyezkedéső hőtıtáskás megoldások használatosak. Az elıbbi esetében viszonylag nagy (2-3 m2) egybefüggı felületet adó hőtılapokkal történik a falazat hőtése, míg az utóbbi esetében kisebb mérető, ugyanakkor nagyszámú, sőrőn elhelyezett hőtıtáskákkal. A vizsgált nagyolvasztó falazatának hőtése hőtılapok segítségével történik. A beépített hőtıszerelvények esetében kétféle hőtési módozatot ismeretes; mégpedig a vízárammal illetve az elgızölögtetı hőtéssel történı megoldásokat. Az elsı esetben nagy menynyiségő ipari víz áramoltatásával vezetik el a nagyolvasztókban végbemenı nagyhımérséklető folyamatok során keletkeletkezett hı kis hányadát, míg a második esetben zárt hőtıvízrendszerben lágyított ipari víz párolgáshıje végzi el ugyanezt a feladatot [9]. A példaértékő nagyolvasztónál vízárammal történı hőtési módozat került kialakításra. A 1. mellékletben az említett II.sz. nagyolvasztó hőtési rendszerének rajza látható. Ugyanitt azonosíthatók a nagyolvasztó különbözı magassági szintjein elhelyezett falazat és hőtılap hıelemek és nyomásmérık, melyek adataival a továbbiakban részletesen foglalkozom. 2.1. A nagyolvasztói tapadványok kialakulásának, leválásának hıtani és metallurgiai jellemzıi 2.1.1. A nagyolvasztó hőtési és tapadványképzıdési folyamatok kapcsolatrendszere A nagyolvasztói tapadványok létezésének és jellemzıinek közvetlen megfigyelésére (a leállítást követı bontás kivételével) nincs lehetıség. A detektálás közvetett lehetıségei (pl. aknanyomásmérések, hőtıvízáram jellemzıi, hőtılapok belsı oldalán elhelyezkedı falazat hımérséklet-mérései) közül a falazat-hımérsékletek, illetve a hőtési intenzitás paramétereinek (hőtıvízáram-sőrőség, be- és kimenı vízhımérsékletek) változásait nyomon követı vizsgálatok a legmegfelelıbb módszerek. Az így kapott eredmények pontossága a hőtıvízáram jellemzıinek mérésére rendelkezésre álló eszközök, mérési helyek, aknapáncél-felületi elhelyezkedési sőrőségének is függvényei.

16

Az elfogadható alapelv szerint, a kialakuló tapadványréteggel helyenként megvastagodott aknafalazat külsı - páncélzat felé esı - rétege alapvetıen kisebb hımérséklető, mint a tapadványmentes

falazaté.

Azaz

azonos

hőtıvízáram-jellemzık

(beáramló

hőtıvíz-

tömegáram, -hımérséklet) esetén a tapadványréteget hordozó aknafal-felület hőtésével távozó hőtıvízhımérséklet-növekedésének mértéke annál kisebb, minél vastagabb - tehát radiális irányban minél kiterjedtebb - a képzıdött tapadvány. Amennyiben a hőtıvíz-térfogatáram a mért érték, akkor a tapadvány létének nagy valószínősége akkor áll fenn, ha az elvárt hőtıhatás biztosításához – a tapadvány vastagságának növekedésével – kisebb hőtıvíz-térfogatáramra van szükség. Az ilyen mérési kultúrával rendelkezı nagyolvasztók esetén, a mért értékek alapján megállapítható a virtuális (tapadvány) helye, nagysága morfológiája az alábbi elvi ábrázolás alapján (9. ábra).

Hőtıvíztérfogatáram konstans Tapadványmentes alapállapot

Hőtıvízhımérséklet konstans Tapadványmentes alapállapot

Tapadvány

Kimenı hőtıvíz hımérséklete (°C)

Hőtıvíz térfogatáram(m3/h)

9. ábra A tapadvány nagyságának és helyének meghatározásának elvét bemutató ábra

17

Hasonló ábrázolásra van lehetıség a horizontális irányú megjelenítéskor is. A tárgyalt összefüggések birtokában a továbbiakra vonatkozóan természetes, hogy a gázkihasználás és a tapadványképzıdés kapcsolatrendszerének kutatásában többnyire a tapadványképzıdéssel szoros összefüggésben változó és mérhetı falazathőtési paraméterek képviselik a független változó (a tapadványkialakulás) szerepét. A nagyolvasztóban történı tapadványképzıdési és -leválási folyamat leginkább nyomon követhetı indikátora a falazat- és hőtılap-hımérsékleti értékek változása. Megvizsgáltam a különbözı magassági szinteken mért falazat- és hőtılap-hımérséklet adatok egymáshoz képest történı lefutását, valamint az értékek egymáshoz viszonyított abszolút értékét, amelyek alapján a hıelemek által szolgáltatott adatokból azok megbízhatóságára vonatkozólag az alábbi megállapítások tehetık: - a 16,0 m-en az 1, 3, 4, 6. sz., - 17,6 m-en az 1, 2, 4-6. sz., - 20,8 m-en az 1-4. és 6. sz., - 24,0 m-en pedig az 1-2.sz. és 4-6.sz. falazat hıelemek által mért adatok megbízhatóak, míg - a 17,9 m-en a 2-6. sz. hőtılap hıelemek által mért adatok megbízhatóak. A további számításokat és elemzéseket a megbízhatónak ítélt hıelemek által szolgáltatott adatok felhasználásával végzem el. A 10. ábrán szakirodalomban bemutatott nagyolvasztó-hőtési modell látható, amelynek segítségével a nagyolvasztói falazathımérséklet-értékek változását mutatom be. A falazaton elhelyezkedı tapadvány hıvezetési tényezıjének (λ1) értéke különbözik (többnyire kisebb) a falazat (λ2) hıvezetési tényezıjétıl, - így abban az esetben, ha a hőtıvíz mennyisége nem változik - a hőtıvízzel eltávozó hımennyiség (qv) kisebb lesz, és a falazatba benyúló hıelemek által mért hımérsékletértékek is alacsonyabbak lesznek, mint a tapadvány nélküli falazat esetében. Ez alapján megállapítható, hogy mely falazatrészen következik be tapadványképzıdés. Ennek ellenkezıjeként pedig a falazathımérséklet-értékekben bekövetkezı növekedés tapadványleválásra utal.

18

Tki

qv Falazat

Tvíz Kohópáncél

Tb

qi

Hőtıvíz

αc

A

Tk

Tapadvány

λ2

T1 A λ1

L2

L1

Kohó belsı

Tbe

10. ábra A nagyolvasztó hőtési modellje beépített hőtıszerelvény esetén [21]

T1 - a samott tőzálló-falazatnak a tapadvány irányában esı felületi hımérséklete Tk - a vizsgált hőtılap „melegoldali” hımérséklete Tbe - a vizsgált hőtılapba belépı hőtıvíz hımérséklete Tki - a vizsgált hőtılapból távozó hőtıvíz hımérséklete Tviz - a vizsgált hőtılap közepes hőtıvíz hımérséklete L1 - a tapadvány rétegvastagsága L 2 - a samott tőzálló falazat rétegvastagsága λ1 - a tapadvány hıvezetési tényezıje λ 2 - a samott tőzálló falazat hıvezetési tényezıje α c - hőtıvíz hıátadási tényezıje A - a hőtılap felülete q i - falazatrendszer hıáramsőrőség q v - hőtıvíz hıáramsőrősége A falazathımérséklet-mérések alapján adatokhoz jutunk arról, hogy a nagyolvasztóban lejátszódó tapadványképzıdési reakciók mely magassági szinteken mennek végbe. Ezen információk a nagyolvasztó irányítói számára is értékes adatok, mivel a tapadványképzıdés folyamata sok esetben az anyagoszlop fennakadását okozza, míg egy-egy leválási folyamat – a részlegesen redukálódott anyag megcsúszása közben – hideg, elıkészítetlen anyagot szállíthat a nagyolvasztó medencéjébe, amely ennek hatására lehől. A 11. ábrán példaként a vizsgált

19

nagyolvasztó 20,8 m-es szintjén elhelyezett hıelemek által szolgáltatott hımérsékletadatok láthatók. 700

TapadványTapadvány- Tapadványleválás képzıdés leválás

Falazat hımérséklet (°C)

600

Tapadványképzıdés

TMK

500

FH21M1 FH21M2 FH21M3 FH21M4 FH21M6

400

300

200

100

2011.04.01

2011.03.31

2011.03.30

2011.03.29

2011.03.28

2011.03.27

2011.03.26

2011.03.25

2011.03.24

2011.03.23

2011.03.22

2011.03.21

2011.03.20

2011.03.19

2011.03.18

2011.03.17

2011.03.16

2011.03.15

2011.03.14

2011.03.13

2011.03.12

2011.03.11

2011.03.10

2011.03.09

2011.03.08

2011.03.07

2011.03.06

2011.03.05

2011.03.04

2011.03.03

2011.03.02

2011.03.01

0

Dátum

11. ábra A II.sz. nagyolvasztó ≈21 m-es szintjén mért falazat hımérsékletadatok

Az ábrán a különbözı színnel jelzett görbék az adott magassági szinten elhelyezkedı 6 db hıelem által mért értékeket jelzik. Az 5.sz. hıelem a nem megbízható mőködésébıl adódóan itt már nem került bemutatásra. Amint látható, a falazat-hımérsékletek meglehetısen dinamikus módon változtatják az értékeiket. Az ábrán feltüntetett öt jellemzı esemény, magyarázatra szorul. Az elsı 2011. március 8-án következett be, amely egy tervszerő megelızı karbantartás okozta kohóállás miatt következett be. Ebben az esetben a nagyolvasztó 24-36 órán keresztül javítás alatt van, nem termel. Mivel a kohóban gázáramlás nincs ezért a falazathımérséklet-értékek az idı múltával folyamatosan csökkennek. Ez az idıszak kedvez a tapadvány képzıdésének, mivel a hőlı falazaton a nagyolvasztó alsó részében lelassuló, ugyanakkor le nem álló metallurgiai folyamatok eredményeként, a könnyen illó tapadványképzı elemek felfelé áramolva kondenzálódnak, tapadványt képeznek. A kohó megindítását követıen kb. 1,5 nappal nagymértékő falazathımérséklet-növekedés látható, amit feltételezhetıen a javítás során képzıdött tapadványleválások okoztak. Ezt követıen kb. 3 nappal késıbb a falazathımérséklet-értékek csökkenı tendenciája figyelhetı meg,

20

ami tapadványok kialakulására utal. A vizsgált hónapban további két alkalommal figyelhetı meg a fent említett eseménysor. Ahogy látható a 11. ábrán, a falazathımérséklet-emelkedések és -csökkenések jellemzıen nem trendszerőek, hanem véletlenszerőek. Elıre nem látható eseményként célszerő elkönyvelni. Amint a falazaton elhelyezkedı tapadvány elér egy bizonyos méretet - illetve más egyéb események következtében - leválik, aminek hatására a falazat-hımérsékletek viszonylag gyors emelkedése figyelhetı meg. A hőtılap és a falazat hımérsékletének tapadványképzıdés miatt bekövetkezı - csökkenése rendszerint a leválásénál hosszabb folyamat eredménye. Annak érdekében, hogy a lehetséges valamennyi, a falazat-hımérsékletre ható tényezıt számszerősíteni lehessen és az összefüggéseket átláthatóvá tegyem, az Ishikawa-diagram [22] adta lehetıséget alkalmaztam. Ennek segítségével a tapadványleválási folyamatot vettem górcsı alá, melynek eredménye a 12. ábrán látható. Természettudományi törvények által meghatározott

Emberi tudatos beavatkozás

Kerületmenti gázáramlás elısegítése

Tapadvány-geometriai arányok megváltozása A kohó vertikális hıállapotának változása

Mechanikai úton történı eltávolítás Hőtési intenzitás változtatása

Tapadványleválás

A kohó járatba hozása

Hőtési intenzitás csökkenése Adagolási zavarok

Kohóállásokból adódó anomáliák

Emberi másodlagos beavatkozás

Véletlen meghibásodások

12. ábra A tapadványleválási folyamat Ishikawa-diagramja [22] A nagyolvasztó falazatán kialakult tapadvány leválasztására irányuló cselekvés lehet tudatos emberi beavatkozás eredménye, melynek eszközei a fenti ábrán feltüntetésre kerültek. Ugyanakkor lehet olyan emberi cselekvéssorozat (pl. a nagyolvasztóban a megakadt anyagoszlop „csúsztatása”, „zuhantatása”), amelynek elsıdleges célja a kohó egyenletes anyagoszlop levo21

nulásának helyreállítása. A beavatkozás hatására azonban nem csak az anyagoszlop kezd el mozogni, hanem azzal együtt a falazatról leváló tapadvány is. A nagyolvasztóban a falazaton elhelyezkedı tapadványok a hőtés intenzitásától és a felfelé áramló tapadványképzı elemek – mint a tapadványt alkotó vegyületek közötti kötıanyag – mértékétıl és a képzıdött tapadvány szilárdságától függıen meghatározott mértéket érhetnek el. Amint a kritikus kiterjedést meghaladják, a lefelé vonuló anyagoszlop által keltett nyírófeszültség hatására, részben vagy teljes egészében leválnak a falazat felületérıl. A beadagolt ércek lágyulási és olvadási tulajdonságaitól illetve a medencegáz mértékétıl függıen jelentıs mozgás lehet a kohézív zóna elhelyezkedésében, alakjában, ami végsısoron a kerület mentén áramló redukáló gáz mértékét befolyásolja. Ennek megfelelıen a nagyolvasztó falazatmenti vertikális irányú hımérsékletváltozása is hatással van a tapadványképzıdés és leválás folyamatára. A negyedik nagy csoportba azok a véletlenszerő meghibásodások, üzemzavarok sorolhatók, melyek hatására a kohó falazatáról a tapadványleválás folyamata megindul. A fentebb felsorolt tényezık sok esetben nem választhatók külön egymástól, azok hatása öszszegzıdik, amelyek együttesen okozzák a vizsgált jelenséget. Hasonló Ishikawa-diagramot lehet összeállítani a tapadványképzıdési folyamatra vonatkozólag, amennyiben a 12. ábrán található okok ellentétét vesszük. Mint ahogy az Ishikawa-diagram elemzésébıl is látszik, a tapadványleválás folyamata az esetek döntı részében nem látható elıre. Természetesen abban az esetben, ha valamilyen véletlen meghibásodás következik be a hőtési vagy az adagolási rendszerben és ennek a kohó irányítói tudatában vannak, akkor fel lehet készülni az esemény bekövetkeztére. Amennyiben a tapadványleválási és -képzıdési mechanizmus kialakulását és jellemzıit kívánjuk feltárni, akkor a folyamatot nem egy egészként, hanem széttagolva célszerő megvizsgálni. A tapadványképzıdés elemzéséhez példaként a vizsgálati idıszakban (2011. március) a legjellemzıbb tapadványképzıdési és leválási folyamatot produkáló, különbözı nagyolvasztói magassági szinten mért falazathımérséklet-értékeket választottam (13. ábra). Az ábrába az ugyanezen idıszakhoz tartozó gázkihasználási (ηCO ) adatokat is feltüntettem. (A gázkihasználás kiszámítási módja: ηCO =

CO 2 % ; ahol a CO ill. CO2 a torokgáz CO% + CO 2 %

CO- ill. CO2-tartalma %-ban kifejezve.)

22

Falazat-hőmérséklet (°C) Gázkihasználás (%)

2011. 3. 23. 12:00

2011. 3. 23. 14:24

2011. 3. 23. 16:48

2011. 3. 23. 19:12

2011. 3. 23. 21:36

2011. 3. 23. 12:00

2011. 3. 23. 14:24

2011. 3. 23. 16:48

2011. 3. 23. 19:12

2011. 3. 23. 21:36

2011. 3. 23. 12:00

2011. 3. 23. 14:24

2011. 3. 23. 16:48

2011. 3. 23. 19:12

2011. 3. 23. 21:36 FH16M1 FH16M3 FH16M4 FH21M1

2011. 3. 24. 0:00

EtaCO

2011. 3. 24. 0:00

200

2011. 3. 24. 0:00

2011. 3. 23. 9:36

2011. 3. 23. 9:36

50

2011. 3. 23. 9:36

100 2011. 3. 23. 7:12

150 2011. 3. 23. 7:12

200

2011. 3. 23. 7:12

250 2011. 3. 23. 4:48

300 2011. 3. 23. 4:48

40 350

2011. 3. 23. 4:48

41 2011. 3. 23. 2:24

42

2011. 3. 23. 2:24

43

2011. 3. 23. 2:24

44 2011. 3. 23. 0:00

45

2011. 3. 23. 0:00

46

2011. 3. 23. 0:00

47 2011. 3. 22. 21:36

48

2011. 3. 22. 21:36

49

2011. 3. 22. 21:36

Falazat-hőmérséklet (°C) 250 FH18M1 FH18M2

FH18M4 FH18M5 FH18M6

150

100

50

500

13. ábra A tapadványképzıdés és -leválás okozta falazathımérséklet-változás, valamint a gázkihasználás mértékének változása

23

Az ábra alapján látható, hogy a falazat-hımérséklet növekedése és csökkenése 2011. március 22-24. közötti idıszakban változatos képet mutatott. A legnagyobb falazathımérsékletváltozások a nagyolvasztó ≈18 m-es magassági szintjén detektálhatók, míg a ≈16 m-en és ≈21m-en kisebb mértékő falazathımérséklet-változás következett be. A nagyolvasztó különbözı magassági szintjein a nagyobb mértékő falazathımérsékletváltozásokat megjelöltem és az ugyanezen idıszakra vonatkozó gázkihasználás ábrára vetítettem. A célom ezzel az volt, hogy megvizsgáljam a tapadványképzıdés és -leválás hatását a gázkihasználás mértékére. A vonatkozó ábra alapján a következı megállapítások tehetık: - abban az esetben, ha a nagyolvasztó azonos magassági szintjén radiális irányban egyszerre több mérési pozícióban (a nagyolvasztó meghatározó térfogatrészén) a falazathımérsékletértékek megváltoznak (1 óra alatt >25 °C-al) , azaz tapadványképzıdés vagy -leválás következik be, a gázáramlási viszonyok módosulása következtében a gázkihasználási értékek kismértékben (1-2 %) megváltoznak. - abban az esetben, ha a nagyolvasztó különbözı magassági szintjén és az adott magassági szinteken radiális irányban is egyszerre több mérési pozícióban a falazathımérséklet-értékek jelentıs mértékben (1 óra alatt >50 °C) megváltoznak, azaz nagyobb mértékő tapadványképzıdés vagy -leválás következik be, a gázáramlási viszonyok módosulása következtében a gázkihasználási értékek nagymértékő módosulásával (2-5 %) kell számolni. A tapadványok okozta nagyobb mértékő gázkihasználás-változás, tehát akkor következik be, ha a nagyolvasztó jelentıs – különbözı magassági szinteket érintı – térfogatrészén tapasztalható. A falazaton kialakuló ill. az onnan leváló tapadvány a gázárammal szemben egyfajta akadályt képez, amelynek iránya - a normál tapadvány nélküli állapothoz képest - ezáltal megváltozik, így az optimális gázáramlási utak módosulnak, csökkentve a gázkihasználás mértékét. A tapadványok okozta nagyobb mértékő gázkihasználás-változások mindig több, akár esetenként különbözı pozíciójú hıelemek falazathımérséklet-változásának „eredményeként” állnak elı, mint indikátorai a tapadványok dinamikus képzıdésének és leválásának. Éppen ezért a konkrét tapadványképzıdési és -leválási folyamatot nehezen lehet jellemezni bármiféle matematikai összefüggéssel. Ugyanakkor a 13. ábrából egyértelmően következik, hogy a gázáramlási viszonyok módosulása – pro és kontra - kapcsolatban van a tapadványok elhelyezkedésével, alakjával és „mozgásával”, ezáltal hatásuk a gázáramlást leíró paraméterekkel – elsısorban a gázkihasználással - jellemezhetı.

24

2.1.2. A nagyolvasztói tapadványok kémiai és ásványfázis-összetételének vizsgálata A nagyolvasztóban lentrıl - a fúvósík felıl - érkezı gáz folyamatosan érintkezik a - toroktól a medence irányába - lefelé haladó ércet- és kokszot tartalmazó betéttel. A két különbözı irányban haladó anyagtranszport és kémiai folyamat, valamint a hőtılap hőtıhatásának eredményeként a falazaton tapadványréteg alakul ki, mely összetételének ismerete alapvetı a tapadványképzıdés mechanizmusának feltárásához. A nagyolvasztói tapadványképzıdési folyamatok részletes vizsgálatához elengedhetetlen, hogy ismerjük a tapadványképzıdésben résztvevı kémiai elemeket, ásványfázisokat. A tapadványminta kivétele egy mőködı nagyolvasztó esetében komoly nehézségekbe ütközhet, azonban egy leállított kohónál könnyebben kivitelezhetı. A fentieknek megfelelıen az ISD DUNAFERR Zrt. átépítésre leállított I.sz. nagyolvasztójából tapadványmintát vettem, amely a beadagolt alapanyagok azonos részaránya és összetétele révén, erıs korrelációt kell, hogy mutasson a vizsgált II.sz. nagyolvasztóéval. Ennek megfelelıen a kivett tapadványmintákból kémiai- és ásványfázis-vizsgálatokat végeztettem annak megállapítására, hogy a tapadványképzıdési folyamat a vizsgált nagyolvasztó mőködési körülményei között milyen formában megy végbe. 2.1.2.1. A nagyolvasztó aknájának alsó részébıl tapadványminták kivétele, azok elıkészítése vizsgálatra Az említett I.sz. kohó 2013. január 22-én került leállításra a kifúvatási procedúrát követıen. A nagyolvasztó kikaparását, a medencében maradt anyag eltávolítását 2013. február 6-án kezdték meg. A nagyolvasztó leállítását követıen a falazat állapotát a 14. ábra illusztrálja.

25

14. ábra Az ISD DUNAFERR Zrt. átépítésre leállított I.sz. nagyolvasztójának falazata a leállást követıen (13-15. fúvóformák között) Az ábra a fúvósíktól a nagyolvasztó torok része felé, a 4.sz. fúvóforma felıl látható területet mutatja. Az ábra alján feltüntetésre kerültek a tapadvány alatt található fúvóforma pozíciók a könnyebb azonosíthatóság érdekében. A nagyolvasztó közel teljes kerülete mentén – hasonlóan a 14. ábrához - a tapadvánnyal borított terület, fénykép formában megörökítésre került, melyet az 2-3. melléklet tartalmaz. Látható, hogy az akna alsó, szénpoha és a nyugvó részén jelentıs mértékő tapadvány található. Az akna középsı részén kismértékő, míg az akna felsı részén tapadvány nem található, igaz, falazat sem. A tényleges tapadványminták kivételére (2013. május 5-én), az akna alsó részén lévı hőtılapok kibontása során (15. ábra) került sor.

26

Hőtılap

Tapadvány

15. ábra A nagyolvasztó akna alsó részén elhelyezkedı hőtılapokon lévı tapadványok a kibontást megelızı percekben Az ábra alapján látható, hogy a tapadvány vastagsága a hőtılap vastagságát (250 mm) is meghaladja. A nagyolvasztóból eltávolított hőtılapokról összegyőjtött tapadványok közül 2 db-ot választottam ki a már említett kétféle vizsgálat céljára, melyek közül az egyik – még a hőtılapról történı leválasztás elıtti állapotban - példaértékőként a 16. ábrán kerül bemutatásra. Mint ahogy korábban említettem, a nagyolvasztó akna középsı- és felsı részében kismértékő vagy semmiféle tapadványt nem lehetett detektálni, így a mintákat szükségszerően csak az akna alsó részébıl lehetett kivenni.

27

Tapadvány minta

Hőtılap

16. ábra A vizsgálatra kijelölt 2.sz. tapadványminta a nagyolvasztó akna alsó részérıl kibontott hőtılapon A

nagyolvasztóból

kibontott

hőtılapokról

eltávolított

tapadványmintákat

az

ISD

DUNAFERR Zrt. Innovációs Igazgatóságon a hőtılap függıleges síkjára merılegesen elvágták (4. melléklet); és tapadványmintánként 2-2 szeletet készítettek belılük. 2.1.2.2. A nagyolvasztó aknájának alsó részébıl kivett tapadványminta kémiai és ásványtani vizsgálata A tapadványminták kémiai elemzését az ISD DUNAFERR Zrt. Anyagvizsgáló és Kalibráló Laboratóriumok Igazgatóságon végezték, míg az ásványfázis-vizsgálatokat a Miskolci Egyetem Ásványtani-Földtani Intézetében. A kémiai vizsgálatokhoz hullámhossz diszperzív röntgenfluoreszcenciás spektrométer (WDXRF) készüléket használtak. A 11Na és a 92U elemtartományban a periódusos rendszer öszszes elemét vizsgálták, amibıl a vizsgálat szempontjából fontosabb elemek kerültek bemutatásra. Az ásványfázis-vizsgálatokat röntgen-pordiffrakciós (XRD) eljárással végezték.

28

Vizsgálatra elıkészített két tapadványminta fotója látható a 17-18. ábrán a léptékek feltüntetésével. A továbbiakban a hőtılap „hidegoldalnak” a hőtılapnak a kohópáncél irányába, míg „melegoldalnak” a nagyolvasztó munkatér irányába mutató oldalát tekintem. Az ábrák mellett található nyilak a tapadványminta hőtılappal közvetlenül érintkezı „melegoldalától” (kék) mutatnak a nagyolvasztó munkatér irányába (piros). A nyilaknak megfelelı irányban – a nagyolvasztó mőködése közben - a tapadványminta különbözı rétegei, részei növekvı hımérsékletértékekkel jellemezhetık.

17. ábra A kémiai vizsgálatra kijelölt 1.sz. tapadványminta metszeti képe a rétegzıdések bejelölésével

29

3

2

1 18. ábra A kémiai vizsgálatra kijelölt 2.sz. tapadványminta metszeti képe a mérıhelyek bejelölésével Az 1-2.sz. tapadványminta kémiai összetételére vonatkozó részletes elemzés az 5-6. mellékletben található. Az 1.sz. tapadványminta (17. ábra) kémiai elemzési adatait megvizsgálva az alábbiak fogalmazhatók meg: - a tapadványmintában anyagrétegzıdések figyelhetık meg (1-6 rétegek), melyek elemzése külön-külön is megtörtént - a rétegenkénti mintákon belül külön elemzésre kerültek a mágnesezhetı és nem mágnesezhetı anyagrészek, ezek átlaga adja a „natúr” sorban található értékeket - az 1-es réteg a hőtılaphoz a legközelebb helyezkedik el, míg a 6-os a nagyolvasztó munkateréhez a legközelebb - az 1-4-es rétegben kevesebb az Fe2O3-tartalom, mint az 5-6-os rétegben, ami azzal magyarázható, hogy az elıbbi rétegeknek több idı állt rendelkezésre a redukcióhoz (hosszabb ideje a hőtılapra tapadtak) - az Al2O3-tartalom jól mutatja azt, hogy az 1-4. rétegek közel azonos idıben, azonos salakösszetétel mellett rakódtak a hőtılap felületére, míg az 5-6. rétegek egy jellemzıen más salakösszetétel mellett, szignifikánsan kisebb Al2O3-tartalom mellett tették ezt, 30

- a különbözı rétegekben a tapadványképzı elemek (ill. vegyületeik) részaránya is megerısíti az elızı pontban említetteket, azaz hogy az 1-4. rétegekben jellemzıen nagyobb a tapadványképzı elemek részaránya, mind az 5-6. rétegekben - amennyiben a tapadványminta 1-4. rétegeit összehasonlítjuk az 5-6. rétegekkel, a fentieken kívül az alábbiak állapíthatók meg: o az 1-4. rétegek közel azonos idıszakban, vagy azonos összetételő ércbetét adagolása esetében alakultak ki, amit fıként a rétegek Al2O3-tartalma bizonyít o az 1-4. rétegek kialakulásakor az ércbetétben nagyobb volt a tapadványképzı elemek részaránya (a nagyolvasztó alkália- és cinkterhelése) o az 1-4. rétegek kialakulásakor a nagyolvasztóban a kohósalak összetétele és hımérséklete kedvezett az alkália-körforgás kialakulásának, azaz ebben az esetben a nagyolvasztó valószínőleg erıteljesen bázikusabb salakkal és magasabb csapolási hımérséklettel üzemelt.

A 2.sz. tapadványminta (18. ábra) esetében a hőtılaptól a nagyolvasztó munkatér irányában 3 db mintavételi hely került kijelölésre (1-3.), amire vonatkozólag részletes kémiai vizsgálat történt. Ezeket megvizsgálva az alábbiak fogalmazhatók meg: - a tapadványmintában

anyagrétegzıdések

nem

figyelhetık

meg,

ugyanakkor

homogénnak sem tekinthetı, szigetszerően változik a kémiai összetétel - az 1-2. mérıhelyek közel azonos összetételőek, magas Fe2O3-tartalommal (>60 %); a tapadványképzı elemek közül a Zn-tartalom a meghatározó (ZnO: kb. 2,0 %) - a 3. mérıhely összetételében a C-tartalom dominál (60,0 %), azaz fıként kokszból áll, a tapadványképzı elemek közül a K-tartalom a jellemzı (K2O: 1,3 %) - állaga

jóval

porózusabb

volt,

könnyebben

tört

összehasonlítva

az

1.sz.

tapadványmintával, ami feltételezhetıen a koksz jelenléte miatt történt.

Az 1-2.sz. tapadványminta ásványfázis-vizsgálatának leírása a 7. mellékletben, a minták részletes elemzési adatai és a vizsgálat során nyert példaértékő ábrák a 8-9. mellékletben találhatók.

31

Az 1.sz. tapadványminta (17. ábra) ásványfázis-vizsgálatának elemzési adatait áttanulmányozva az alábbiak fogalmazhatók meg: - a tapadványmintában anyagrétegzıdések figyelhetık meg, melyek elemzése különkülön is megtörtént - a tapadványképzı elemek fıként az amorf fázisban találhatók, azaz nem rendezıdnek kristályráccsal meghatározható szilárd fázisba - a cink jelentıs része szfalerit (ZnS) formában található; a tapadványrétegek között jellemzı tendencia nem fedezhetı fel - az 1-4. és az 5-6. rétegek közötti különbség ennél a vizsgálati módnál is tetten érhetı elsısorban a merwinit (Ca3Mg (SiO4)2)és a larnit (Ca2SiO4) ill. bredigit (Ca14Mg2(SiO4)8) ásványfázisok esetében -

önálló Fe-részecskék fıként az 5-6. rétegekben fedezhetık fel.

A 2.sz. tapadványminta (18. ábra) ásványfázis-vizsgálatának elemzési adatait áttanulmányozva az alábbiak fogalmazhatók meg: - a tapadványmintában az 1-2. mintavételi hely ásványfázisai hasonlóságot mutatnak egymáshoz, míg a 3. mintavételi hely eredménye teljesen eltérı képet mutat - a tapadványképzı elemek fıként az amorf fázisban találhatók, azaz nem rendezıdnek kristályráccsal meghatározható szilárd fázisba - az Fe az 1. mintavételi helyen wüstit, goethit és cohenit (Fe3C), a 2. mintavételi helyen magnetit és cohenit, míg a 3. mintavételi helyen akaganeit (Fe+3O(OH)) formában találhatók - a karbon részaránya a hőtılap felületétıl a munkatér irányába (1→3. mérıhely) nı. 2.1.2.3. A nagyolvasztó aknájának alsó részébıl kivett tapadványminta szövet- és elemtérképének vizsgálata Annak érdekében, hogy feltárjam a nagyolvasztói tapadványképzı elemek szerepét a tapadványképzési folyamatban, további vizsgálatokat végeztem a kivett tapadványmintákon. Az 1.sz. tapadványmintából a 10. mellékletben látható módon 3 db próbatestet készítettem, melyeken SEM/EDS (Pásztázó elektronmikroszkóp/Energiadiszperzív röntgenspektrométer) vizsgálatot végeztettem. A vizsgálat során BSE (visszaszórt elektron) képeket rögzítettünk, amelyeken

a

szürkeárnyalatok

szerint

több

pontban

EDS

(energiadiszperzív

röntgenspektrométer) mérést végeztünk. A durva szöveti változások esetében elemtérképek készítésével figyeltük meg az egyes kémiai elemek eloszlását az anyag szövetében [36, 37]. 32

A 2.sz. tapadványmintából, annak fizikai állapota miatt, a fent leírt módszer szerint próbatestet nem sikerült kialakítani, így az SEM/EDS módszer szerinti vizsgálatot sem tudtam elvégeztetni.

Az 1.sz. tapadványminta szövetében általánosan három típusú – összetételő szövetet lehet elkülöníteni, melyek ismétlıdnek mindhárom próbatestben: 1. Ca-szilikátos, porózus és fıleg magnezioferrit szemcséket tartalmaz 2. Wüsztites, kompakt és vasszemcséket tartalmaz 3. Ca-ferrátos, porózus, vasszemcséket tartalmaz Ezek a szövettípusok viszont átmeneteket alkotnak, így gyakori az egyes típusok alkotói által vegyesen felépített anyag is. 1. A Ca-szilikátos mátrixban fıként a magnezioferrit szemcsék dominálnak. A magnezioferrit jelentıs, de változó mennyiségben Ca-t és Mn-t tartalmaz, nyomokban Zn és Cr is jelen van. A Ca-szilikátos típusú mátrixban kevés a K-Al-szilikátos összetételő vegyület. A mátrixban jellemzıek voltak a CaO-szemcsék, amelyek kapcsolatba hozhatók a pórusos részekkel. A tág pórusok jelenléte jelentıs karbonát bomlásra utal, a felszabaduló CO2 hólyagokat alkotott az olvadékban. A karbonátbomlás kezdı hımérséklete 850-900 °C, a hımérséklet emelkedésével a képzıdı CO2 nagy parciális nyomással rendelkezik, amely így nem engedte a gázfázisból kondenzálódni a nátriumot és a káliumot. A pórusosságot a CO2-n kívül az eleggyel bejutó egyéb illó anyagok is (hidroxil; fluor és klórtartalmú vegyületek) elısegítik. A Zn részben a magnezioferrit szemcsékben beépülve jelenik meg, de általánosan valamennyi típusú mátrixra elmondható, hogy nagyrészt a szemcsék pereménél dúsul, kisebb arányban jelenik meg a szemcsehatárokon. A Zn-dúsulások helyzetébıl arra következtettem, hogy a Zn elemi formában, a gázfázis összetevıjeként járta át a tapadvány szövetét. A kohézív zónából kilépı, a nagyolvasztó torok része irányába tartó forró gáz áthevítette a magnezioferrit szemcsék felületét, megolvasztva vagy képlékennyé téve az anyagot; ennek következtében beindulhatott egy Zn-tartalmú spinell fázis kristályosodása. A Zn erısen fémes jellegő elem, fıként oxidos állapotban kondenzálódik. A tapadványban jelenlévı szilárd anyagok közül a magnezioferrit (spinell) szerkezető anyagok kristályrácsába könnyedén épül be a Fe-hoz hasonló kémiai tulajdonságaiból adódóan, azt helyettesíti a magnezioferrit rácsában. A mátrix 33

850-900 °C hımérsékleten kellı képlékenységet mutat ahhoz, hogy a Zn atomi formában diffúzió révén beépüljön a kristályrácsba. 2. Fe-oxidos (wüstit) mátrixban az Fe-szemcsék dominálnak. A wüsztites típusú mátrixban kevés a K-Al-szilikátos összetételő anyag. Ahol nagyobb a wüsztit mennyisége, ott kevésbé pórusos a szövet és kevesebb a K-Al-szilikátos amorf anyag jelenléte; ebbıl következik, hogy a porózus szöveten át közlekedı gázfázisból kondenzálódva keletkezett; megfigyelhetı helyenként a Na beépülése is ebbe a szilikát fázisba, de csak kis mennyiségben és nem rendszeresen. 3. A Ca-ferrátos (srebrodolskit) mátrixban is jellemzıek az Fe-szemcsék. Az ilyen típusú mátrixban gyakoriak az amorf Al-Si-K összetételő szilikátos komplexek, amelyek jellemzıen a pórusos területeken helyezkednek el. A fent említett komplex-vegyületek kizárólag a szemcsehatárokon helyezkednek el. Az Al, Si, K és Na kihőlve egymással kombinálódva alkot szilárd anyagot. Amennyiben a [SiO4]4- tetraéderek mint anionok és az Al, K és Na mint anionok megfelelı arányban keverednek egy adott hımérsékleten, úgy beindulhat a kristályosodás. Amennyiben ez nem történik meg, vagy gyors a hőlés (hőtılap hatására), úgy amorf (kristályrács nélküli) anyag alakul ki. A Zn-kel ellentétben egy ilyen anyag kevésbé csapódik ki a magnezioferrit szemcsékre, mivel az Al-tól eltekintve egyik sem kompatibilis (fizikai-kémiai tulajdonságaiból adódóan nem képes beépülni) a kristályráccsal. A mátrixban a CaO-szemcsék jelenléte, a Ca-ferrát (srebrodolskit) kialakulási reackciónak/hımérsékletének a hiányát mutatja; a srebrodolskit 950-1000°C hımérsékleten kristályosodik. Ahol csökken a K-alumoszilikát kitöltések aránya, ott komplex vas-oxid és vegyes szilikát keverékek alakulnak ki a mátrixban. A különbözımátrixok esetén a Na- és a K, valamint a Zn elhelyezkedését a 10. melléklet ábrái mutatják. 2.1.3. A nagyolvasztói falazat hőtési intenzitása változtatásának hatása a nagyolvasztók tapadványképzıdési folyamataira A nagyolvasztókban a leggyakoribb tapadványképzı elemek (Na, K, Zn) - a fizikai tulajdonságukból adódóan - a környezetükben található leghidegebb részen fognak kondenzálódni. Ez a folyamat a nagyolvasztó adott magassági szintjén a falazat ill. a hőtılap közvetlen környezetében a leginkább intenzív. Azaz a hőtılap, falazat hımérsékleti viszonyai alapvetıen befolyásolhatják a tapadványképzıdési, -leválási folyamatokat. Annak érdekében, hogy a nagyolvasztóban lejátszódó tapadványképzıdési folyamatokat részletesen megvizsgálhassam, hıát34

adási modellt (2.1.3.2. fejezet - 20. ábra) dolgoztam ki a nagyolvasztóakna alsó részére vonatkozólag. A nagyolvasztó ezen zónája – a fentebb bemutatott tapadványok kiterjedésénél és méreténél fogva – különösen fontos területnek számít. A hıátadási modellhez szükséges bementi adatokat mérésekkel (11. melléklet) és szakirodalmi adatok felhasználásával határoztam meg. 2.1.3.1. A nagyolvasztó aknájának alsó részén elhelyezkedı hőtılapon mért mérési adatok vizsgálata Megvizsgáltam, hogy milyen hatása van a kiválasztott hőtılap hőtési intenzitására a hőtıvíz mennyiségének megváltoztatása, aminek eredményét a 12. melléklet tartalmazza. A mérés kezdetén a kiinduló hőtıvízmennyiség 144 l/perc volt, amit két lépcsıben egészen 72 l/perc értékre csökkentettem. A vizsgálat célja az volt, hogy megvizsgáljam van-e összefüggés a hőtési intenzitás változtatása és a tapadványképzıdés, -leválás folyamata között. A vizsgálatok 2012. november 23-a és 2013. május 2-a közötti idıszakra terjedtek ki. Ebbıl az idıszakból példaértékőként a 19. ábrán látható mérési eredményeket ábrázoltam. Az ábra konstans (96 l/perc) hőtıvízmennyiség esetén, a vizsgált 10/17-es hőtılaphoz tartozó bemenı és kimenı vízhımérsékleteket, valamint a hőtılap „hidegoldali” hımérsékletértékeket mutatja. 35

90

∆T=2 °C

HLAPBEHOM

∆T=9 °C 80

HLAPKIHOM

30

dTlap

Hőtıvíz-hımérséklet (°C)

60 20

50

15

40 30

10

∆T=4 °C ∆T=6 °C

5

Hőtılap -hımérséklet (°C)

70

HLAPH18M5

25

20

0 2013. 5. 2. 18:30

2013. 5. 2. 6:00

2013. 5. 1. 17:30

2013. 5. 1. 5:00

2013. 4. 30. 16:30

2013. 4. 30. 4:00

2013. 4. 29. 15:30

2013. 4. 29. 3:00

2013. 4. 28. 14:30

2013. 4. 28. 2:00

2013. 4. 27. 13:30

2013. 4. 27. 1:00

2013. 4. 26. 0:00

0

2013. 4. 26. 12:30

10

19. ábra A 10/17-es hőtılap be- és kimenı hőtıvíz-hımérséklet értékei és „hidegoldali” hımérsékletei

35

Az ábra alapján megállapítható, hogy a hőtılap „hidegoldali” hımérsékletének növekedése esetén a vizsgált hőtılapból távozó hőtıvíz hımérsékletének értékei is nınek, és ennek megfelelıen a vizsgált hőtılap betáplálásánál és kivezetésénél mért hımérsékletértékek különbsége is nıni fog 2.1.3.2. A nagyolvasztó aknájának alsó részén elhelyezkedı hőtılap hıátadási folyamatának modellezési rendszere A témával kapcsolatos szakirodalmi hivatkozásokban bemutatott nagyolvasztó akna hőtési modellje helyett [21], egy általam kidolgozott célorientált és megbízhatóbb hőtési modellel (20. ábra és a 13. melléklet) a hıátadási folyamatokkal kapcsolatos számításokat végeztem. A kidolgozott hőtési modell figyelembe veszi a nagyolvasztó munkatér és a tőzálló falazat közötti hıátadási folyamatot, valamint a különbözı tőzálló falazat komponenseket. A modellben lehetıség van a különbözı hıátviteli tényezıvel rendelkezı hőtılapok vizsgálatára is.

Tvki q

Massza

Tőzálló falazat

λ3

Tapadvány

Nagyolvasztó munkatér

α1

λtap

λ2

Tkm Hőtıvíz Hőtılap „hideg” oldal

Ttap

q

k4

T1 A

Ahl T3 T2

q

T4 s3

s2

Tvbe

st Gázáramlás a torok felé

20. ábra A nagyolvasztó hőtési modellje beépített hőtıszerelvény esetén

A hıátadási modellen feltüntetett jelölések értelmezése:

Tkm - a nagyolvasztó munkatér hımérséklete a vizsgált hőtılap környezetében Ttap - a tapadványréteg nagyolvasztó munkatér irányába esı felületi hımérséklete T1 - a samott tőzálló falazatnak a tapadvány irányában esı felületi hımérséklete 36

T2 - a vizsgált hőtılap hőtıbordái között elhelyezkedı massza samott tőzálló falazat irányába esı felületi hımérséklete T3 - a vizsgált hőtılap „melegoldali” hımérséklete T4 - a vizsgált hőtılap „hidegoldali” hımérséklete Tvbe - a vizsgált hőtılapba belépı hőtıvíz hımérséklete Tvki - a vizsgált hőtılapból távozó hőtıvíz hımérséklete S t - a samott tőzálló falazat rétegvastagsága S 2 - a samott tőzálló falazat rétegvastagsága S3 - a samott tőzálló falazat és a vizsgált hőtılap közötti massza rétegvastagsága α1 - a hıátadási tényezı a nagyolvasztó munkaterében λ 2 - a samott tőzálló falazat hıvezetési tényezıje S3 - a samott tőzálló falazat és a vizsgált hőtılap közötti massza rétegvastagsága λ 3 - a samott tőzálló falazat és a vizsgált hőtılap közötti massza hıvezetési tényezıje k 4 - a vizsgált hőtılap hıátviteli tényezıje (konstrukciós alapadat) A hl - a hőtılap felülete q - hıáramsőrőség A hőtési modell alkalmazható teljesen ép falazattal rendelkezı, kopott, és a már teljesen elhasználódott, falazattal nem rendelkezı nagyolvasztók esetére is. A falazaton található tapadványréteg vastagsága a falazatkopás mértékének megfelelıen változhat, melyet a hőtési modell figyelembe vesz. A modell segítségével a nagyolvasztó munkaterébıl a hőtılap felé irányuló hıáramot, a különbözı anyagrétegeken bekövetkezı hımérsékletesést határoztam meg. A 13. mellékletben a hőtési modell felhasználásával olyan elméleti hıtani számítást végeztem a nagyolvasztóra történı „ráfúvás” utáni állandósult állapotra, mely esetben a nagyolvasztó akna alsó falazaton sem kopás, sem tapadvány nem található. A számítás eredménye, hogy sérülésmentes samott tőzálló falazat esetén a hőtılap „hidegoldal” hımérséklete viszonylag alacsony értéket (24,3 °C) vesz fel, míg a hőtılap „melegoldal” is mindössze 62 °Cot. A legnagyobb mértékő hımérsékletesés a nagyolvasztó samott tőzálló falazatán tapasztalható (895 °C) radiális irányban. A számításokat annak érdekében végeztem, hogy összehasonlítási alapom legyen a késıbbiekben elvégzett, különbözı samott falazatvastagsághoz (tapadványréteghez) tartozó hımérsékleti értékkel. A példaértékő számítás eredményeit megerısíti a végeselem-módszert alkalmazó program [27] segítségével végzett hıtechnikai szimuláció is, melynek eredményét a program által készített rétegenkénti hıtérképen és annak jelzett metszetén a hımérséklet lefutási görbében foglaltam össze (21. ábra).

37

T (°C)

Rétegvastagság (m)

Rétegvastagság (m)

21. ábra A nagyolvasztó akna alsó részének hőtési modellszámítása végeselem-módszer segítségével (sértetlen és tapadványmentes samott tőzálló falazat esetén) [27] A fenti ábra a végeselem-módszert alkalmazó program (COMSOL) által készített képeket tartalmazza, így az azokon feltüntetett mértékegységek korlátozottan láthatók. A bal és jobb oldali ábrarészen a hőtési modell x-irányú kiterjedése 0-1 m közötti. A bal oldali ábrarészen az y-irányú kiterjedés 0-1,5 m közötti, míg a jobb oldali ábrarészen a hımérséklet 0-1000 °C közötti értékeket vesz fel. A beépített hőtılap konstrukciós kialakítása (egy hőtıkörös vagy két hőtıkörös), anyagminısége (lemezgrafitos, gömbgrafitos, réz) alapvetıen meghatározza annak hőtési intenzitását. A vizsgált hőtılap gömbgrafitos öntöttvasból készült, egy hőtıkörös kialakítású, melynek szerkezeti felépítését a 14. melléklet tartalmazza. Számításokat végeztem arra vonatkozólag, hogy a samott tőzálló falazat kopásának hatására, a hőtılap felé irányuló hıáram ill. hıáramsőrőség változása, milyen mértékben befolyásolja a hőtılap „hideg”- és „melegoldal” hımérsékletét, melyet a 22. ábra foglal össze.

38

22. ábra A nagyolvasztó akna alsó részének hőtési modellszámítása különbözı samott tőzálló falazat vastagság mellett A peremfeltételek változatlansága (nagyolvasztó-munkatér hımérséklete, a munkatér hıátadási tényezıje (azaz érces betét részaránya, póttüzelıanyag részaránya), stb.) esetén a különbözı hıáramsőrőségekhez – a 22. ábra alapján - más és más tőzálló falazat rétegvastagság értékek tartoznak. A samott tőzálló falazat kopásával csökken a tőzálló falazat hıellenállása és ennek következtében nı a hıáramlás ill. hıáramsőrőség. A különbözı samott tőzálló falazat rétegvastagságoz más és más hıáramsőrőségek tartoznak. A tőzálló falazat teljes elkopása esetén a hőtılap „melegoldal” hımérséklete megközelíti a 600 °C-ot. Ez a hımérsékleti intervallum ideális arra, hogy a nagyolvasztó munkaterében jelenlévı gázhalmazállapotú tapadványképzı elemek (Na, K, Zn) kondenzálódásával a már meglágyult nagyolvasztói salakképzı vegyületek tapadványt alkossanak.

39

2.1.3.3. A nagyolvasztó aknájának alsó részén elhelyezkedı hőtılap hıátadási folyamatának modellezése különbözı hőtıvízmennyiségek esetén A kutatási témám kidolgozásának megkezdésekor megfogalmazott hipotézisem szerint a hőtıvíz mennyiségének megváltoztatásával szabályozható a nagyolvasztói hőtılapon elhelyezkedı tapadványleválási és –képzıdési folyamat. A fentebb bemutatott vizsgálatok eredményeit felhasználva, valamint a vizsgált hőtılapra szerelt mérési rendszer alapján megvizsgáltam azt, hogy különbözı mennyiségő hőtıvíz felhasználása esetén a tapadványképzıdést (a Na, K, Zn kondenzációt) meghatározó hőtılap „melegoldali” hımérsékletek milyen módon változnak. A hőtılap tervezési és gyártási dokumentációiból [23, 24] meghatároztam a különbözı hőtıvíz-mennyiségekhez (térfogatáramokhoz) tartozó hőtılap hıátadási tényezıket. A 12. melléklet alapján jól látható, hogy a hőtılap hıátadási tényezıje a különbözı jellemzı hőtıvízmenynyiségek (térfogatáramok) esetén nagyon kismértékben változik. Lényegében ez a tényezı 62,00 ± 0,50;

W érték között mozog. Annak érdekében, hogy a hőtıvíz-térfogatáramok m 2 °C

hatását érzékeltessem a hőtılap „meleg-” és „hidegoldalának” hımérsékleteire számításokat végeztem a 12-13. melléklet adatainak felhasználásával. A számítások eredményét a 23. ábra szemlélteti.

23. ábra A nagyolvasztó akna alsó részének hőtési modellel számított hőtılap „meleg”- és „hidegoldal” hımérsékleti értékek különbözı hıáramsőrőségek és hőtıvíztérfogatáramok mellett 40

A vizsgálati idıszakban legjellemzıbb 3 különbözı mértékő hőtıvíz-térfogatáramra (72,0 l/perc, 96 l/perc, 144 l/perc) készítettem modellszámítást. Az ábrából egyértelmően látható, hogy azonos hıáramsőrőségek mellett, sem a hőtılapok „meleg”-, sem a „hidegoldalán” jelentıs mértékő hımérséklet eltérések nem mutatkoznak eltérı hőtıvíz-térfogatáramok esetén. Ugyanakkor a hőtıvíz-térfogatáram növekedésével – azonos hıáramsőrőség esetén – a hőtıvíz kilépı és belépı hımérséklete közötti különbség kismértékben csökken. A fentiekbıl az a következtetés vonható le, hogy a hőtıvíz-térfogatáram változtatása csupán kismértékben befolyásolja a hőtılapok „hideg”- és „melegoldalának” hımérsékletét. A falazaton, (hőtılapon) bekövetkezı tapadványképzıdési folyamatot - többek között - a hőtılap „melegoldal” hımérsékleti viszonyai határozzák meg. Mivel a fentiekbıl következıen a hőtıvíz mennyiségének szabályozásával csupán kismértékő változást tudunk elérni a hőtılap „melegoldalának” hımérsékletében, így szükséges megvizsgálni mindazon befolyásoló paramétereket, melyek célszerő módosításával a nagyolvasztói járatparaméterek optimalizálhatók.

41

3. A tapadványok nagyságának és térbeli elhelyezkedésének hatása a gázáram-eloszlásra és -sebességre, valamint a gáz hıtani, illetve metallurgiai kihasználására 3.1. A tapadványképzıdés és a gázkihasználás összefüggésének elméleti alapja és térbeli tartománya A nagyolvasztó falazatának belsı oldalán kialakult - különbözı mérető, nagyságú, morfológiájú és darabszámú - tapadványoknak a kohójárat egyenletességét gátló, valamint különbözı üzemzavarokat (anyagoszlop-megakadás, zuhanás, medencelehőlés, stb.) gerjesztı hatása mellett feltételezhetı, hogy befolyást gyakorol a gáz/anyagoszlop hıátadási, valamint a vasoxid redukciós folyamatainak hatékonyságára, azaz az áramló gáz hıtani és metallurgiai kihasználásának mértékére. A gázkihasználásra gyakorolt hatás feltételezése a gázáram jellemzıinek, a tapadvány(ok) méreteinek az akna tartományában bekövetkezı módosulásain alapulhat (a különbözı tapadványok a gázpermeabilítást kismértékben módosító ezirányú hatásától eltekintve). 3.1.1. A kapcsolatrendszer elméleti alapja A gravitációhatás figyelmen kívül hagyásával, konstans gázsőrőség feltételezésével specializált formátumú Bernoulli-egyenlet szerint: p2 +

1 ⋅ ρ ⋅ v 2 = p1 (=konstans nyomás), 2

melyben p1 és p2 az eredeti és módosult gáznyomás (sztatikai nyomás), ρ a gázsőrőség, v pedig a gáz sebessége. A képletbıl következik, hogy az áramlási útvonal azon szakaszán, ahol kisebb a nyomás, ott nagyobb a sebesség és viszont. Az aknafalon képzıdött tapadvány a gázáramot tehát lényegében a Venturi-csı elvének megfelelıen mőködteti, azaz az eredeti Bernoulli-képletbıl levezethetıen, a kiinduló gázáramsebesség (v1) és áramlási keresztmetszet (q1) szorzata egyenlı a szőkített keresztmetszet (q2) és az ott kialakult gázáramsebesség (v2) szorzatával, vagyis

q 1 ⋅ v1 = q 2 ⋅ v 2

42

Ebbıl következik, hogy

v2 =

q1 ⋅ v1 , q2

azaz a tapadványkialakulás tartományában leszőkült áramlási keresztmetszet magasságának térségében a gázáramsebesség, az eredeti és a leszőkült áramlási keresztmetszet hányadosával növelt mértékben nagyobb lesz. Minthogy a hıátadás és a vasoxid-redukció folyamatához rendelkezésre álló idıtartam a gázsebesség növekedése révén a tapadványt hordozó magassági tartományban csökken, így reálisan feltételezhetı, hogy a gázkihasználás mértéke ott a tapadvány vertikális és horizontális kiterjedésének függvényében csökken, ami a radiális gázminta és a torokgázminta elemzésének eredményében megjelenik. 3.1.2. A tapadványréteg kialakulásának leggyakoribb magassági tartományának megjelölése A kohói hőtıvízzel történı hıelvonás mértékének meghatározására 2011. március 29-30-án méréssorozatra került sor. A mérés és a kapcsolódó eredmények a 15-17. mellékletben találhatóak. A mérési adatok jobb áttekinthetısége érdekében ábrázoltam a hőtıvízzel történı hıelvonást, hőtılapsoronként (24. ábra). A mért hőtıvíz-hımérséklet értékek alapján kijelenthetı, hogy a kohó medence részében a hıelvonás egyenletes mértékő, ami nem utal helyi jelentısebb tőzállóanyag-kopásra. Az ábrázolt görbében a fúvósík magasságában látható folytonossági hiány oka, hogy ott nem került ábrázolásra a fúvószerelvények (fúvókeret, -szekrény, -forma) hőtése során a hőtıvízzel távozó hımennyiség. Ennek értéke egy nagyságrenddel haladja meg a hőtılapokon mért hıkiadási tételeket.

43

(m)

Hőtıvíz által elvitt hımennyiség (2011.március) (GJ/h) 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0 2,5 (GJ/h)

3,0

3,5

4,0

4,5

24. ábra A hőtıvízzel elvont hımennyiség mértéke a nagyolvasztó magassága mentén (2011. március) A nagyolvasztó nyugvó részének hőtılapjai a medencében elhelyezett hőtılapokon mért hőtıvízzel elvitt hımennyiségekkel hasonló értékeket mutatnak. Ennek oka abban keresendı, hogy a lágyulási-olvadási folyamatokat magába foglaló kohézív zóna lábazata a kohó ezen részén nyugszik. Ennek viszonylagos állandósága miatt a tapadványréteg változása jóval kisebb mértékő, mint a fölötte lévı magassági szinteken. A nyugvóra tapadt lábazat csökkenti a felfelé áramló redukáló gáz falazatnak - és így hőtıvíznek - átadott hımennyiségét [18]. A kohóakna alsó részétıl jelentısen nı a hőtéssel „elszállított” hımennyiség, ami azt jelzi, hogy a gázok a kohézív zóna kokszablakain keresztül a nagyolvasztó szilárd halmazállapotú anyagokat tartalmazó térfogatrészébe kerültek. Az itt rétegesen elhelyezkedı koksz- és érczónákon át haladva a redukáló gáz fizikai- és kémiai energiájának egy részét átadja a vele ellenáramban haladó betétnek. A betétben lévı koksz és érc radiális elhelyezkedésétıl függıen a 44

gázok áramlása eltérhet egymástól. Azaz a nagyolvasztó akna alsó részétıl (16,0 m) kezdve a torok magassági szintig beszélhetünk olyan klasszikus tapadványokról, melyek szilárd állapotú elegyalkotókból jöttek létre. A kohézív zóna (nyugvó) és az alatta lévı térfogatrészek (medence) tapadványképzıdési mechanizmusa nagy valószínőséggel eltérı módon valósul meg, mint a nagyolvasztó e fölötti magassági zónáiban. A fentebb bemutatott hőtıvízzel elvont hımennyiség-mérések megerısítettek abban, hogy a gázáramlást relevánsan befolyásoló tapadványok a nagyolvasztó akna alsó magassági szintjétıl kezdve a torok szintjéig alakulnak ki. (Jelen értekezésben – a téma nagysága és a kutatási témám eltérı volta miatt - a kohézív zóna salaktulajdonságainak megváltozásából eredı gázáramlási problémától eltekintek, mely elsısorban a nyugvósalak összetételére vezethetı viszsza.) A nagyolvasztó egyenletes járata csak úgy valósulhat meg, ha mind a szilárd, mind pedig az olvadékzónában megfelelı mértékő a gázáramlás. Mint, ahogy korábban említettem, az olvadékzóna vizsgálatától eltekintek, azt a gázáramlás szempontjából megfelelınek tételezem fel. A szilárd zónában a megfelelı mértékő és eloszlású gázáramlást leginkább a gázpermeabilitás és a gázkihasználás paraméterek mutatják. Ezen jellemzık segítségével olyan idıszakokat választottam ki, amelyek jónak (megfelelı gázkihasználás és gáz-permeabilitás) és amelyek rossznak (csekély gáz-permeabilitás és kismértékő gázkihasználás) tekinthetı. Gázáramlási szempontból „kedvezınek” minısítettem azt az idıszakokat (2012.09.07-17.), ahol: -

az adott idıszakra vonatkozó gázkihasználás átlagos értéke > 42 %,

-

az adott idıszakra vonatkozó gáz-permeabilitás átlagos értéke >0,85.

Míg „kedvezıtlennek” tekintettem azt a periódust (2012.10.13-23.), ahol -

az adott idıszakra vonatkozó gázkihasználás átlagos értéke < 38 %,

-

az adott idıszakra vonatkozó gáz-permeabilitás átlagos értéke <0,75.

A vizsgálandó idıszakok kijelölése annak a célnak a szem elıtt tartásával történt, hogy -

lehetıség szerint a legtöbb adat álljon rendelkezésre

-

a kohóállások száma minimális legyen (a berendezés leállítása és felfuttatása közben a vizsgált paraméterek nagymértékben eltérhetnek a normál üzemviteli körülmények között megszokottól)

-

minél nagyobb legyen a két idıszakot jellemzı paraméterek, adott idıszakra vonatkozó átlagos értékei közötti differencia a jó összehasonlíthatóság érdekében

45

-

az elegyösszetételt meghatározó fı elegyalkotók mindkét idıszakban megközelítıleg azonosak legyenek (60 % zsugorítvány és 40 % pellet)

-

a beadagolt elegy radiális irányú pozíciója, azaz a mozgatható torokpáncél pozíciója nagymértékben ne változzon (Koksz: 5 pozíció; É: 3 pozíció).

Mindezen szempontok szem elıtt tartásával mindkét idıszakra vonatkozólag 11 napos periódust választottam ki. Az adatok 1 órás átlagadatokként kerültek kigyőjtésre a vizsgált nagyolvasztó adatbázisrendszerébıl. A „gázáramlás szempontjából kedvezı idıszak” adatainak száma paraméterenként 265 db, míg a „gázáramlás szempontjából kedvezıtlen idıszak” esetében ez a szám 254 db. A 25. ábrán a vizsgált idıszakban a két jellemzı járatparaméter változása figyelhetı meg. A kiválasztott két idıszak külön kiemelésre került annak érdekében, hogy érzékelhetıvé váljon a két periódus közötti különbség, mind a paraméterek abszolút értékét tekintve, mind pedig a szórásukra vonatkozólag. Jól látható, és így egyértelmően megállapítható, hogy az anyagoszlop gáz-permeabilitásának növekedése csak ritkán vonja maga után a CO-kihasználás növekedését, feltehetıen a gázáramsebesség megnövekedése, azaz a tartózkodási idı csökkenésének következtében, mindkét vizsgált idıszakban. Úgy látszik, hogy a vizsgált két értéktartományban a tartózkodási idı hatása kedvezıbb a CO-kihasználásra, mint az anyagoszlop gázáteresztı képessége. Ennek megfelelıen a továbbiakban kizárólag a CO-kihasználást fogom felhasználni, mint a gázáramlást jellemzı releváns paramétert. A gáz-permeabilítás meghatározása az alábbi képlettel történik [38], Pe =

1, 7 V fsz

p 2fsz − pt2

(3.1)

ahol, Pe - gáz-permeabilítás

p 2f - forrószélnyomás négyzete pt2 - torokgáznyomás négyzete 1, 7 V fsz - forrószélmennyiség 1,7-dik hatványa.

46

25. ábra A vizsgált idıszak gázkihasználásának és gáz-permeabilitásának változása az idı függvényében A kiválasztott idıszakokhoz az említett két járatparaméteren kívül további mérési adatokat is felhasználtam, melyek a következık (a zárójelbe tett számok a nagyolvasztó alapozásától mért magasság értékeket jelölik): -

hőtılap-hımérsékletek (17,9 m) (18. melléklet)

-

falazat-hımérsékletek (16,0 m; 17,6 m; 20,8 m; 24,0 m; 27,3 m; 31,0 m) (18. melléklet)

-

elegy feletti hımérsékleti értékek (1-8.sz. pozíciók („bal oldali”mérıhely)) (19. melléklet)

-

hidegszélnyomás

-

hidegszélmennyiség

-

torokgáznyomás

-

torokgáz-összetétel.

3.2. A nagyolvasztó különbözı gázáramlási idıszakainak vizsgálata a falazat- és hőtılap-hımérsékletek alapján Megvizsgáltam a fent említett gázáramlás szempontjából két különbözı idıszak falazat- és hőtılap-hımérséklet

adatait,

annak

érdekében,

hogy

a

mért

értékek

alapján

a

tapadványképzıdés és –leválás folyamatának ciklusait, dinamikáját feltárjam, ill. a két idıszak releváns eltéréseit megmutassam.

47

A könnyebb összehasonlíthatóság érdekében táblázatos formában mutatom be a két idıszak falazat- és hőtılap-hımérsékleteinek átlagait és szórását (4. táblázat). 1

2

3

4

5

6

Mérési hely Kedvezı

Hőtılap 17,9 m Falazat 16,0 m Falazat 17,6 m Falazat 20,8 m Falazat 24,0 m Falazat 27,3 m Falazat 31,0

Átlag Szórás Átlag Szórás Átlag Szórás Átlag Szórás Átlag Szórás Átlag Szórás Átlag Szórás

Kedvezıtlen Kedvezı Kedvezıtlen Kedvezı Kedvezıtlen Kedvezı Kedvezıtlen Kedvezı Kedvezıtlen Kedvezı Kedvezıtlen

121,2 44,5 65,5 36,9 138,8 62,2 132,4 41,1 111,5 56,7 196,0 81,0

72,1 7,9 34,6 3,4 71,1 25,8 158,1 98,6 133,6 112,5 177,6 113,7

50,5 15,6

25,8 1,6

72,6 29,2 54,6 7,8 124,9 25,7 40,6 5,2

33,2 3,9 39,4 9,5 55,5 36,3 48,4 21,6

52,6 15,8 152,1 88,1

87,9 28,9 162,9 74,1

27,4 1,1 44,6 3,5

78,0 19,2 311,5 140,3

45,8 17,4 85,7 22,8 118,2 61,9 93,0 36,3 126,9 30,3 182,9 99,5 140,5 40,3

24,5 1,0 55,2 9,4 83,3 53,4 43,3 10,3 66,0 54,3 124,9 101,2 230,8 79,6

36,5 6,8

24,3 2,1

44,0 16,1

26,3 0,8

62,5 24,1

31,3 4,4

164,7 37,3 46,9 13,8 165,3 72,5

57,1 15,7 32,4 5,4 122,7 46,3

58,5 16,1 143,9 64,5 124,6 45,2 37,5 4,0 54,4 12,2

36,7 3,5 49,1 11,5 59,7 31,0 49,0 12,2 58,0 17,0

4. táblázat A „kedvezı gázáramlási idıszak” és a „kedvezıtlen gázáramlási idıszak” hőtılap- és falazat-hımérsékletek átlagos értékei és azok szórása A fenti táblázat áttanulmányozása alapján látható, hogy a „kedvezı gázáramlási idıszak” átlagos falazat- és hőtılap-hımérsékletek a nagyolvasztó akna alsó részén (16,0-17,9 m-ig) és az akna középsı részén (20,8 m) egyértelmően magasabb értékeket mutatnak. A nagyolvasztó magasabb részén (24,0 m; 27,3 m; 31,0 m) a falazat-hımérsékletek jóval kiegyensúlyozottabbak a két idıszak összehasonlításában, ugyanakkor az szembetőnı, hogy a falazathımérséklet-szórás értékei jelentısen nagyobbak a gázáramlási szempontból „kedvezıtlen idıszakban”. A nagyolvasztó 31,0 m-es szintjén a „kedvezıtlen gázáramlási idıszakban” mind a falazathımérsékleti értékek, mind ezek szórása átlagosan nagyobb, mint a „kedvezı gázáramlási idıszakban”. 3.2.1. A nagyolvasztó „kedvezı gázáramlási idıszakának” vizsgálata a falazat- és hőtılaphımérsékletek alapján A nagyolvasztó „gázáramlási szempontból kedvezı”, választott idıszaka 2012. szeptember 717-ig tart. Ezen idıszakra vonatkozólag elkészítettem a különbözı magassági szinthez tartozó falazat- és hőtılap-hımérsékleti diagramokat, melyek a 20. mellékletben találhatók. Példaként a nagyolvasztó 17,6 m-es magassági szintjéhez tartozó, leginkább jellemzı falazathımérsékleti értékekkel (1-6. pozíció) kívánom érzékeltetni a nagyolvasztó, adott idıszakhoz tartozó falazat-hımérsékletének változását ill. ennek megfelelıen a tapadványleválási, valamint -képzıdési aktivitást (26. ábra).

48

26. ábra A vizsgált nagyolvasztó 17,6 m-es magassági szintjéhez tartozó falazathımérsékleti értékek (2012. szeptember 7-17.) Az adott idıszakban a gázkihasználás, valamint a különbözı magassági szintekhez tartozó falazat- és hőtılap-hımérsékletek ábrázolását követıen az alábbi megállapítások tehetık (lásd a 20. mellékletet is): -

a gázkihasználási értékek viszonylag szők sávban (40-47 %) helyezkednek el, és megfelelı mértékő gázkihasználásra utalnak

-

a 16,0 m és 17,6 m-es falazat-hımérsékletek 2012. szeptember 11-ig kis értékeket vesznek fel, majd ezt követıen jelentısen nınek, miközben a szórásuk is megnı

-

a nagyolvasztó magasabban elhelyezkedı szintjein (20,8 m; 24,0 m; 27,3 m) a falazathımérséklet értékei a vizsgálati idıszak kezdetétıl egészen 2012. szeptember 10-ig csökkenı hımérsékleteket mutatnak, majd ezt követıen értékük és szórásuk jelentısen megnı

-

a nagyolvasztó falazathımérséklet-mérıvel ellátott legmagasabb pontján (31,0 m) a hıelemek a vizsgálati idıszak kezdetétıl egészen a végéig folyamatos hımérsékletesést mutatnak

-

a hőtılap-hımérsékletek lényegében kisebb hımérsékletek mellett követik az azonos magassági szinten elhelyezkedı falazat-hımérsékleti értékeket (16,0 m és 17,6 m).

49

A falazat-hımérsékletek változásait mutató adatok csak az 5. és 6. mérıhely környezetében utalnak tapadvány folyamatos jelenlétére, míg a „legtisztább” falazatot a 4. mérıhely tartományában jelölik meg. A vonatkozó ábrák világos képet mutatnak a tapadványképzıdés és leválás folyamatának kisebb-nagyobb mértékő gyakoriságáról, valamint sebességérıl. A tapadványt megtartó, legstabilabb pozíciót a 6. mérıhely, míg a leggyakoribb (kismértékő képzıdés és gyors leválás) változásokat a 4. mérıhely mutatja (26. ábra). A „kedvezı gázáramlási idıszak” összességében számottevıen kisebb tapadványterhelést mutat, mint a következıkben tanulmányozott „kedvezıtlen gázáramlási idıszak”. 3.2.2. A nagyolvasztó „kedvezıtlen gázáramlási idıszakának” vizsgálata a falazat- és hőtılap-hımérsékletek alapján A nagyolvasztó „kedvezıtlen gázáramlási idıszakának” a 2012. október 13-23. közötti idıtartományt jelöltem ki. Ezen idıszakra vonatkozólag elkészítettem a különbözı magassági szinthez tartozó falazat- és hőtılap-hımérsékleti diagramokat, melyek a 21. mellékletbe találhatók. Példaként – hasonlóan a 3.2.1. pontban foglaltakhoz - a nagyolvasztó 17,6 m-es magassági szintjéhez tartozó falazat-hımérsékleti értékeket mutatom be (27. ábra).

27. ábra A vizsgált nagyolvasztó 17,6 m-es magassági szintjéhez tartozó falazathımérséklet értékek (2012. október 13-23.) 50

A vizsgált idıszakban a gázkihasználás, valamint a különbözı magassági szintekhez tartozó falazat- és hőtılap-hımérsékletek ábrázolását követıen az alábbi megállapítások tehetık: -

a gázkihasználási értékek széles sávban (28-42 %) helyezkednek el, mértékük pedig egyértelmően elégtelen gázkihasználásra utalnak

-

a 16,0 m, a 17,6 m és a 20,8 m-en a falazat-hımérsékletek jellemzıen 100 °C-nál kisebbek és csupán kismértékő ingadozást mutatnak

-

a nagyolvasztó 24,0 m-es magassági szintjén a falazat-hımérsékleti értékek a vizsgálati idıszak kezdetétıl egészen 2012. október 15-ig csökkenı hımérsékleteket mutatnak, majd ezt követıen értékük és szórásuk jelentısen megnı

-

a nagyolvasztó 27,3 m-es magassági szintjén a falazat-hımérsékletet mérı hıelemek közül 2 db a vizsgálati idıszak kezdetétıl egészen 2012. október 16-ig nagy hımérsékletértékeket és szórást mutatnak, majd ezt követıen valamennyi hıelem által szolgáltatott hımérséklet 100 °C alá csökken, szórásuk pedig mérséklıdik

-

a nagyolvasztó 31,0 m-én a vizsgálati periódus kezdetén mért alacsony (<100 °C) hımérsékletek növekedésnek indultak és sok esetben meghaladták a 300 °C-ot is

-

a hőtılap-hımérsékletek jellemzıen 70 °C alatti értékeket mutatnak, szórásuk elhanyagolható mértékő.

A 27. ábra (és a 21. melléklet vonatkozó ábráinak) tanulmányozása alapján megállapítható, hogy a 4. mérıhely környezetének kivételével, a nagyolvasztó falazata, a kerület minden részén tapadványt visel, amihez képest csak a 24 m magassági szint felett mutatkozik eltérés. A viszonylag kisebb tapadványképzıdésre a 4. és az 5. mérıhely utal, de összességében lényegesen nagyobb az idıszak tapadványterhelése, mint a „kedvezı gázáramlási idıszaké”. Mindkét idıszak eredményei arról tanúskodnak, hogy a magasabb aknatartományokban a tapadványképzıdés mértéke kisebb. 3.3. A nagyolvasztói falazat- és hőtılap-hımérsékleteinek, illetve tapadványainak hatása a CO-kihasználásra A kialakított adatbázisok felhasználásával statisztikai vizsgálatot végeztem mindkét kiválasztott idıszakra annak érdekében, hogy megállapítsam, milyen összefüggés van a tapadványok és azok méretének hatására (is) kialakuló falazat- és hőtılap-hımérsékletek és a gázkihasználás között, gyakorlatilag konstans falazathőtési hőtıvíz-térfogatáram esetén.

51

3.3.1. A nagyolvasztó falazat- és hőtılap-hımérsékleteinek illetve tapadványainak hatása a CO-kihasználásra 3.3.1.1. A gázkihasználás mértékének alakulása az akna-alsórész hımérsékleteinek függvényében Mint ahogy korábban láttuk a 4. táblázatban, a nagyolvasztó akna alsó részének (16,0-20,8 m-ig) átlagos falazat- és hőtılap-hımérsékletei markánsan különböznek egymástól a vizsgált két idıszakban. A kapcsolatrendszer feltárása érdekében a nagyolvasztó mindkét vizsgált idıszakának gázkihasználási adatait (1 órás átlagértékek) együttesen ábrázoltam az alsó aknarész falazat-hımérsékleteinek függvényében a 28. ábrán. 50,0

y = 7,5805ln(x) + 9,3861

y = 6,8401ln(x) + 9,8147

r=0,67

r=0,71

Gázkihasználás (%)

45,0 40,0 y = 5,1061ln(x) + 18,184

r=0,58

35,0 30,0

r=0,76 y = 7,0821ln(x) + 9,7821

Kummulatív regressziós görbe egyenete

25,0 0,0

50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 Akna-alsórész falazat-hőmérsékletek (°C) (16,0 m; 17,6 m; 20,8 m)

28. ábra Az akna-alsórész falazat-hımérsékletek és a gázkihasználás kapcsolata

Az akna felsı zónáira (≈24, ≈27, ≈31 m) jellemzı falazat-hımérsékletek viszonylag konstans értékei tapadványképzıdési és -leválási folyamatokra nem utalnak. Tapadványképzıdés szempontjából a kohézív zóna szolidusz hımérsékleteinek helyét jelzı „harangfelület”, illetıleg függıleges metszetében a „haranggörbe” magassága által meghatározott aknaalsó-tartomány rendelkezik kiemelkedı jelentıséggel. A vonatkozó nyomásviszonyok arra utalnak, hogy ennek - az idıben kismértékben változó kiterjedéső - tartománynak a magasságában helyezkednek el a ≈16, ≈18 és ≈21 m-es magasságok kerületein mőködı mérıhelyek.

52

A nyugvó tartomány felsı szintje, ami gyakorlatilag egybeesik a kohézív zóna lábazatának a szolidusz hımérsékletet jelzı felsı határfelületével, - az 1. ábra alapján - a 15,45 m-es magasságban helyezkedik el. A nagyolvasztó akna alsó részének három különbözı magassági szintjére vonatkozó mérési adatok felhasználásával végzett regresszióanalízis eredményeként a 28. ábrán megjelenített három regressziós görbe, illetve azok korrelációs együtthatói, a vizsgált két adott változó között fennálló sztochasztikus függvénykapcsolatot, illetve ezen kapcsolatok erısségét jellemzik. Az ábrán bemutatott összefüggések egyértelmő tájékoztatást adnak az akna alsó részének falazat-hımérsékletei és a gázkihasználás mértékének változása között, az általam feltárt kapcsolatrendszer eredményeként. A gáz CO-tartalmával lejátszódó indirekt vasoxid-redukció legkedvezıbb hımérséklettartományát (850-950 °C) magába foglaló három mérési zóna (16,0; 17,6 és 20,8 m) 4,8 m magas aknatartományára vonatkoztatott mérési adatok regressziós analízisének eredményeként az alábbi matematikai formulák születtek: 16,0 m-es magasságra vonatkozólag y = 6,8401 ⋅ ln x + 9,8147

r = 0,71

(3.2)

17,6 m-es magasságra vonatkozólag y = 7,5805 ⋅ ln x + 9,3861

r = 0,67

(3.3)

20,8 m-es magasságra vonatkozólag y = 5,1061 ⋅ ln x + 18,184

r = 0,58

(3.4)

ahol y a gáz CO-kihasználása (η CO =

CO 2 ⋅ 100) , térfogat %-ban, a CO és CO2 pedig a CO + CO 2

torokgáz alkotói, térfogat %-ban kifejezve, x az akna-alsórész falazat-hımérsékletei, °C-ban. A matematikai összefüggések, illetve az azokat megjelenítı regressziós görbék láthatóan jól harmonizálnak, és a folyamatra ható más tényezık (a hidegszélnyomás, a koksz reakcióképessége, az érc redukálhatósága, a primersalak-képzıdés, az elegyalkotók és a koksz elrendezıdése, stb.) közremőködésének szem elıtt tartásával, jónak mondható korrelációs együtthatók is a sztochasztikus kapcsolat erısségét tanúsítják. Az is egyértelmő, hogy a középsı (17,6 m-es) magassági zóna eredményei mutatják a viszonylagosan legnagyobb hatást a torokgázban mért CO- és CO2-tartalom, azaz a gázkihasználás alakulására, utalva ezzel nagy valószínőséggel arra, hogy ebben a zónában uralkodik a CO-os redukció legkedvezıbb hımérséklete (≈900 °C). Az akna térségében süllyedı anyagáram irányába haladva látható, hogy egyre mélyebb (20,8; 17,6; 16,0 m) aknamagasságok mérési szintjeire vonatkozó függvénykapcsolat erıssége (r) fokozatosan növekszik (0,58; 0,67; 0,71), arról tanúskodva, hogy az akna alsó tartományaiban

53

a tapadvány(ok) kialakulásának hatása a gázkihasználásra egyértelmőbb, mint a felsıbb zónákban. Az akna-alsórész bemutatott három meghatározó magassági szintjének falazathımérsékletátlagértékei mutatják a legerısebb korrelációs kapcsolatot (r=0,76) a gázkihasználással, mutatva azt, hogy mindhárom szint együttes kumulatív hatása egyértelmőbben befolyásolja a gázkihasználás mértékét. Ennek a megállapításnak alapja és oka minden bizonnyal a gázáramlási viszonyoknak, az akna alsó térségében kialakult speciális módozatában rejlik. Ugyanis az akna egyre mélyülı tartományában – a kohézív zóna megjelenésének következtében – a felsı (szilárd) zónákban még kör keresztmetszető áramlási felülete, egyre kisebb szélességő körgyőrővé válva, lecsökkent áramlási felületet hoz létre. Következésképpen valamely adott és azonos nagyságú tapadvány a leszőkült áramlási keresztmetszetnek nagyobb hányadát zárja el és ennek arányában megnövekedett gázsebességet, s így kisebb tartózkodási idıt generálva, a gázkihasználás csökkentésére határozottabb hatást fejt ki. A gázkihasználás értékei - mivel a torokgázelemzés eredményeire épülnek - természetesen magukban hordozzák a különbözı magassági zónákban esetlegesen képzıdött tapadványok arra gyakorolt hatásainak összességét. A ≈16, ≈18 és ≈21 m-es zónák mérési eredményeinek elkülönített vizsgálata, ezért csak kiegészítı jellegő és csupán a sztochasztikus kapcsolatok erısségének (korrelációs együtthatók) kialakításában tanúsított szerepük viszonylagos mértékének feltárását szolgálja. A kapott eredmények - mérési zónáktól elkülönített - összevont értékelése révén meghatározott kumulatív regressziós görbe matematikai egyenletét az alábbi formula adja: y = 7,0821 ⋅ ln x + 9,7821

r = 0,76

(3.5)

mely függvényt a 28. ábra szintén megjeleníti.(Az x és y jelentései azonosak a zónákra vonatkoztatott egyenletekével). A kumulatív görbe láthatóan jól általánosítja az egyes mérési síkokra vonatkozó eredményeket, viszonylag jó korrelációs együtthatót produkálva. Ugyanakkor a 60-80 °C-os hımérséklettartományban - amely egyfajta választóvonalnak tekinthetı a tapadvánnyal terhelt, illetve a tapadványmentes falazat között - a 17,6 m-es magasságban mért eredményeket hordozó összefüggés és annak regressziós görbéje tanúsítja a legreálisabb kölcsönhatást, amint azt a 28. ábra egyértelmően mutatja. Ezért és a megjelölt magassági zónában rendelkezésre álló hőtılap-hımérsékleti mérési lehetıségek eredményeinek felhasználhatósága miatt a továbbiakban a 17,6 m ill. a 17,9 m-es zóna képezi a vizsgált tartományt.

54

A 28. ábrán feltőnik, hogy a gázkihasználás változását az aknahımérsékletek módosulásának függvényében bemutató pontsereg mezıje ≈80 °C-os falazat-hımérsékletekig, csekély mértékben növekvı falazat-hımérsékletekre is ugrásszerően emelkedik, minthogy - a 30. ábra tanúsága szerint - ebben a ≈80 °C-ig növekvı hımérséklet-tartományban csökken a tapadványréteg vastagsága a legnagyobb intenzitással. A tapadványréteg megszőnése, vagy hiánya esetén a gázkihasználás gyakorlatilag beáll az arra ható ismert tényezık által meghatározott értéksávba. Azaz a pontsereg mezıje a falazat-hımérséklet további növekedésétıl csaknem függetlenné válik, s így az ábrázolásban gyakorlatilag közel vízszintes marad. A pontsereg mezısávjának 60-80 °C-on bekövetkezı, közel 90 °-os törését a regressziós görbék nem követ(het)ik tökéletesen. Megállapítható tehát, hogy ≈ 80 °C-nál nagyobb falazat-hımérsékletnél, annak növekedése gyakorlatilag már nincs számottevı összefüggésben a gázkihasználással, minthogy az arra ható tapadvány jelenléte már csekély, amint arra a következıkben a 30. ábra utal. Lényegében az ehhez a hımérséklethez tartozó tapadványréteget nevezhetjük a falazat védırétegének. 3.3.1.2. Falazat-hımérsékletek, hőtılap-hımérsékletek és a tapadvány rétegvastagságának kapcsolatrendszere Annak érdekében, hogy a tapadványképzıdés, vagy a tapadványleválás folyamata viszonylag egyszerően mérhetı paraméterértékek változásának nyomon követésével megfigyelhetı legyen, az elızıekben bemutatott hıátadási modellt, valamint a 28. ábra szerint legreálisabb kölcsönhatását tanúsító 17,6 magassági szint hőtılapjainak „hidegoldali”, mért hımérséklet értékeit vizsgáltam. Ezek alapján a tapadványnak, a „hidegoldali” hőtılap-hımérsékletek függvényében mutatkozó vastagságát meghatározó, alábbi regressziós összefüggést állítottam fel (részletek az 5.3.1. fejezetben, ill. a 47. ábrán): y = 7633,3 ⋅ e −0,1204⋅ x

r = 0,90

(3.6)

A kedvezı korrelációs együtthatóval rendelkezı összefüggésben az y a tapadvány vastagsága mm-ben, az x a hőtılap „hidegoldali” hımérséklete °C-ban.

55

29. ábra Az akna-alsórész (≈18 m) falazat- és hőtılap-hımérsékletek közötti kapcsolat Minthogy a hőtılap(ok) „hidegoldali” hımérsékletei (x), és az azonos szinten (17,9 és 17,6 m) mért falazat-hımérsékletek (y), között meghatározott, és a 29. ábrán szemléltetett, valamint az y = 1,3181 ⋅ x1, 0514

r = 0,88

(3.7)

képlettel kifejezett összefüggés igen szoros, természetes, hogy a tapadványréteg vastagságát, a falazat-hımérsékletek függvényében meghatározó y = 4 ⋅ 10 7 ⋅ x −3, 246

r = 0,86

(3.8)

egyenlet is erıs kapcsolatot tanúsít az y (mm) és az x (°C) értékei között, amint azt a 30. áb-

rában feldolgozott mérési eredmények mutatják.

56

30. ábra Az akna-alsórész (≈18 m) falazat-hımérsékletek és az ott létrejött tapadvány vastagságának összefüggése A fenti ábra két pontserege a vizsgálatra kiválasztott két periódust (kedvezıtlen és kedvezı gázáramlási idıszakok) jellemzik. Így a rendelkezésre álló és egyszerőbben mérhetı, vagy legmegbízhatóbb bázisértékeket biztosító paraméterek (hőtılap- vagy falazat-hımérséklet) megválasztásával (esetleg ellenırzés végett mindkettı figyelembevételével) nyomon követhetı a tapadványképzıdés, ill. –leválás folyamata. 3.3.1.3. A tapadvány és rétegvastagságának hatása a gázkihasználás mértékére A tapadványképzıdés és a gázkihasználás összefüggéseinek a 3.1. fejezetben levezetett elméleti alapja gyakorlati megjelenésérıl és az érvényre jutás mértékérıl, a mérési eredmények ezirányú feldolgozását szemléltetı, 31. ábra nyújt tájékoztatást, melyben a regressziós görbe egyenlete: y = −0,0227 ⋅ x + 44,0

r = 0,80

(3.9)

lineáris összefüggés szerint a gázkihasználás (y, %) 1 %-kal csökken a tapadványréteg vastagságának 44,0 mm-es növekedésére, azaz számottevı mértékben.

57

31. ábra Az akna-alsórész (≈18 m) tapadványréteg vastagsága és a nagyolvasztó gázkihasználása közötti összefüggés Az alábbiakban a 3.3. fejezetben leírtak összefoglalása olvasható, mint a kutatómunka jelentıs eredményei közül az egyik legfontosabbak. A nagyolvasztó akna alsó részének - a két gázáramlási idıszak együttes feldolgozása alapján nyert - falazat-hımérsékletei és a gázkihasználás közötti regresszió analízis eredményeként a következık mondhatók: -

az akna térségében süllyedı anyagáram irányába haladva, az egyre mélyebb (20,8; 17,6; 16,0 m) aknamagasságokra vonatkozó falazat-hımérséklet és gázkihasználás közötti függvénykapcsolatok erıssége (r) fokozatosan növekszik arról tanúskodva, hogy az akna-alsó tartományaiban a tapadvány(ok) kialakulásának hatása a gázkihasználásra egyértelmőbb, mint a felsıbb zónákban

-

az akna-alsó zóna középsı (17,6 m-es) magassági tartományának eredményei mutatják az egyik legnagyobb hatást a gázkihasználásra, utalva ezzel arra, hogy ebben a zónában uralkodik a CO-os redukció legkedvezıbb hımérséklete (≈900 °C)

-

az akna-alsórész három meghatározó magassági szintjének falazat-hımérséklet átlagértékei mutatják a legerısebb korrelációs kapcsolatot (r=0,76) a gázkihasználással, mutatva azt, hogy mindhárom szint együttes kumulatív hatása egyértelmőbben befolyásolja a gázkihasználás mértékét

-

az akna-alsó magassági tartományában ≈80 °C-os falazat-hımérsékletekig, csekély mértékben növekvı falazat-hımérsékletekre is ugrásszerően emelkedik a gázkihasználás mértéke, mivel a tapadványréteg vastagsága is erıteljesen csökken,

58

-

az akna-alsó magassági tartományában ≈ 80 °C-nál nagyobb falazat-hımérsékletnél, annak növekedése gyakorlatilag már nincs számottevı összefüggésben a gázkihasználással, mivel az arra ható tapadvány jelenléte már csekély; lényegében ehhez a hımérséklethez tartozó tapadványréteget nevezhetjük a falazat védırétegének,

-

a hőtılap(ok) „hidegoldali” hımérsékletei, és az azonos szinten (17,9 és 17,6 m) mért falazat-hımérsékletek, között igen erıs korrelációs kapcsolat van (r=0,88),

-

az akna-alsórész ≈ 18 m-es szintjén a tapadványréteg vastagsága és a gázkihasználás között fordított irányú lineáris összefüggés van, ahol a tapadványréteg vastagságának 44,0 mm-es növekedése esetén a gázkihasználás 1 %-os csökkenése következik be.

3.4. A nagyolvasztói falazat- és hőtılap-hımérsékletek kapcsolata a gázhımérséklettel A vizsgált nagyolvasztó 33,9 m-es magassági szintjén radiális irányban egymással szemben elhelyezve beépítésre került 2 db az anyagoszlop fölött elhelyezkedı ún. elegyszint feletti hımérsékletmérı szonda. Az elegyszint feletti szondák pontos elhelyezkedésérıl a 19. melléklet ad tájékoztatást, ahol a mérı berendezéseket EFH rövidítéssel jelöltem. A szondák szerepe: a beadagolt elegyen keresztül felfelé áramló redukáló gáz hımérsékletének radiális irányban 8 ponton történı mérése. A beépítés helye alapján megkülönböztetünk bal és jobboldali elegyszint feletti szondákat. A vizsgált nagyolvasztó kora miatt az egyik (bal) elegyszint feletti hımérsékletmérı szonda cseréjét az elmúlt években végrehajtották, így az megbízhatóan üzemel. A vizsgálataim során ezen szonda adatait dolgoztam fel. Az elegyszint feletti szonda hımérsékleti értékei jól jellemzik a nagyolvasztó adott részében a gázáramlási viszonyok eloszlását a falazat és a tengelyvonal között. Az elegyszint feletti hımérsékletmérı szonda adatainak vizsgálatával, eloszlásuk tanulmányozásával kívánok összefüggést feltárni a falazat- és hőtılap-hımérsékletre vonatkozólag. A korrelációvizsgálatokat a nagyolvasztó különbözı magassági szintjeinek, 5-6-os mérıhelyeinek adataival végeztem, mivel ezek azok a mérıhelyek, melyek a baloldali elegyszint feletti szonda térségében helyezkednek el, így arra hatást gyakorolhatnak. 3.4.1. A nagyolvasztó „kedvezı gázáramlási idıszakában” a falazat- és hőtılaphımérsékletek összefüggése a gázhımérséklettel Ábrázoltam mérési helyenként az idıszakra jellemzı elegyszint feletti hımérsékletek átlagait, melyek a 32. ábrán láthatók. 59

32. ábra Az elegyszint feletti hımérsékleti értékek átlaga (2012. szeptember 7-17.) Az ábrából a következı megállapítás vonható le: -

a vizsgált idıszak átlagára vonatkozó elegy fölötti hımérsékletek szők hımérsékletközben (<100 °C) szóródnak, azaz a nagyolvasztó falazatától (8. pozíció) a kohó középvonaláig (1. pozíció) terjedı szakaszon a hımérsékletértékek között jelentıs különbség nem tapasztalható, azaz a gázhımérsékleti profil síknak (flat-elrendezésőnek) tekinthetı.

Korrelációvizsgálatot végeztem annak érdekében, hogy megállapítsam, milyen összefüggés van a falazat- és hőtılap-hımérsékletek és az elegyszint feletti hımérsékletadatok között. A korrelációvizsgálat eredményét a 22. melléklet tartalmazza. A vizsgálat eredményét a következıképpen lehet összefoglalni: -

az elegyszint feletti hımérsékletmérı szonda által szolgáltatott adatok helyesek, mivel a szomszédos mérıhelyek közötti korreláció közel 1,00

-

az elegyszint feletti hımérsékletmérı szonda adott mérési pontjától távolodva a korreláció mértéke csökken, azaz a falazathoz legközelebb elhelyezkedı mérési pont adatai az attól legtávolabb elhelyezkedı (a nagyolvasztó középvonalában lévı) mérési ponttól független

60

-

a falazat-hımérsékleti értékek közül csak és kizárólag közvetlenül az elegyszint feletti szonda alatt elhelyezkedı 31,0 m 5. mérıhely mutat korrelációs kapcsolatot a mérıszonda 7-es és 8-as (falazathoz legközelebbi) pozícióiban mért értékekkel.

3.4.2. A nagyolvasztó „kedvezıtlen gázáramlási idıszakában” a falazat- és hőtılaphımérsékletek összefüggése a gázhımérsékletekkel A 33. ábrán az idıszakra jellemzı elegyszint feletti hımérsékletek mérési helyenként vett átlagértékei láthatók.

33. ábra Az elegyszint feletti hımérsékleti értékek átlaga (2012. október 13-23.) A fenti ábrából a következı megállapítás vonhatók le: -

a vizsgált idıszakra vonatkozó elegyszint feletti átlagos hımérséklet értékek széles tartományban (>150 °C) szóródnak,

-

a nagyolvasztó falazatától a középvonal irányába az elegyszint feletti hımérsékletek erıteljes növekedése tapasztalható.

Hasonlóan a 3.4.1. fejezethez, a „gázáramlási szempontból kedvezıtlen idıszakra” is elvégeztem az ott leírt statisztikai vizsgálatokat. A korrelációvizsgálat eredményét a 23. melléklet tartalmazza, melyek az alábbiakban foglalhatók össze: 61

-

az elegyszint feletti hımérsékletmérı szonda által szolgáltatott adatok helyesek, mivel a szomszédos mérıhelyek közötti korreláció nagy

-

az elegyszint feletti hımérsékletmérı szonda adott mérési pontjától távolodva a korreláció mértéke csökken

-

az elegyszint feletti hımérséklet értékek közül a nagyolvasztó középvonalához közelebb elhelyezkedı 1-3-as mérıhelyek adatai a gázkihasználással korrelációs kapcsolatot mutatnak

-

a 20,8 m 6-os falazat-hımérséklet mérıhely adatai az elegy feletti szonda 4-7. mérıhelyek hımérséklet-értékeivel mutat kapcsolatot

-

a 24,0 m 5-ös falazat-hımérséklet mérıhely adatai az elegy feletti szonda 4-es mérıhely hımérséklet-értékével korrelál

-

a 31,0 m 5-ös falazat-hımérséklet mérıhely adatai az elegy feletti szonda 8-as mérıhely hımérsékleti értékével mutat korrelációs kapcsolatot.

Mindezek alapján az mondható, hogy az elegyfelszín feletti gázárameloszlás - az elegyszint feletti hımérsékletmérı szonda 3 db mérıhelyének hımérsékletértékén keresztül - befolyásolja a gázkihasználás mértékét. Minél nagyobb hımérséklettel távozik a torokgáz, annál nagyobb annak CO-tartalma, annál kisebb mértékő a gázkihasználás mértéke. Azonban a szonda mérıhelyei szoros korrelációs kapcsolatban vannak egymással, így lényegében bármelyik elegyszint feletti hımérsékleti mérıhelyen történik változás, az a többire hatással van. Ez utóbbi magyarázata az, hogy az akna térségében bekövetkezı bármiféle olyan változás, ami a redukáló gáz áramlási irányában változást idéz elı (pl. tapadványleválás), az a kohó torok részén is az elegyszint feletti hımérsékletek megváltozását (a gázáramlási irányok módosulását) eredményezi. A nagyolvasztó akna alsó-középsı részén (20,8 m és 24,0 m) bekövetkezı falazathımérséklet-növekedés (ami lényegében a detektálása a tapadványleválás hatására bekövetkezı redukáló gáz áramlási irányának megváltozása) csökkenti az elegyszint feletti hımérsékletek (4-7. mérıhelyek) értékét, amit úgy lehet modellezni, mintha a tapadványleválás hatására a gáztömeg egy jelentıs része más irányt vesz fel és kisebb részben a tengely felé nagyobb részben a falazat irányába halad. Ez utóbbi hatására az akna felsı falazat-hımérsékletek növekednek, ami ezt követıen az elegy feletti hımérsékletek falazat menti pozícióinak hımérsékletnövekedésében is megnyilvánul. Ez utóbbi elméletet alátámasztja a 23. mellékletben található falazat-hımérsékleti adatok korrelációs kapcsolatát bemutató mátrix is. Ezek alapján az aknafalazat-hımérsékletek kapcsolatban vannak a közvetlenül alattuk és fölöttük elhelyezkedı falazat-hımérsékleti értékek62

kel.

Jelen

esetben

az

akna

alsó-közép

falazat-hımérsékletek

növekedésével

(tapadványleválás) idıvel az akna felsı falazat-hımérséklet értékei is nınek, ami végül a gázkihasználás értékének csökkenéséhez vezet. Az elegyfelszín felett mért és bemutatott gázhımérséklet-adatok összevont áttekintése egyértelmően mutatja, hogy a „kedvezıtlen gázáramlási idıszak”-ra jellemzı gázhımérsékletek számottevıen nagyobbak, mint a „kedvezıtlen gázáramlási idıszak”-ra vonatkozóak, azaz a „kedvezı gázáramlási idıszak” gázáramának hıkihasználása jelentısen jobb. Mindez tökéletesen harmonizál a „kedvezı gázáramlási idıszak” lényegesen nagyobb CO-kihasználásával, alátámasztva egyben az utóbbi megállapítás helyességét. 3.5. A tapadványkialakulás és a CO-kihasználás konkrét összefüggése A korábban részletesen vizsgált két idıszak (kedvezı és kedvezıtlen gázáramlási idıszak) tapadványképzıdési és gázáramlási folyamatai teljesen eltérı képet mutattak. Megállapítást nyert, hogy a „kedvezı gázáramlási idıszakban” a kismértékő tapadványképzıdés és –leválás dinamikus folyamata lényegében hozzájárult a kedvezı gázkihasználás eléréséhez. A falazathımérsékleti értékek az indirekt redukció szempontjából fontos térségben (akna-alsó, aknaközép) rendre magasabb értékeket mutattak összehasonlítva a „kedvezıtlen gázáramlási idıszak” alacsonyabb falazat-hımérsékleteket mutató (azaz nagyobb mértékő tapadvány létezésére utaló) adataival. Mindezek alapján kijelenthetı az, hogy „kedvezı gázáramlási idıszakban”, a gázáramlási viszonyok következtében a képzıdött kis mértékő tapadványok nem tudták jelentıs mértékben módosítani a gázáramlás „ideális” útját, ennek megfelelıen hozzájárultak a megfelelı mértékő gázkihasználás fenntartásához. A „kedvezıtlen gázáramlási idıszak” esetében a gázáramlási viszonyok módosultak, a tapadványképzıdés jóval nagyobb mértékővé vált, ami mintegy öngerjesztı folyamat révén a gázáramlási útvonalak további kedvezıtlen irányú változtatásával rontotta a gázkihasználás mértékét. Amennyiben a két, gázáramlás szempontjából eltérı idıszak gázkihasználási értékeit hasonlítjuk össze egyetlen diagramban, akkor a 34. ábra alapján az állapítható meg, hogy a két idıszak gázkihasználási értéke markánsan eltér egymástól. Az eredmények szórása a CO-kihasználásra – a tapadványokon kívül is – ható számos tényezı jelenlétének és a tapadványok geometriai különbözıségének a következménye. Ezek alapján megállapítható, hogy a tapadványok kialakulása átlagosan 6,7 %-kal csökkentette a gázkihasználást, amibıl következıen a fajlagos kokszfelhasználás 46,9 kg/t nyv.-al [25], a CO263

emisszió pedig 147,9 kg/t nyv. mennyiséggel növekedett. A gyakorlati adatok alapján a két idıszak fajlagos kokszfelhasználása között 52,4 kg/t nyv. volt a különbség, ami jól megközelíti az elméleti értékeket. Ezek alapján a fajlagos CO2-kibocsátás növekedése még nagyobb, azaz 165,2 kg/t nyv. volt.

Szórás: 1,6 %

Szórás: 3,2 %

34. ábra A nagyolvasztói tapadványképzıdés hatása a gázkihasználás mértékére Egyértelmő tehát, hogy a tapadvány kialakulásának elkerülése, illetıleg mértékének csökkentése jelentıs gazdasági és ökológiai érdek (a termelési és üzemviteli szempontokon túl). Ennek teljesítéséhez a tapadványképzıdés és az azt támogató folyamatok, valamint az azokban közremőködı anyagok metallurgiai magatartásának és áramlási jellemzıinek behatóbb vizsgálatára van szükség. A következı (4. és 5.) fejezetek a tapadványképzıdési folyamatokat akadályozó lehetıségek feltárásával, gazdagításával és hatásuk növelhetıségének meghatározásával foglalkozik.

64

4. A tapadványképzıdést és annak mértékét meghatározó tényezık 4.1. A nagyolvasztó Na-, K- és Zn mérlege A tapadványképzıdés folyamatában, mint a tapadvány kémiai- és ásványfázis-vizsgálatával foglalkozó fejezetben láthattuk, a tapadványképzı elemeknek kiemelt jelentıségük van. Ezek az elemek elısegítik a salakalkotó vegyületek egymáshoz és a falazathoz illetve a hőtılaphoz történı tapadását. Ennek megfelelıen a tapadványképzıdés mértéke, kiterjedése erısen függ a nagyolvasztóba az alapanyagokkal bevitt és az onnan távozó Na-, K-, Zn mennyiségétıl. A tapadványképzıdést

akadályozó

lehetıségek

feltárása

érdekében

vizsgálataimat

a

tapadványképzı elemekre kiterjedı anyagmérleggel folytatom. A tapadványképzı elemek havi mérlegeinek elkészítésével többek között a nagyolvasztóba bekerülı illetve onnan távozó szennyezık, alapanyagok illetve termékek közötti megoszlását határozom meg. A napi mérlegek segítségével pedig az üzemviteli körülményekben bekövetkezı változásokat vizsgáltam. A fent említett szennyezık mérlegeinek elkészítéséhez átfogó kísérleti program indítását kezdeményeztem (24. melléklet). A mérleg bemeneti oldalán az alapanyagokat és a salakképzıt, míg a kimeneti oldalon a kohósalak, a szállópor és a nedves porleválasztás termékét, a „Dorriszapot” vizsgáltuk. Ezzel összefüggésben 208 db anyagminta kivételére került sor a be és kimeneti oldalon összesen. Ezek elemzési eredményeit használtam fel a mérlegek elkészítéséhez. Az elemzések – az alapanyagok esetében – nedveskémiai módon kerültek meghatározásra, míg a salakok esetében röntgenspektrometriát alkalmaztak a DUNAFERR Anyagvizsgálóés Kalibráló Laboratóriumok Igazgatóság laboratóriumaiban. A kísérleti idıszak 2011. március 1-31-ig terjedt. 4.1.1. Káliummérleg A káliummérlegre vonatkozó részletes mérlegadatokat a 25. melléklet tartalmazza. A 35. ábrán a nagyolvasztóba az alapanyagokkal történı káliumbevitel látható napi bontásban.

65

3000,0 Zsugorítvány Pelletek Egyéb Koksz

K-bevitel (kg/nap)

2500,0

2000,0

1500,0

1000,0

500,0

2011.03.31

2011.03.30

2011.03.29

2011.03.28

2011.03.27

2011.03.26

2011.03.25

2011.03.24

2011.03.23

2011.03.22

2011.03.21

2011.03.20

2011.03.19

2011.03.18

2011.03.17

2011.03.16

2011.03.15

2011.03.14

2011.03.13

2011.03.12

2011.03.11

2011.03.10

2011.03.09

2011.03.08

2011.03.07

2011.03.06

2011.03.05

2011.03.04

2011.03.03

2011.03.02

2011.03.01

0,0

Dátum

35. ábra A nagyolvasztóba történı káliumbevitel alapanyagonkénti napi bontása

A kohóba történı káliumbevitel forrását fıként a koksz, a zsugorítvány és a különbözı típusú pelletek adták. Az egyéb kategóriaként jelzett vásárolt zsugorítvány és mészkı részaránya elhanyagolható. A napi K-beviteli értékekben a legnagyobb szórást a zsugorítvány (272,3 kg/nap) és a koksz (211,4 kg/nap) mutatja. A zsugorítvány és a koksz elıállítása az ISD DUNAFERR Zrt.-ben történik. A koksz esetében a különbözı Na-tartalmú szénelegyek gyakori változtatása miatt, valamint a kohóban felhasznált koksz napi mennyiségingadozása miatt a káliumbevitel szórásának mértéke jelentıs mértékő. A zsugorítvány esetében fıként a különbözı K-tartalmú zsugorítói elegyalkotók részarányának módosítása okozta az ábrán látható jelentıs mértékő ingadozást. Természetesen ez esetben is meg kell említeni a kohóba bevitt zsugorítvány mennyiségi ingadozásának hatását is. A zsugorítvány esetében ráadásul számolni kell a fentebb említett koksz és a késıbbiekben tárgyalásra kerülı szállópor felhasználásával kapcsolatos hatással is. A fent említett ingadozásokkal és a vonatkozó mellékletben található mérleg be és kimeneti oldala közötti eltéréssel kapcsolatosan meg kell említeni néhány olyan lehetséges okot, amely kis mértékben módosíthatja a mért értékeket és a mérlegeltérésék okozója lehet: - a tapadványképzıdés és –levonulás idıpontjának és idıtartamának teljesen szabálytalan és nem feltétlenül nyomon követhetı folyamata következtében, idıszakonként a bevitelhez ké66

pest nagyobb vagy kisebb a kihozatal. Az abszolút egyenlıség csak valószínőtlen véletlen lehet - az alapanyagok bemérése mérlegkocsi (és rosta) segítségével történik, melyek mérlegeit rendszeres idıközönként ellenırzik, a mérési pontatlanság kismértékő - a csapolt kohósalak tömegének pontos mérése nem megoldott, ezért azt rendszeres idıközönként ellenırzı mérések segítségével és a salakkészletek figyelembevételével korrigálják - az alapanyag-mintavételek esetében az elıírás szerinti mintavételezés sok esetben nem volt lehetséges (pl. szállópor, Dorr-iszap, zsugorítvány) - az alapanyagok nedveskémiai elemzéseiben esetlegesen mutatkozó bizonytalanságok.

A 36. ábra a vizsgált kohóból történı káliumkiadás termékenkénti megoszlását mutatja napi bontásban. 150,0

Salak Szállópor+iszap

140,0

K-kihozatal kohósalakkal (kg/nap)

6000,0 130,0 5000,0

120,0 110,0

4000,0

100,0 3000,0

90,0 80,0

2000,0

70,0 1000,0

K-kihozatal szállóporral és iszappal (kg/nap)

7000,0

60,0

2011.03.31

2011.03.30

2011.03.29

2011.03.28

2011.03.27

2011.03.26

2011.03.25

2011.03.24

2011.03.23

2011.03.22

2011.03.21

2011.03.20

2011.03.19

2011.03.18

2011.03.17

2011.03.16

2011.03.15

2011.03.14

2011.03.13

2011.03.12

2011.03.11

2011.03.10

2011.03.09

2011.03.08

2011.03.07

2011.03.06

2011.03.05

2011.03.04

2011.03.03

2011.03.02

50,0 2011.03.01

0,0

Dátum

36. ábra A nagyolvasztóból történı káliumkihozatal megoszlása napi bontásban

A tapadványképzı elemekre vonatkozó – korábban tárgyalt - termodinamikai és reakciókinetikai okok miatt a kálium kohóból történı eltávolítása - a nátriuméhoz képest sokkal nagyobb mértékben változik a vizsgált idıszakban. Ugyancsak ezen okokból kifolyó-

67

lag a salakkal történı káliumeltávolítás nagyságrendekkel nagyobb, mint a torokgázzal (szállóporral) történı kiadás. Amennyiben a mérlegadatok napi ábrázolásától eltekintünk, akkor a sokkal több információt adó kumulatív - a napi káliumbevitelt és kiadást összegzı – görbét kapjuk (37. ábra). Ezen görbe esetében jól látható az a szakasz, ahol a kálium mennyisége a bevitelhez képest a kohóban növekedett (2011. március 1-6.), majd stagnált (2011. március 9-13), ezt követıen lényegében a vizsgálati idıszak ezt követı részében – egy rövidebb idıszaktól eltekintve - csökkent. Ezek

alapján

nyilvánvalónak

látszik,

hogy

a

vizsgált

hónap

elsı

negyedében

tapadványképzıdés, majd némi stagnálást követıen, a hónap utolsó harmadában már – a kálium közremőködésével lejátszódó ásványképzıdési folyamatok csökkenése révén – tapadványleépülés, tapadványleválás következett be.

12000,0

Kumulatív K-mérleg

K-mérleg változása (kg/nap)

10000,0 8000,0 6000,0 4000,0 2000,0 0,0 -2000,0 -4000,0

2011.03.31

2011.03.30

2011.03.29

2011.03.28

2011.03.27

2011.03.26

2011.03.25

2011.03.24

2011.03.23

2011.03.22

2011.03.21

2011.03.20

2011.03.19

2011.03.18

2011.03.17

2011.03.16

2011.03.15

2011.03.14

2011.03.13

2011.03.12

2011.03.11

2011.03.10

2011.03.09

2011.03.08

2011.03.07

2011.03.06

2011.03.05

2011.03.04

2011.03.03

2011.03.02

2011.03.01

-6000,0

Dátum

37. ábra A nagyolvasztó káliummérlegének kumulatív ábrázolása

A napi káliummérlegek kumulatív módon történı vizsgálatából is egyértelmően látható, hogy a vizsgálati idıszak végére a mért értékek alapján a kálium-kihozatal nagyobb mértékő volt, mint a bevitel. Ennek megfelelıen a káliummérleg tárgyalásakor is figyelembe kell venni, hogy annak eredményei feltehetıen magukban hordozzák a tapadványképzıdés és – leépülés K-forgalmának értékeit is, és ezáltal alkalmasakká válnak a tapadványképzıdési mechanizmus nyomon követésére. 68

A vizsgálat során az alapanyagokkal összesen 117.114,7 kg kálium került a nagyolvasztóba, míg onnan 118.105,0 kg távozott. Ezek alapján a kohóba bevitt teljes káliummennyiséghez képest, onnan 0,8 %-kal több káliumtartalmú termék került ki, mely mennyiség minden bizonnyal a nagyolvasztó falazatáról levált tapadványokból származik. 4.1.2. Nátriummérleg A tapadványképzı elemekre vonatkozó elméleti áttekintés során megállapítottam, hogy a nátrium kevésbé vesz részt a tapadványképzési folyamatokban, mivel döntı része a salakba kerül [9]. Így ennek az elemnek a részletes elemzésétıl – terjedelmi okok miatt – eltekintek. A nátriummérlegre vonatkozó részletes adatokat a 25. melléklet tartalmazza. A vizsgálat eredményei a következıkben összegezhetık: - A nagyolvasztóba történı nátriumbevitel egyrészt az ércelegy legfontosabb alkotóival - a zsugorítvánnyal és a különbözı pelletekkel - történik, másrészt a tüzelı- és redukálóanyag, azaz a koksz közremőködésével. Kismértékben a salakképzı (mészkı) és a vásárolt zsugorítvány is hozzájárul a kohó nátriumterheléséhez. - A kiadási oldalon a nátrium döntıen a salakba kerül, amit jól mutat, hogy részaránya a teljes kiadási tételeket tekintve, több mint 98 %. A salakkal és a torokgázzal történı nátrium-eltávolítás ingadozási sávja széles mezıben szóródik, mely fıként a mőködési paraméterek változásának az eredménye. - Az adatok elemzése során megállapítható, hogy a vizsgált idıtartományban, a Namérleg bemeneti oldala kisebb, mint a kimeneti oldala. Ez - ismerve a kohóból történı nátrium-eltávolítás

metallurgiai

feltételrendszerét

-

elsısorban

a

folyamatos

tapadványleválás révén lehetséges, ami erre az esetre is valószínősíthetı. - A vizsgált idıszakban a kohóba 51.129,4 kg, míg onnan a kohósalakkal és a szállóporral összesen 56.655,6 kg nátrium távozott. Ezen adatok alapján a Na-mérleg azt mutatta, hogy 10,8%-kal több nátrium került ki a nagyolvasztóból, utalva annak nyilvánvaló esélyére, hogy a többlet a tapadvány-leépülési folyamatból származik. 4.1.3. Cinkmérleg A cinkmérlegre vonatkozó részletes mérlegadatokat a 25. melléklet tartalmazza. Az alkálifémek csoportjába tartozó nátriumon és káliumon kívül a harmadik tapadványképzı elem a cink, mely az elızıekhez képest jóval kisebb mennyiségben kerül a nagyolvasztókba. Mint ahogy a 38. ábrán jól látható, a cink fı forrása a zsugorítvány, illetve a zsugorítványgyártáshoz használt anyagok. A kohászati vállalatok - és így az ISD 69

DUNAFERR Zrt. is – a Fe-tartalmú - gyártás közben keletkezı - belsı hulladékokat (magas Zn-tartalmú iszapokat, porokat) többnyire az ércdarabosítási folyamat során dolgozzák fel, így a zsugorítvánnyal jelentıs mértékő cink jut a nagyolvasztókba. A kohóba történı cinkbevitel szempontjából a koksz nem játszik semmiféle szerepet. 250,0

Zsugorítvány Pelletek Egyéb Koksz

Zn-bevitel (kg/nap)

200,0

150,0

100,0

50,0

2011.03.31

2011.03.30

2011.03.29

2011.03.28

2011.03.27

2011.03.26

2011.03.25

2011.03.24

2011.03.23

2011.03.22

2011.03.21

2011.03.20

2011.03.19

2011.03.18

2011.03.17

2011.03.16

2011.03.15

2011.03.14

2011.03.13

2011.03.12

2011.03.11

2011.03.10

2011.03.09

2011.03.08

2011.03.07

2011.03.06

2011.03.05

2011.03.04

2011.03.03

2011.03.02

2011.03.01

0,0

Dátum

38. ábra A nagyolvasztóba történı cinkbevitel alapanyagonkénti napi bontása

Amennyiben a kohóból történı cinkeltávozást kívánjuk vizsgálni, a Na-, K-mérleghez képest teljesen eltérı képet kapunk. Mint ahogy a 39. ábra is jól mutatja, a cink nem győlik meg a kohósalakban, hanem a torokgázzal együtt távozó szemcsékre tapadva a kohógáztisztító rendszerbe jut. Így egyrészt szállópor formájában, másrészt a nedves gáztisztítást követıen Dorriszapként kerül ki a nagyolvasztó anyagáramlási folyamatából. Az ábra alapján az a következtetés is levonható, hogy a cink a kohóból távozó nagyobb szemcseátmérıjő porszemcséket leválasztó száraz gáztisztítás során kisebb, míg a finom porszemcséket leválasztó nedves gáztisztítás során nagyobb mértékben kerül leválasztásra.

70

400,0

Salak Szállópor Dorr iszap

350,0

Zn-kihozatal (kg/nap)

300,0

250,0

200,0

150,0

100,0

50,0

2011.03.31

2011.03.30

2011.03.29

2011.03.28

2011.03.27

2011.03.26

2011.03.25

2011.03.24

2011.03.23

2011.03.22

2011.03.21

2011.03.20

2011.03.19

2011.03.18

2011.03.17

2011.03.16

2011.03.15

2011.03.14

2011.03.13

2011.03.12

2011.03.11

2011.03.10

2011.03.09

2011.03.08

2011.03.07

2011.03.06

2011.03.05

2011.03.04

2011.03.03

2011.03.02

2011.03.01

0,0

Dátum

39. ábra A nagyolvasztóból történı cinkkihozatal megoszlása napi bontásban

Természetesen a cink esetében is meg kell említeni azokat a Na- és K-mérleg esetében már vázolt bizonytalansági tényezıket, melyek a mérlegadatokból levonható következtetéseket némileg befolyásolhatják.

A napi mérlegadatokból elıállított kumulatív cinkmérleg látható a 40. ábrán. A kezdeti nagyobb mérvő cinkeltávozást követıen lényegében a vizsgálati idıszak teljes egészében a kohóban lévı cinkmennyiség növekedett.

71

300,0

Kumulatív Zn-mérleg

Zn-mérleg változása (kg/nap)

200,0 100,0 0,0 -100,0 -200,0 -300,0 -400,0 -500,0

2011.03.31

2011.03.30

2011.03.29

2011.03.28

2011.03.27

2011.03.26

2011.03.25

2011.03.24

2011.03.23

2011.03.22

2011.03.21

2011.03.20

2011.03.19

2011.03.18

2011.03.17

2011.03.16

2011.03.15

2011.03.14

2011.03.13

2011.03.12

2011.03.11

2011.03.10

2011.03.09

2011.03.08

2011.03.07

2011.03.06

2011.03.05

2011.03.04

2011.03.03

2011.03.02

2011.03.01

-600,0

Dátum

40. ábra A nagyolvasztó cinkmérlegének kumulatív ábrázolása

A vizsgált idıszakban a kohóba történı cinkbevitel mértéke 4.791,1 kg volt, míg az onnan történı cink-eltávozás 4.778,1 kg. Mindezek alapján a teljes Zn-mérleg azt mutatja, hogy a kohóba bevitt teljes Zn-mennyiséghez képest onnan 0,3 %-kal kevesebb Zn-tartalmú termék került ki. Ez az eltérés a mérési pontatlanságon belül helyezkedik el, ugyanakkor utalhat kismértékő tapadványképzıdésre is.

72

5. A tapadványképzıdés lehetıségeinek korlátozása és általa a gázkihasználás fokozására használható metallurgiai és fizikai lehetıségek Annak érdekében, hogy a kohóban történı tapadványképzıdés folyamatát, mértékét vizsgálhassuk, az alapanyagokkal bevitt és a képzıdött termékekkel eltávozott szennyezık mennyiségén kívül fontos, hogy milyen módon, mely mőködési paraméterektıl függ leginkább a tapadványképzı elemek kohóból történı eltávozása, eltávolítása. A nagyolvasztóba adagolt alapanyagok minıségére, a beszerzési források megváltoztatására a nagyolvasztókat kezelı, irányító szakembereknek kevés ráhatásuk van. Így a tapadványképzı elemeket vizsgáló mérlegek bemeneti oldala - az alapanyagokkal történı szennyezı bevitel általában adottnak tekinthetı. Azon célt, hogy a tapadványképzıdés „kézben tartható” legyen, többnyire csak a kimeneti oldal különbözı paramétereinek változtatásával lehet megvalósítani. 5.1. A tapadványképzı elemek nagyolvasztóból történı eltávolítását befolyásoló legfontosabb metallurgiai tényezık Az alábbiakban azokat a metallurgiai, mőködési paramétereket kívánom megvizsgálni, melyek hatást fejtenek ki a kohóból eltávozó nátrium- és kálium- ill. cink mértékére. 5.1.1. A nagyolvasztóból történı Na- és K-eltávolítás A nagyolvasztóból eltávolítandó alkáliák közül a kálium, ezen belül is a kálium-szilikát példáján keresztül kívánom bemutatni azokat a paramétereket, melyek meghatározzák az eltávolítás mértékét. Az alábbi reakció a káliumra vonatkozik, ugyanakkor a nátriumra ugyanez a reakció – és paraméterek - érvényesek. A nagyolvasztó medencéjében lejátszódó reakció szerint a salak formájában jelen lévı kálium-szilikátot az ott jelenlévı koksz ill. a salakon átszőrıdı nyersvas cseppek karbon-tartalma redukálja és az ott jelen lévı termodinamikai és reakciókinetikai hatások által meghatározott mértékben káliumgız képzıdik.

(K2SiO3) + C =2 {K}+ (SiO2) + CO

(5.1)

A reakció egyensúlyi állandója a következıképp alakul:

73

K=

p K2 ⋅ p CO ⋅ a ( SiO2 ) a C ⋅ a ( K 2 SiO3 )

;

a( K 2 SiO3 ) =

p K2 ⋅ pCO ⋅ a( SiO2 ) aC ⋅ K

(5.2)

Az egyensúlyi állandó képletének átrendezését követıen, megkapjuk a kálium-szilikát aktivitását befolyásoló legfontosabb tényezıket. Természetesen az aktivitással egyenes arányban áll a salak kálium-szilikát tartalma. Ez alapján a nagyolvasztóból a salakkal történı alkáliaeltávolításnak a következı körülmények kedveznek: -

alacsony égéshımérséklettel és olvadékhımérséklettel történı üzemelés (alkálivegyületek stabilitása miatt)

-

magas toroknyomású üzemmenet (ugyanakkor itt kell megemlíteni azt is, hogy a szénmonoxid parciális nyomásának növekedése az alkálifémek elgızölgése ellen hat)

-

savanyú salakkal történı üzemelés (mivel az SiO2-nak CaO-dal és az MgO-dal képzett komplex vegyületeinek kötése erısebb, mint az alkáli-oxidokkal képzett komplexek kötése, így a salakbázikusság csökkenésével több lesz a szabad SiO2-vegyület, amely segíti a kálium-szilikát (K2OSiO2) vegyület kialakulását.)

-

salakmennyiség növelése (alkálivegyületek aktivitása csökken) [14, 28].

Annak érdekében, hogy a nagyolvasztóból történı Na- és K-eltávolítás feltételrendszerét a lehetı legteljesebb mértékben megvizsgálhassam számos (75 db) mőködési paraméter napi átlagértékeit vizsgáltam. Ezek között megtalálhatók a falazat- és hőtılap-hımérsékletet, a befúvott fúvószelet és a távozó torokgázt jellemzı és a csapolt olvadékot leíró paraméterek. Ezen tényezıkre – a változók számának csökkentése érdekében - faktoranalízist végeztem, melynek eredményeként (26. melléklet) a többit leginkább befolyásoló paraméter közül 24 db-ot, míg elméleti megfontolások miatt további 3 db (nyersvashımérséklet, salakbázikusság és torokgáznyomás) paramétert kiválasztottam, melyekkel korrelációvizsgálatot végeztem. A számítások végeredménye a 27. mellékletben találhatók, melyek a következıképpen összegezhetık: -

a salak K2O- és Na2O-tartalma között azonos elıjelő összefüggés van (r=0,66)

-

a salak K2O- és Na2O-tartalma valamint a salakbázikusság (B1) között ellentétes elıjelő kapcsolat van (r=0,72 ill. r=0,57)

-

a nagyolvasztó akna- és az akna-közép differenciál nyomásértékek valamint a salak K2O-tartalma között ellentétes elıjelő kapcsolat van, ami a kohó említett térfogatrészén a leváló tapadványok gázáramlást javító hatásával hozható összefüggésbe (r=0,47 ill. r=-0,43). 74

Az alábbiakban már csak az (5.1) reakcióegyenletbıl levezetett legfontosabb – és legkönynyebben változtatható - paraméterek az alkália kiürítésére kifejtett hatását vizsgálom. Ez a két részletes vizsgálatot igénylı paraméter a nyersvas hımérséklete és a salakbázikusság. Ezek elemzésére átfogóbb, a vizsgált hónap teljes egészére kiterjedı csapolási adatbázist készítettem. Az említett két változó a salak K-tartalmára vonatkozó együttes hatását vizsgáltam regresszió-analízis segítségével, melyek sztochasztikus kapcsolatainak erısségét az 5. táblázat tartalmazza. 5. táblázat A salakbázikusság és a nyersvashımérséklet hatásának regressziós vizsgálata a salak K2O-tartalmára Regressziós statisztika r értéke r-négyzet Korrigált r-négyzet Standard hiba Megfigyelések

0,84 0,71 0,71 0,15 319

Ezt követıen egyenként is megvizsgáltam a nyersvashımérséklet és a salakbázikusság hatását a salak K2O-tartalmára. Az elméleti megfontolásokból és a korreláció vizsgálat eredményei alapján is belátható, hogy a salakbázikusság hatása megegyezik mind a nátrium, mind a kálium esetében. Ennek megfelelıen az alábbiakban csupán a kálium - salakkal történı - eltávolítását vizsgáltam tovább. A 41. ábra a salakbázikusság (B1: CaO/SiO2) és a salak K2Otartalma közötti összefüggést mutatja. Ez alapján kijelenthetı, hogy a salakbázikusság csökkentésével a kohóból történı alkáliaeltávolítás (Na és K) mértéke növelhetı.

75

2,0 1,8

Salak K2O-tartalom; %

1,6 1,4 y = -3,0036x + 4,0149 R2 = 0,6977

1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,7

0,8

0,9

1,0

1,1 1,2 Salak B1

1,3

1,4

1,5

1,6

41. ábra A salakbázikusság és a salak K2O-tartalma közötti összefüggés A nyersvashımérséklet és a salak K2O-tartalma közötti összefüggés bemutatására szolgál a 42. ábra. Ez alapján elmondható, hogy az olvadék-hımérséklet csökkenése némileg hozzájárul a salak Na- és K-tartalmának a növekedéséhez. A nyersvashımérséklet csökkenésének hatása nem annyira kifejezett, mint a salakbázikusságé, de azért nem elhanyagolható. A vizsgálat során a jelentıs mértékő szórást az okozza, hogy valamennyi csapolás adata – bázikusságra való tekintet nélkül – feldolgozásra került. Mivel sok esetben – pl. különbözı összetételő elegyek feldolgozása esetén – adott hónapban az azonos salakbázikusság értékekhez jelentısen eltérı nyersvashımérséklet társulhat. A nyersvas hımérséklete azonban a Si-redukción keresztül, hatással van a salakbázikusságra, így nehéz pontosan különválasztani a salakbázikusság és a nyersvashımérséklet hatását a salak alkália tartalmára.

76

2,0 1,8

Salak K2O-tartalom; %

1,6 y = -0,0058x + 9,3037 R2 = 0,2218

1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1380

1400

1420

1440

1460 1480 1500 Nyersvas hımérséklet; °C

1520

1540

1560

1580

42. ábra A nyersvashımérséklet és a salak K2O-tartalma közötti összefüggés A fentebb bemutatott paraméterek változtatásával a tapadványképzı elemek nagyolvasztóban történı körforgása csökkenthetı, így a tapadványképzıdés mértéke is mérsékelhetı. Ezen paraméterek jelentıs mértékő, célzott változtatására – a példaértékő nagyolvasztó mőködési feltételei miatt – a vizsgálataim alatt nem volt lehetıség, így ezek nagyolvasztói üzemmenetet befolyásoló hatását korlátozottan tudtam csak megvizsgálni. 5.1.2. A nagyolvasztóból történı Zn-eltávolítás Ahogy a korábban bemutatott (4.1.3. fejezetben) Zn-mérlegbıl is egyértelmően kiderült, a cink a kohósalakkal nem távolítható el a nagyolvasztóból. Annak érdekében, hogy a cink körforgás és a cink okozta tapadványképzıdés ne következhessen be, a kohóba az alapanyagokkal bekerülı cink lehetı legnagyobb részét, a lehetı legrövidebb idı alatt el kell távolítani. Mint ahogy fentebb említettem ez a folyamat a salakkal nem valósítható meg a cink – a nagyolvasztó medence hımérsékletén – nagy gıznyomása miatt. Ezért a cinket csupán a nagyolvasztó torokrészén át, a kohógáz segítségével lehet eltávolítani a nagyolvasztóból. Valamennyi cinkvegyületet a C redukálja a kohó alsó 1000 °C fölötti zónájában. A redukálódott fém cink gázhalmazállapotú és az alábbi reakció szerint képzıdik:

ZnO + C ={Zn}+ CO

(5.3) 77

Ahol az egyensúlyi állandó értéke a következı módon számolható:

K=

p Zn ⋅ p CO ; a ZnO ⋅ a C

amibıl a cink parciális nyomása p Zn = K ⋅

a ZnO ⋅ a C p CO

(5.4)

Az egyensúlyi állandóból kifejezett cink parciális nyomása és így a torokgázban lévı gız halmazállapotú cink mennyisége nı, amennyiben: -

a ZnO komplex vegyület aktivitási együtthatója nı [15]

-

a torokgáz hımérséklet nı

-

a nagyolvasztóban a CO-parciális nyomása nı, míg a CO2 ugyanezen paramétere csökken (gázkihasználás csökken).

Annak érdekében, hogy a cink kohóból történı eltávolítását befolyásoló tényezık vizsgálata elvégezhetı legyen, szükséges volt a cink eltávolítására adaptált adatbázis elkészítése is, amely lényegi tulajdonságaiban megegyezik a korábban említett adatbázissal. Ezen tényezıkre faktoranalízist végeztem, melynek eredményeként (28. melléklet) a többit leginkább befolyásoló paraméter közül 23 db-ot, míg elméleti megfontolások miatt további 3 db (torokgáz-hımérséklet, -nyomás és gázkihasználás) paramétert kiválasztottam, melyekkel korrelációvizsgálatot végeztem. A korrelációvizsgálat eredménye a 29. mellékletben található, melyek a következıképpen összegezhetık: -

több falazat- és hőtılap-hımérséklet értéke valamint a kohógázzal eltávozó cink mennyisége között ellentétes elıjelő kapcsolat van, ami a már kialakult tapadványok gázáramlási folyamatokat károsan (túlzott mértékő középponti vagy csatornás járat kialakulása) befolyásoló hatásának is tulajdonítható (r≈0,4-0,6)

-

a nagyolvasztó különbözı részein mért differenciál nyomásértékek, valamint az eltávozó cink mennyisége között egyértelmő megállapítást nem lehet tenni

-

a nagyolvasztóból a torokgázzal történı cink eltávolítására vonatkozó egyik legerısebb ható tényezı a gázkihasználás mértéke (r=-0,61).

Az alábbiakban már csak a (5.3) reakcióegyenletbıl levezetett legfontosabb paraméter a torokgáz kihasználásnak a kohóból történı cink kiürítésre kifejtett hatását vizsgálom. Mivel a szállópor és a Dorr-iszap cinktartalmának értékei csupán napi szinten álltak rendelkezésre a cinkmérleg készítése során, így annak gázkihasználással kapcsolatos összefüggését is ugyanezen idıszak napi értékeinek felhasználásával tudtam elkészíteni (43. ábra). Ezen ábra 78

esetében természetesen figyelembe kell venni a cinkmérleg tárgyalásakor említett mintavételezési, mérlegelési ill. esetleges elemzési bizonytalanságot, ami a korreláció mértékét nagymértékben csökkenti.

43. ábra A gázkihasználás és a kohógázzal eltávolított cink mennyisége közötti összefüggés A cink-oxid redukciójából levezetett elméleti összefüggést az ábra igazolja, mely szerint a gázkihasználás mértékének csökkenésével a nagyolvasztóból eltávozott cink mennyisége nı. Ez lényegében azt is jelentheti, hogy a gáz rosszabb gázkihasználás esetén a nagyolvasztó medence részébıl a torok felé áramolva gyorsabban (pl. csatornás járat) teszi meg az útját, így nem végzi el a redukciós feladatának egy részét, aminek a következtében a gázkihasználás csökken. A nagyobb gázsebesség egyben azt is jelenti, hogy a gáz nagyobb mennyiségben ragad magával finom poros elegyrészt, melyen a cink kondenzációja megtörténhet, így a kohóból ezen finom szemcsékkel együtt eltávozó cink mennyisége nı. Természetesen a torokgázzal nem távozó és a falazaton növekvı rétegvastagságú tapadványt képzı cink ugyanakkor - mint ahogy az elızı fejezetekben láttuk - kedvezıtlenül befolyásolja a gázkihasználás mértékét. A korrelációvizsgálat alapján a torokgáz hımérséklete és a torokgáz nyomása nem mutat releváns összefüggést a torokgázzal eltávozó cink mennyiségével. A fentebb bemutatott paraméterek változtatásával a tapadványképzı elemek nagyolvasztóban történı körforgása csökkenthetı, így a tapadványképzıdés mértéke is mérsékelhetı. Ezen 79

paraméterek jelentıs mértékő, célzott változtatására – a példaértékő nagyolvasztó mőködési feltételei miatt – a vizsgálataim alatt nem volt lehetıség, így ezek nagyolvasztói üzemmenetet befolyásoló hatását korlátozottan tudtam csak megvizsgálni. 5.2. A nagyolvasztó akna falazathőtésének optimalizálása 5.2.1. A tapadványréteg (falazat) vastagságának meghatározása a beépített hőtılaphıelemek segítségével A nagyolvasztó akna alsó részére vonatkozó elméleti hıátadási modellszámításokon kívül a gyakorlati, mérési eredményeket is felhasználtam annak érdekében, hogy megállapíthassam, hogy adott hıáramsőrőség esetén a különbözı falazat- ill. hőtılap-hımérsékleti modellszámítások eredményei és a gyakorlati adatok milyen kapcsolatban vannak egymással. A nagyolvasztó akna alsó részén elhelyezkedı 10/17-es hőtılap hıátadási modellel meghatározott „meleg”- és „hidegoldal” hımérsékleteket a 44. ábrán tüntettem fel folytonos vonalak formájában. Ezt követıen több esetben megvizsgáltam, a mérési adatok alapján (hőtılap bemenı és kimenı hőtıvíz-hımérsékletek különbsége, hőtıvíz-térfogatáram) kiszámított hıáramsőrőség értékeket, ill. az ezekhez tartozó mért hőtılap „hidegoldali” hımérséklet értékeket. A 10/17-es hőtılap „hidegoldali” hımérsékletét, a korábban leírtak alapján, egy hıelem (5.sz.) segítségével mérjük a nagyolvasztó 17,9 m-es magassági szintjén, amelynek a kohó páncéltól való benyúlása 100 mm. A 19. ábra alapján a 44. ábrán bejelöltem négy olyan pontot (2, 4, 6 és 9 °C), amelyre példaértékően bemutatom a számítás metodikáját. A hıtani modellszámítási eredményeit megjelenítı vonaldiagramokból – a hıáramsőrőség ismeretében – meghatároztam a hőtılap „hideg”és „meleg-oldali” hımérsékleti értékeket. Az adott hıáramsőrőségekhez tartozó - a nagyolvasztói adatbázisból nyert és többek közt a 19. ábrán is példaként bemutatott – mért hőtılap „hidegoldali” hımérsékleti értékeket (lényegében a 17,9 m 5.sz. mérıhelyének értékeit) is megjelöltem a 44. ábrába. Ezeket a mérési eredményeket narancsszínő jelölık mutatják. Mindezek után a hőtılapon mért „hidegoldali” hımérsékletek és a hıáramsőrőség ismeretében kiszámítottam a hőtılap „melegoldali” hımérsékletét, amit a barna színő jelölık mutatnak. A hıátadási modell számított értékeibıl alkotott hőtılap felületi hımérsékletek egyeneseit, csupán a falazat teljes elhasználódását jelentı hıáramsőrőségig jelöltem, de nyilván ennél az értéknél nagyobb hıáramsőrőséget is mérhetünk a hőtılap bemenı és kimenı hőtıvízhımérsékletek különbsége és a hőtıvíz-térfogatáram alapján. 80

44. ábra A különbözı hıáramsőrőségekhez tartozó hőtılap „hideg”- és „melegoldali”, hıátadási modellel számított ill. mért hımérsékleti adatok Megvizsgáltam a hőtılap „hidegoldali” mért és a hıátadási modellel kiszámított hımérsékleti értékek korrelációját, melynek eredményét a 45. ábra mutatja. Az ábrán bejelöltem a fentebb említett 4 db példához tartozó értékeket is.

81

45. ábra A különbözı hıáramsőrőségekhez tartozó hőtılap „hidegoldali” hıátadási modellel számított ill. mérési adatok A hőtılap „hidegoldali” mért, és a hıátadási modellbıl számított ugyanezen hımérsékleti értékek között nagyon erıs korrelációs kapcsolat van, ami alapján kijelenthetı, hogy a mért értékek alkalmasak arra, hogy a hıátadási modellbe alkalmazzam a hőtılapon kialakuló tapadvány vastagságának kiszámításához. A hőtılapon kialakuló tapadvány vastagságának meghatározása során a célom az volt, hogy a nagyolvasztót mőködtetı szakemberek számára egy olyan on-line üzemmódban alkalmas eszközt fejlesszek ki, melynek segítségével a mért adatok alapján napról-napra, óráról-órára tudják követni a nagyolvasztói járatparamétereket erıteljesen befolyásoló tapadványok vastagságának alakulását. Mindezek figyelembevételével vizsgáltam a hıáramsőrőség és a hőtılap „hidegoldal” mért hımérséklet értékek közötti korrelációs kapcsolatos, melynek eredménye a 46. ábrán látható.

82

46. ábra A különbözı hıáramsőrőségekhez tartozó hőtılap „hidegoldali” mérési adatok közötti kapcsolat A hőtılap „hidegoldal” mért hımérsékleti értékek erıs korrelációt mutatnak a hıáramsőrőség értékekkel, azaz ezek a mért adatok a hıáramsőrőség jellemzésére felhasználhatók a hőtılapon kialakuló tapadványréteg vastagságának meghatározásához. Az ábrán példaként jelöltem a korábban - 19. ábra - már említett különbözı hıáramsőrőségekhez tartozó hımérsékleti értékeket. Méréssel meghatároztam az 1.sz. tapadványminta hıvezetési tényezıjének értékét is annak érdekében, hogy a hőtési modellel történı számításaim során ne csak szakirodalmi, hanem konkrét a vizsgált nagyolvasztóra jellemzı mérési eredmények álljanak rendelkezésre. A hıvezetési tényezı értékének meghatározására vonatkozó mérést a 30. melléklet részletesen tartalmazza.

83

A kapott tapadvány hıvezetési tényezıjének értékei nagyságrendileg megfelelnek a szakirodalomban fellelhetı ezirányú – meglehetısen kisszámú – mérési adatoknak [21,26]. Ezekben a publikációkban a tapadvány összetételétıl, fizikai állapotától függıen a hıvezetési tényezıre

jellemzıen 0,30 − 5,00

W közötti m°C

értékeket

mutatnak.

Látható,

hogy

az

1.sz.

tapadványminta hıvezetési tényezıje a vonatkoztatási tartomány alsó széléhez közelít. Annak érdekében, hogy a korábbi fejezetben említett hıvezetési tényezı mérési bizonytalanságát kiküszöböljem, a további számításaim során a tapadványminta hıvezetési tényezıjét 1,00

W értékre vettem fel. m°C

A hőtılap hőtıvízének mért paraméterei alapján (hőtıvíz-térfogatáram, -belépı hımérséklet, -kilépı hımérséklet) meghatározott hıáramsőrőségbıl a hıátadási modell alapján számítást végeztem a hőtılapon kialakuló tapadvány vastagságának meghatározására. Ugyanezen hıáramsőrőséghez - az adott hőtıvíz paraméterek mérésének idıpontjában - összevetettem a mérési adatbázisból az ezen idıpillanatokhoz tartozó hőtılap „hidegoldal” (17,9 m 5.sz. mérıhely) mérési eredményeket, amely lényegében - a fenti példákat folytatva - 19. ábrában a zölddel jelzett görbe.

47. ábra A különbözı hőtılap „hidegoldali” hımérsékletmérési adatok és a hőtılapon elhelyezkedı tapadvány vastagsága közötti összefüggés 84

Ezt követıen, a hıátadási modellszámítás alapján (a tőzálló falazat hıvezetési tényezıjét a tapadványéra cserélve), a hőtılapon kialakuló tapadványréteg vastagságát a hőtılap „hidegoldal” függvényében ábrázoltam (47. ábra). Az összetartozó értékpárok között erıs (r=0,90) korreláció van. A pontokra fektetett trendvonal egyenlete: y = 7633,3 ⋅ e −0,1204⋅x . Ez alapján a különbözı

példaértékőnek

tekintett

„hidegoldali”

hımérsékletekhez

tartozó

tapadványvastagságokat a 6. táblázat mutatja. 6. táblázat A hőtılap „hidegoldalán” mért hımérsékletek alapján a hıátadási modell segítségével meghatározott tapadvány vastagságok Hőtılap „hidegoldali”

Tapadvány vastagsága

hımérsékletek (°C)

(mm)

24,0

424,4

33,0

143,6

43,0

43,1

52,0

14,6

77,5

0,7

Az ábrán referenciaértékként bejelöltem a beépített tőzálló tégla hıvezetési tényezıjével számított falazatvastagság-értékeket. Az ábrából az egyértelmően megállapítható, hogy kb. 30 °C alatti hőtılap „hidegoldali” hımérsékletek esetén a tapadvány vastagsága jelentıs mértékő lehet, ami veszélyeztetheti a nagyolvasztó egyenletes járatát. A fentiek alapján a nagyolvasztó akna alsó részére az általam kidolgozott hıátadási modell segítségével, kizárólag mért paraméterek segítségével (hőtılap „hidegoldal” hımérséklete, hőtıvíz-térfogatáram, hőtıvíz belépı és -kilépı hımérséklet) sikerült meghatároznom a nagyolvasztó akna alsó részén elhelyezkedı hőtılapokon kialakuló tapadványréteg vastagságát, aminek alkalmazása hozzájárulhat a nagyolvasztó egyenletes járatának fenntartásához. 5.2.2. A tapadványréteg (falazat) vastagságának meghatározása a hőtılap hőtıvízének jellemzıi alapján A hőtılap „hidegoldali” hımérséklete alapján meghatározható on-line módon a nagyolvasztó különbözı magassági szintjein a tapadvány vastagsága. Ugyanakkor rendelkezésre áll a korábban már említett hőtési modell alapján elkészített végeselem-módszert alkalmazó számítógépes modell [27] is, amely off-line üzemben alkalmas a tapadvány vastagságának meghatározására a hőtılapok mért be- és kimenı hőtıvíz 85

hımérsékleteinek és -mennyiségeinek alapján. Ehhez természetesen az szükséges, hogy a nagyolvasztó különbözı magassági és radiális pozícióiban elhelyezkedı megfelelı számú és jellemzı helyzető hőtılapokhoz nagy pontosságú áramlásmérıket és hıelemeket építsünk be a hőtıvíz mennyiségének és hımérsékletének mérése érdekében. A kijelölt hőtılapok vízrendszerét függetlenítettük a többi hőtılapétól, tehát jelentıs gépészeti átalakítások szükségesek. A végeselem-módszert alkalmazó számítógépes modell segítségével a 31. mellékletben bemutatott szimuláció elkészítésére van lehetıség, melyek közül példaként, a nagyolvasztó sérülésmentes falazata esetén, az akna alsó rész hőtılapjának jellemzı „meleg”- és „hidegoldal” hımérsékleteit szemléltetem a 48. ábrán.

48. ábra A nagyolvasztó akna alsó részén elhelyezkedı hőtılap hımérsékleti viszonyai a falazat sértetlen állapota mellett A szimuláció segítségével lehetıség van az alábbi paraméterek meghatározására, változtatására: -

hőtılap „hideg-” és „melegoldali” hımérsékletek

-

a hőtılap-csıkígyóban áramló hőtıvíz hımérséklete, nyomása, sebessége

-

a tapadvány (falazat) vastagsága

-

a hőtési rendszer (hőtılap+tőzálló falazat) réteghımérsékletek. 86

Az elvégzett hıátadási szimulációk a falazat ill. a tapadvány különbözı vastagsága esetén is elvégezhetık, melyek közötti különbség egyedül azok hıvezetési tényezıjének értékében mutatkozik. A tapadvány hıvezetési tényezı értéke a 30. melléklet alapján került meghatározásra, melyet az elızı fejezetben megfogalmazottak szerint 1,00

W értékre vettem fel. m°C

A nagyolvasztó akna alsó részén elhelyezkedı hőtılapban a hőtıvíz hımérsékletét állandó 20 °C-os értékre beállítva szimulációt végeztem a program segítségével a hőtılapból távozó különbözı hımérséklető víz esetén. A számítási eredményeket a 32. melléklet foglalja össze. A mellékletben bemutatott adatok alapján, azonos hőtıvízmennyiség (96 l/perc) esetén, a hőtılapba belépı és kilépı hőtıvíz-hımérsékletek különbségének függvényében ábrázoltam a tapadvány ill. a samott falazat vastagságának alakulását (49. ábra).

49. ábra A nagyolvasztó akna alsó részén elhelyezkedı hőtılapon elhelyezkedı tapadvány (samott falazat) vastagságának meghatározása a hőtılapból távozó hőtıvíz hımérsékletének alapján A pontokra fektetett trendvonal egyenlete: y = 841,41 ⋅ e −0,7934⋅x . Ez alapján a különbözı példaértékőnek tekintett hőtılap-hımérsékletek különbségeihez tartozó tapadványvastagságokat a 7. táblázat mutatja.

87

7. táblázat A hőtılap hőtıvízének mért jellemzıi alapján (mennyiség, belépı és távozó hımérséklet) hıátadási szimulációval meghatározott tapadványvastagságok Hőtıvíz hımérsékleti különbsége

Tapadvány vastagsága

(°C)

(mm)

0,7

482,8

2,0

172,1

4,1

32,5

5,5

10,7

9,0

0,7

A 6-7. táblázat a különbözı módszerrel, de ugyanazon mérési és szimulációs peremfeltételek mellett meghatározott tapadványvastagságot mutatják. Az eredmények összehasonlítása azt mutatja, hogy mindkét módszer alkalmas eszköz lehet a tapadványok vastagságának meghatározására. A 48-49. ábrák azt mutatják, hogy változatlan hımérséklető (20 °C-os) és térfogatáramú (96 l/perc) belépı hőtıvíz esetén a nagyolvasztó akna alsó részén elhelyezkedı hőtılapon kialakuló tapadványréteg vastagsága jelentıs mértékővé válik, amennyiben: -

a hőtılap hideg oldalán mért hımérséklet-értékek kisebbek, mint 30 °C-ot vagy

-

a hőtılapba bevezetett és az onnan távozó hőtıvíz-hımérséklet kisebbek, mint 2 °C.

Ebben az esetben a tapadvány vastagsága elérheti, vagy meghaladhatja a 200 mm-t, amely fölötti méretek esetén a tapadvány kiterjedése különösen káros lehet a gázkihasználásra. 5.2.3. A nagyolvasztó akna falazathőtésének optimalizálása A korábbiakban láttuk, hogy a nagyolvasztó akna, de különösképp az akna-alsó részén elhelyezkedı tapadvány alapvetıen meghatározza azt, hogy a nagyolvasztó milyen gázkihasználási értékkel üzemel. A hőtılapon kialakuló tapadvány vastagságának meghatározására többféle módszert is kidolgoztam. A tapadvány mértékének csökkentésére metallurgiai eszközök is rendelkezésre állnak, melyek segítségével csökkenthetı a tapadványképzıdés. A nagyolvasztóba beépített hőtılap konstrukciója nem változtatható, arra jellemzı hıátadási tényezıvel rendelkezik, amely a vízmennyiség változtatásának hatására (lásd 2.1.3.3. fejezet) csak kis mértékben módosul. Nagyobb vízmennyiség hatására nı, míg kisebb vízmennyiség hatására csökken. Ez a hőtılap „hidegoldal” hımérsékleti értékeire nagymértékben hat. Ugyanakkor az elvégzett számítások alapján, a tapadvány kialakulás szempontjából döntı 88

hőtılap „melegoldali” hımérsékletét 10 °C-nál kisebb hımérséklettel befolyásolja a vizsgált legnagyobb (144 l/perc) és legkisebb (72 l/perc) hőtıvíz-áram esetén. A hőtıvíz hımérséklete hasonlóan befolyásolja a hőtılap hımérsékleti viszonyait, mint a hőtıvíz mennyiségének változtatása. Annak csökkenése a hőtılap „hidegoldali” hımérsékletét nagymértékben befolyásolja, míg a „melegoldalét” kismértékben módosítja. Mindezek fényében a nagymértékő tapadványképzıdés és a sérülések elkerülése végett a hőtıvízrendszeren a következı módosításokat kell elvégezni: -

a nagyolvasztó akna alsó részén a hőtılapok hőtési intenzitást közepes mértékőre (96 l/perc) kell beállítani, amellyel biztosítható az, hogy egy esetleges nagymértékő tapadványleválás esetén a hőtıvíz hımérsékletének emelkedése ne haladja meg a 8 °C-ot. Ebben az esetben a hőtılap „melegoldali” hımérséklete megközelíti ugyan a 600 °C-ot (32. melléklet alapján), de a rajta maradt vékony védıréteg megóvja a hőtılapot a sérüléstıl

-

az ennél jóval kisebb (<60 l/perc) hőtıvízmennyiség esetén a tapadványleválások hatására bekövetkezı nagymértékő hıáramsőrőség-növekedés a hőtılapban áramló víz lokális forrását is elıidézhetik ami a hőtılap tartóssága szempontjából nem szerencsés

-

az esetleges hőtılapsérüléseket a lehetı leggyorsabban meg kell szüntetni, mivel egyéb káros hatása mellett a hőtılap környezetét lehőti, így kitőnı terepet ad a tapadványképzı elemek kondenzációjához

-

a nagyolvasztó akna hőtési rendszerét egyenletesen kell beállítani, hogy ne alakuljanak ki hidegebb területek, ahol a tapadványképzıdés feltételei kedvezıbbek.

Annak érdekében, hogy a tapadványképzıdés minimalizálható legyen a fenti hőtési rendszert érintı változtatásokon kívül az alábbi intézkedések javasoltak: -

a nagyolvasztó kerületi gázáramának megfelelı mértékő fenntartása a nagymérvő tapadványképzıdés kialakulásának megakadályozása érdekében: o kerületi kokszadagolás a tapadványréteg megvastagodása esetén o kohóállások alkalmával a kerületi kokszadagolással gátolni az állás alatti tapadványképzıdést o a medencegáz mennyiségének növelésével (földgáz) a kerületi gázáram elısegítése

89

-

a tapadványképzı elemek körforgásának csökkentése a nagyolvasztóban a metallurgiai eszközök figyelembevételével: o a kummulatív mérleg segítségével monitorozni a nagyolvasztóban maradó tapadványképzı elemek mennyiségét o alacsony bázikusságú ill. savanyú salakkal történı üzemelés, melynek hatására a Na, K nagymértékben kiüríthetı a rendszerbıl o alacsony olvadékhımérséklettel történı üzemelés a Na-, K-eltávolítás érdekében o a Zn salakkal történı kiürítése nem lehetséges, mivel az csak a nagyolvasztó torok részén a torokgázzal együtt távozik. A minél nagyobb mértékő Zneltávolításnak a magas torokgázhımérséklet kedvez.

90

6. Összefoglalás 6.1. Az 1. fejezet összefoglalása Az alkália- és cink-szennyezık az alapanyagokkal kerülnek be a nagyolvasztóba, majd az elegyoszloppal együtt a medence irányába vonulnak. A kohó alsó, magasabb hımérséklető részein termodinamikailag és reakciókinetikailag meghatározott feltételek mellet mind az alkáliák, mind a cink elgızölögnek, amelyek a redukáló gáz segítségével a nagyolvasztó magasabban elhelyezkedı zónáiba kerülnek. A kohó ezen hidegebb részein kondenzálódnak, majd a létrejött különbözı alkália- (fıként szilikát és karbonát) és cink (fıként oxid és karbonát) vegyületek újból, a medence irányba mozognak. Ennek megfelelıen a nagyolvasztó medence, nyugvó és akna alsó részében az alkáliák és a cink nagymértékő dúsulása-körforgása figyelhetı meg. A kialakult alkáliavegyületek alapján megkülönböztetünk szilikát-, karbonát- és cianidkörfolyamatokat. A nátrium és kálium közül az utóbbi vesz részt nagyobb mértékben az említett körfolyamatokban, mivel termodinamikailag kevésbé stabil vegyületeket alkot. A nagyolvasztókban uralkodó körülmények között az alkáliák és a cink redukciója minden esetben bekövetkezik, azonban a járatparaméterek és kohósalak célszerő módosításával lehetıség van ezek bizonyos mértékő csökkentésére. Az alkáliák és a cink egyértelmően káros elemei a nagyolvasztókban lejátszódó metallurgiai folyamatoknak. Ezek nagymértékő dúsulása romló koksz és ércelegy minıséghez és ennek megfelelıen egyenetlen anyagoszlop levonuláshoz vezetnek. Ezen kívül az említett szennyezıanyagok jelentıs mértékben képesek a tőzálló falazatot roncsolni a nagyolvasztó teljes magassága mentén, valamint az alkáliák cianidképzı hajlama miatt jelenlétük környezetvédelmi problémákat is felvet. További rendkívül kedvezıtlen tulajdonságuk a tapadványképzésre való hajlamuk. A tapadvány – mely leginkább a kohó akna alsó- és középsı részén található - a falazatot borító megvastagodott szilárd réteg, mely fıként részben redukálódott ércekbıl és különbözı kálium-komplex vegyületekbıl áll. A nagyolvasztói tapadványképzıdésre vonatkozó – meglehetısen kis számú - elmélet közös jellemzıje, hogy a nátrium, a kálium és a cink ill. ezek vegyületei egyértelmően elısegítik a tapadványképzıdést. A tapadványok fıként a nagyolvasztó üzemszünete, lassabb járata alatt alakulnak ki. Képzıdésüket és méretüket a redukáló gázzal felfelé áramló gázfázisú tapadványképzı elemek elısegítik, növelik.

91

6.2. A 2. fejezet összefoglalása A nagyolvasztókat - falazatuk védelme érdekében - hőtıszerelvényekkel szerelik fel. A vizsgálataimat az ISD DUNAFERR Zrt. II.sz. nagyolvasztójánál végeztem, ahol beépített szerelvényekkel ipari víz áramoltatásával hőtik a kohó falazatát. A nagyolvasztói tapadványok létezésének és jellemzıinek közvetlen megfigyelésére (a leállítást követı bontás kivételével) nincs lehetıség. A detektálás közvetett lehetıségei közül a falazat-hımérsékletek, illetve a hőtési intenzitás paramétereinek változásait nyomon követı vizsgálatok a legmegfelelıbb módszerek. A kialakuló tapadványréteggel helyenként megvastagodott aknafalazat esetén a hőtıvíz hımérséklet-növekedése alapvetıen kisebb mértékő, mint a tapadványmentes felületekrıl elvezetett víz hımérséklete (változatlan hőtıvíz jellemzık esetén). Ennek megfelelıen a gázkihasználás és a tapadványképzıdés kapcsolatrendszerének kutatásában többnyire a tapadványképzıdéssel és -leválással szoros összefüggésben változó és mérhetı falazathőtési paraméterek képviselik a független változó (a tapadványkialakulás) szerepét. A nagyolvasztó különbözı magassági szintjein a nagyobb mértékő falazathımérsékletváltozások (tapadványképzıdés és –leválás) hatását vizsgáltam a gázkihasználásra, melyek az alábbiak szerint rendszerezhetık: - abban az esetben, ha a nagyolvasztó azonos magassági szintjén radiális irányban egyszerre több mérési pozícióban (a nagyolvasztó meghatározó térfogatrészén) a falazat-hımérsékleti értékek megváltoznak (1 óra alatt >25 °C-al) , azaz tapadványképzıdés vagy -leválás következik be, a gázáramlási viszonyok módosulása következtében a gázkihasználási értékek kismértékben (1-2 %) megváltoznak. - abban az esetben, ha a nagyolvasztó különbözı magassági szintjén és az adott magassági szinteken radiális irányban is egyszerre több mérési pozícióban a falazat-hımérsékleti értékek jelentıs mértékben (1 óra alatt >50 °C) megváltoznak, azaz nagyobb mértékő tapadványképzıdés vagy -leválás következik be, a gázáramlási viszonyok módosulása következtében a gázkihasználási értékek nagymértékő módosulásával (2-5 %) kell számolni. A tapadványok okozta nagyobb mértékő gázkihasználás változás, tehát akkor következik be, ha a nagyolvasztó jelentıs – különbözı magassági szinteket érintı – térfogatrészén tapasztalható. A fentiekbıl következıen a tapadványok okozta gázáramlási viszonyok módosulása kapcsolatban van a tapadványok elhelyezkedésével, alakjával és „mozgásával”, ezáltal hatásuk a gázáramlást leíró paraméterekkel – elsısorban a gázkihasználással - jellemezhetı.

92

A nagyolvasztói tapadványképzıdési folyamatok részletes vizsgálatához elengedhetetlen, hogy ismerjük a tapadványképzıdésben résztvevı kémiai elemeket, ásványfázisokat. Az átépítésre leállított nagyolvasztóból kivett tapadványminták alapján a következık állapíthatók meg: - a nagyolvasztóból kivett tapadványok vizsgálata alapján a tapadványok struktúrája lamináris (réteges) és nem lamináris is lehet, egyazon magassági zónán belül is - a nagyolvasztóba beadagolt alapanyagok összetételének megváltozása alapvetıen módosítja a tapadvány kémiai- és ásványfázis-összetételét, amit a vizsgálat során kivett lamináris tapadványok rétegenkénti kémiai elemzése bizonyít - a nagyolvasztóba beadagolt alapanyagok alkália- és cink-tartalma – az elvégzett kémiai- és ásványfázis-vizsgálatok alapján - részt vesz a tapadványképzıdési folyamatokban, azonban elsısorban a lamináris tapadványok esetében - a lamináris és nem lamináris tapadványok kémiai- és ásványfázis-összetétele jelentıs különbséget mutat (ill. merwinit és wüstit). A lamináris tapadványok jóval nagyobb mértékben tartalmaznak SiO2-, Al2O3- és MgO-tartalmú vegyületeket, ennek megfelelıen a merwinit és a wüstit ásványfázis is nagyobb részarányban található meg bennük - a nem lamináris tapadvány szilárdsága jóval kisebb, ami a tapadványba beépült kokszszemcséknek köszönhetı - a Na- és K-tartalmú tapadványképzı elemek – a kémiai- és az ásványfázisvizsgálatokból következıen -, fıként az amorf fázisban találhatók, azaz nem rendezıdnek kristályráccsal meghatározható szilárd fázisba. A tapadványmintán elvégzett SEM vizsgálat alapján megállapítható, hogy általánosan három típusú – összetételő szövetet lehet elkülöníteni, amelyek ismétlıdnek: 1. Ca-szilikátos, porózus és fıleg magnezioferrit szemcséket tartalmaz 2. Wüsztites, kompakt és vasszemcséket tartalmaz 3. Ca-ferrátos, porózus, vasszemcséket tartalmaz Ezek a szövettípusok viszont átmeneteket alkotnak, így gyakori az egyes típusok alkotói által vegyesen felépített anyag is.

1. A Ca-szilikátos mátrixban fıként a magnezioferrit szemcsék dominálnak. A magnezioferrit jelentıs, de változó mennyiségben Ca-t és Mn-t tartalmaz, nyomokban Zn és Cr is jelen van. A Ca-szilikátos típusú mátrixban kevés a K-Al-szilikátos összetételő vegyület. 93

A Zn részben a magnezioferrit szemcsékben beépülve jelenik meg, de általánosan valamennyi típusú mátrixra elmondható, hogy nagyrészt a szemcsék pereménél dúsul, kisebb arányban jelenik meg a szemcsehatárokon. 2. Fe-oxidos (wüstit) mátrixban az Fe-szemcsék dominálnak. A wüsztites típusú mátrixban kevés a K-Al-szilikátos összetételő anyag. Ahol nagyobb a wüsztit mennyisége, ott kevésbé pórusos a szövet és kevesebb a K-Al-szilikátos amorf anyag jelenléte; ebbıl következik, hogy a porózus szöveten át közlekedı gázfázisból kondenzálódva keletkezett; megfigyelhetı helyenként a Na beépülése is ebbe a szilikát fázisba, de csak kis mennyiségben és nem rendszeresen. 3. A Ca-ferrátos (srebrodolskit) mátrixban is jellemzıek az Fe-szemcsék. Az ilyen típusú mátrixban gyakoriak az amorf Al-Si-K összetételő szilikátos komplexek, amelyek jellemzıen a pórusos területeken helyezkednek el. A fent említett komplex vegyületek kizárólag a szemcsehatárokon helyezkednek el. A nagyolvasztó akna alsó részében lejátszódó tapadványképzıdési folyamatok részletes vizsgálatára hıátadási modellt dolgoztam ki. A számítások eredményeként a tőzálló falazat teljes elkopása esetén a hőtılap „melegoldali” hımérséklete megközelíti a 600 °C-ot. Ez a hımérsékleti intervallum ideális arra, hogy a nagyolvasztó munkaterében jelenlévı gáz halmazállapotú tapadványképzı elemek (Na, K, Zn) kondenzálódásával a már meglágyult nagyolvasztói salakképzı vegyületek tapadványt alkossanak. Az elvégzett számítások alapján a hőtıvíz-térfogatáram növekedésével – azonos hıáramsőrőség esetén – a hőtıvíz kilépı és belépı hımérséklete közötti különbség kismértékben csökken, ugyanakkor a hőtıvíz-térfogatáram változtatása csupán kismértékben befolyásolja a hőtılapok „hideg”- és „melegoldalának” hımérsékletét. 6.3. A 3. fejezet összefoglalása Az aknafalon képzıdött tapadvány a gázáramot lényegében a Venturi-csı elvének megfelelıen mőködteti, azaz a tapadványkialakulás tartományában leszőkült áramlási keresztmetszet magasságának térségében a gázáramsebesség, az eredeti (tapadványmentes) és a leszőkült áramlási keresztmetszet hányadosával növelt mértékben nagyobb lesz. A gázáramsebesség növekedésével párhuzamosan a gáz tartózkodási ideje rövidebb lesz, így az indirekt redukcióban történı részvétel mind fizikai, mind metallurgiai értelemben korlátozottabb mértékő lesz.

94

A hőtıvízzel elvont hımennyiségek mérési eredményei alapján megerısítést nyert, hogy a gázáramlást relevánsan befolyásoló tapadványok a nagyolvasztó akna alsó magassági szintjétıl kezdve a torok szintjéig alakulnak ki. A nagyolvasztói tapadványok nagyságának és elhelyezkedésének hatását vizsgáltam a kohók gázáramlási jellemzıire. A nagyolvasztói gázpermeabilitás és gázkihasználási paraméterek segítségével kiválasztottam egy-egy olyan idıszakot melyekben mindkét paraméter értékei „kedvezınek” ill. „kedvezıtlennek” tekinthetık. A két idıszak vonatkozó jellemzıit külön-külön és összehasonlítva is megvizsgáltam, ami alapján a következı megállapítások tehetık: − a „kedvezı gázáramlási idıszak” jelentısen nagyobb falazat-hımérsékletei és ebbıl következıen nem vagy csak kismértékben képzıdött tapadványai következtében a CO-kihasználás számottevıen nagyobb volt, mint a „kedvezıtlen gázáramlási idıszak” lényegesen kisebb falazat-hımérsékletei által jelzett, jelentıs mértékő tapadvány-képzıdmény hatására kialakult, sokkal kisebb CO-kihasználás − a gáz jobb hıkihasználását, a nagyobb falazat-hımérséklető és így tapadvánnyal feltehetıen nem terhelt „kedvezı gázáramlási idıszakban”, az elegyfelszín felett mért lényegesen kisebb gázhımérséklet bizonyítja; míg a „kedvezıtlen gázáramlási idıszak” kisebb falazat-hımérséklető és nyilvánvalóan tapadványt tartalmazó nagyolvasztó, elegyfelszín felett mért, jelentısen nagyobb hımérséklető gázárama, sokkal kisebb hıkihasználást jelez − a tapadványképzıdés tehát a felfelé áramló gáz kémiai és energetikai hasznosulását egyaránt csökkenti, ezért képzıdését gátolni, a kialakult tapadványt pedig rombolni kell. A nagyolvasztó akna alsó részének (16,0-20,8 m-ig) átlagos falazat- és hőtılap-hımérsékletei markánsan különböznek egymástól a vizsgált két idıszakban. Az akna felsı zónáira (≈24, ≈27, ≈31 m) jellemzı falazat-hımérsékletek viszonylag konstans értékei tapadványképzıdési és -leválási folyamatokra nem utalnak. A nagyolvasztó akna alsó részének - a két gázáramlási idıszak együttes feldolgozása alapján nyert - falazat-hımérsékletei és a gázkihasználás közötti regresszióanalízis eredményeként a következık mondhatók: -

az akna térségében süllyedı anyagáram irányába haladva, az egyre mélyebb (20,8; 17,6; 16,0 m) aknamagasságokra vonatkozó falazat-hımérséklet és gázkihasználás közötti függvénykapcsolatok erıssége (r) fokozatosan növekszik arról tanúskodva, hogy

95

az akna-alsó tartományaiban a tapadvány(ok) kialakulásának hatása a gázkihasználásra egyértelmőbb, mint a felsıbb zónákban -

az akna-alsó zóna középsı (17,6 m-es) magassági tartományának eredményei mutatják az egyik legnagyobb hatást a gázkihasználásra, utalva ezzel arra, hogy ebben a zónában uralkodik a CO-os redukció legkedvezıbb hımérséklete (≈900 °C)

-

az akna-alsórész három meghatározó magassági szintjének falazat-hımérséklet átlagértékei mutatják a legerısebb korrelációs kapcsolatot (r=0,76) a gázkihasználással, mutatva azt, hogy mindhárom szint együttes kumulatív hatása egyértelmőbben befolyásolja a gázkihasználás mértékét

-

az akna-alsó magassági tartományában ≈80 °C-os falazat-hımérsékletekig, csekély mértékben növekvı falazat-hımérsékletekre is ugrásszerően emelkedik a gázkihasználás mértéke, mivel a tapadványréteg vastagsága is erıteljesen csökken

-

az akna-alsó magassági tartományában ≈ 80 °C-nál nagyobb falazat-hımérsékletnél, annak növekedése gyakorlatilag már nincs számottevı összefüggésben a gázkihasználással, mivel az arra ható tapadvány jelenléte már csekély; lényegében ehhez a hımérséklethez tartozó tapadványréteget nevezhetjük a falazat védırétegének

-

a hőtılap(ok) „hidegoldali” hımérsékletei, és az azonos szinten (17,9 és 17,6 m) mért falazat-hımérsékletek, között igen erıs korrelációs kapcsolat van (r=0,88)

-

az akna-alsórész ≈ 18 m-es szintjén a tapadványréteg vastagsága és a gázkihasználás között fordított irányú lineáris összefüggés van, ahol a tapadványréteg vastagságának 44,0 mm-es növekedése esetén a gázkihasználás 1 %-os csökkenése következik be

-

a gázáramlás szempontjából eltérı két idıszak gázkihasználási értékeit összehasonlítva a két idıszak gázkihasználási értéke markánsan eltér egymástól. A tapadványok kialakulása átlagosan 6,7 %-kal csökkentette a gázkihasználást, amibıl következıen a fajlagos kokszfelhasználás 46,9 kg/t nyv.-sal, a CO2-emisszió pedig 147,9 kg/t nyv. mennyiséggel növekedett.

6.4. A 4. fejezet összefoglalása A tapadványképzıdés mértéke, kiterjedése erısen függ a nagyolvasztóba az alapanyagokkal behordott Na-, K-, Zn mennyiségétıl, illetve az onnan eltávozó tapadványképzı elemek mennyiségétıl, ezért a fenti elemekre részletes anyagmérleget készítettem, melybıl az alábbi következtetések vonhatók le:

96

− A tapadványképzı elemekre vonatkozó termodinamikai és reakciókinetikai okok miatt a kálium nagyolvasztóból történı eltávolítása - a nátriuméhoz képest - sokkal nagyobb mértékben változik a vizsgált idıszakban. Ugyancsak ezen okokból kifolyólag a salakkal történı káliumeltávolítás nagyságrendekkel nagyobb, mint a torokgázzal (szállóporral) történı kiadás − A napi káliummérlegek kumulatív módon történı vizsgálatából is egyértelmően látható, hogy alkalmasak a tapadványképzıdési és -leválási mechanizmus nyomon követésére - A nagyolvasztóba történı nátrium- és káliumbevitel egyrészt az ércelegy legfontosabb alkotóival - a zsugorítvánnyal és a különbözı pelletekkel - történik, másrészt a tüzelıés redukálóanyag, azaz a koksz közremőködésével. Kis mértékben, de a salakképzı (mészkı) és a vásárolt zsugorítvány is hozzájárul a kohó nátriumterheléséhez - A kiadási oldalon a nátriumot és a káliumot döntıen a salak győjti meg, amit jól mutat, hogy részaránya a teljes kiadási tételeket tekintve, több mint 98 %. A salakkal és a torokgázzal történı nátrium- és kálium-eltávolítás ingadozási sávja széles mezıben szóródik, mely fıként a mőködési paraméterek változásának az eredménye - Az adatok elemzése során megállapítható, hogy a vizsgált idıtartományban a Namérleg és a K-mérleg bemeneti oldala kisebb, mint a kimeneti oldala. Ez - ismerve a nagyolvasztóból történı nátriumeltávolítás metallurgiai feltételrendszerét - elsısorban a folyamatos tapadványleválás révén lehetséges, ami erre az esetre is valószínősíthetı - A cink fı forrása a zsugorítvány, illetve a zsugorítványgyártáshoz használt anyagok, ahol a kohászati vállalatok a Fe-tartalmú - gyártás közben keletkezı - belsı hulladékokat (iszapokat, porokat) feldolgozzák. A kohóba történı cinkbevitel szempontjából a koksz nem játszik semmiféle szerepet - A cink nem győlik meg a kohósalakban, hanem a torokgázzal együtt távozó szemcsékre tapadva a kohógáztisztító rendszerbe jut. Így egyrészt szállópor formájában, másrészt a nedves gáztisztítást követıen Dor-iszapként kerül ki a nagyolvasztó anyagáramlási folyamatából. Az a következtetés vonható le, hogy a cink a kohóból távozó nagyobb szemcseátmérıjő porszemcséket leválasztó száraz gáztisztítás során kisebb, míg a finom porszemcséket leválasztó nedves gáztisztítás során nagyobb mértékben kerül leválasztásra - A kezdeti nagyobb mérvő cink eltávozást követıen lényegében a vizsgálati idıszak teljes egészében a kohóban lévı cink mennyisége növekedett.

97

6.5. Az 5. fejezet összefoglalása Annak érdekében, hogy a nagyolvasztóból történı Na- és K- és Zn-eltávolítás mértékét befolyásoló tényezıket feltárjam számos mőködési paraméter napi átlagértékeinek hatását vizsgáltam faktoranalízis és korreláció vizsgálat segítségével, melyek a következıképpen összegezhetık: -

a salak K2O-tartalom növekedésével az Na2O-tartalma is nı

-

a salakbázikusság (B1) növekedésével a salak K2O- és Na2O-tartalma csökken

-

több falazat- és hőtılap-hımérséklet értéke valamint a salak K2O-tartalma között azonos irányú kapcsolat van, ami a tapadványleválásra utal

-

a kohóakna és akna-közép differenciál nyomásértékek valamint a salak K2O-tartalma között ellentétes elıjelő kapcsolat van, ami a kohó említett térfogatrészén a leváló tapadványok gázáramlást javító hatásával hozható összefüggésbe

-

a nagyolvasztó nyugvó részének differenciál nyomása és a salak K2O-tartalma ellentétes elıjelő korrelációt mutat, ami a levonuló tapadványok gázáramlást csökkentı hatásával magyarázható

-

több falazat- és hőtılap-hımérséklet értéke valamint a kohógázzal eltávozó cink mennyisége között ellentétes elıjelő kapcsolat van, ami a már kialakult tapadványok gázáramlási folyamatokat károsan (túlzott mértékő középponti vagy csatornás járat kialakulása) befolyásoló hatásának is tulajdonítható

-

a nagyolvasztó különbözı részein mért differenciál nyomásértékek valamint az eltávozó cink mennyisége között egyértelmő megállapítást nem lehet tenni

-

a nagyolvasztóból a torokgázzal történı cinkeltávolításra vonatkozó egyik legerısebb ható tényezı a gázkihasználás mértéke.

A tapadványminták hıvezetési tényezıjének mérésébıl származó adatok iránymutatásával számításokat, vizsgálatokat végeztem a vizsgált hőtılapon kialakuló tapadványréteg vastagságának meghatározására. Az általam kidolgozott nagyolvasztó akna-alsó hıátadási modell segítségével, kizárólag mért paraméterek segítségével (hőtılap „hidegoldali” hımérséklete, hőtıvíz-térfogatáram, hőtıvízbelépı és -kilépı hımérséklet) kétféle módszer (hőtılap „hidegoldali” hımérséklet, illetve hőtıvíz-hımérséklet emelkedése) segítségével sikerült meghatároznom a nagyolvasztó akna alsó részén elhelyezkedı hőtılapokon kialakuló tapadványréteg vastagságát. A két módszer által meghatározott tapadvány-rétegvastagság értékek megfelelı egyezıséget mutatnak.

98

A kidolgozott hıátadási modell és a tapadványvastagság meghatározási módszer alkalmazásával, a nagyolvasztók mőködtetıi valós idejő információt nyernek a tapadvány aktuális vastagságáról. A vizsgálatok eredményeként nagymértékő tapadványképzıdés illetve a hőtılap sérülések elkerülése végett a hőtıvízrendszeren a következı módosításokat kell elvégezni: -

a nagyolvasztó akna alsó részén a hőtılapok hőtési intenzitását közepes mértékőre (96 l/perc) kell beállítani

-

az esetleges hőtılapsérüléseket a lehetı leggyorsabban meg kell szüntetni, mivel egyéb káros hatása mellett a hőtılap környezetét lehőti, így kitőnı terepet ad a tapadványképzı elemek kondenzációjához

-

a nagyolvasztó akna hőtési rendszerét egyenletesen kell beállítani, hogy ne alakulhassanak ki hidegebb területek, ahol a tapadványképzıdés feltételei kedvezıbbek.

A nagymérvő tapadványképzıdés kialakulásának megakadályozása érdekében, a fenti hőtési rendszert érintı változtatásokon kívül további intézkedések javasoltak, melyek segítségével fenntartható a nagyolvasztó megfelelı mértékő kerületi gázárama illetve csökkenthetı a tapadványképzı elemek körforgásának mértéke.

99

7. Tézisek A doktori kutatómunka alábbi tézisekben megfogalmazott eredményeinek egyik bázisinformációja és egyben a nagyolvasztói vizsgálatok során használt magassági tartomány kijelölésének helyességét bizonyítja, az átépítésre leállított és kitisztított (ISD DUNAFERRR I.sz.) nagyolvasztóban végzett vizuális vizsgálatnak az alábbi megállapítása. E szerint jelentıs mértékő tapadvány az akna alsó részén és a szénpohában helyezkedik el, míg az akna középsı részén csak kismértékő, a felsıbb tartományban pedig lényegében nincs tapadványképzıdés (2.1.2.1. fejezet, 14-15. ábra és 2-3. melléklet). 1.

A nagyolvasztó akna alsó részébıl származó tapadványmintákon (2.1.2.1. fejezet, 16. ábra és 2.1.2.2. fejezet 17. ábra) elvégzett kémiai elemzések (5. és 6. melléklet), valamint ásványtani vizsgálatok (2.1.2.2. fejezet 7., 8. és 9. melléklet) a tapadványok réteges felépítését bizonyítják. A szövettani elemzések pedig kimutatták, hogy azokban Ca-szilikátos és magnezioferrit szemcsékkel, továbbá wüsztites kompakt vasszemcsékkel, valamint Ca-ferrátos szemcsékkel jellemezhetı tipikus szövetek helyezkednek el, gyakorta átmeneteket alkotó, vegyes felépítésben (2.1.2.3. fejezet, 10. melléklet), jelezve a tapadványképzıdés idıben elhúzódó, szakaszokra bontható folyamatát.

2. A

tapadványképzıdés

szempontjából

kiemelkedı

jelentıségő

nagyolvasztó-

tartományban - azaz a kohézív zóna lábazatának a szolidusz hımérsékletet jelzı harangfelülete és az akna alsó része által határolt nagyolvasztó-zónában (a vizsgált nagyolvasztóban 16,0, 17,6 és 20,8 m) - a gázkihasználás (ηCO) a falazathımérséklet (Tfal) emelkedésével növekszik, az alábbi matematikai formulák szerint (3.3.1. fejezet, 28. ábra): 16,0 m-es magasságban

η CO = 6,8401 ⋅ ln T fal + 9,8147 ;% r = 0,71

17,6 m-es magasságban

η CO = 7,5805 ⋅ ln T fal + 9,3861 ;% r = 0,67

20,8 m-es magasságban

η CO = 5,1061 ⋅ ln T fal + 18,184 ; % r = 0,58

A szoros eredményeket produkáló három függvény adatmezejének kumulatív és ezzel általános érvényőnek tekinthetı függvényegyenlete a következı:

η CO = 7,0821 ⋅ ln T fal + 9,7821 ; %

r = 0,76

100

3. A nagyolvasztó akna-alsórész falazatának és az azonos szinten beépített hőtılapok „hidegoldali” hımérsékletei (Tfal, Thl) azonos irányú változásainak felismert összefüggés-rendszerét, a falazat-hımérsékletek meghatározására, vagy ellenırzésére alkalmas T fal = 1,3181 ⋅ Thl

1, 0514

r = 0,88

matematikai függvény fejezi ki (3.3.1 fejezet 29. ábra).

4. A tapadványréteg vastagságának (st; mm) meghatározására a vizsgálat az aknaalsórész hőtılapjának „hidegoldali” hımérséklete (Thl; °C) függvényében az st = 7633,3 ⋅ e −0,1204⋅Thl ; mm r = 0,90

az akna-alsórész falazat-hımérsékletének (Tfa; °C) függvényében az st = 4 ⋅ 10 7 ⋅ T fa

−3, 246

; mm

r = 0,86

a hőtıvíz-hımérséklet (Tem; °C) emelkedési mértékének növekedése függvényében pedig az st = 841,41 ⋅ e −0, 7934⋅Tem ; mm r = 0,88

matematikai formulát eredményezte, mint a meghatározás kizárólagos, nem invazív lehetıségét (5.2. fejezet, 47. ábra; 3.3.1.2. fejezet 30. ábra és az 5.2. fejezet 49. ábra). 5. A tapadványréteg vastagságának (st; mm) növekedése jelentısen csökkenti a gázkihasználás (η CO ; %) mértékét, a vizsgálatok egyik eredményeként meghatározott

η CO = −0,0227 ⋅ s t + 44,001 ; %

r = 0,80

matematikai formula szerint (3.3.1.3. fejezet, 31. ábra), melynek megfelelıen a tapadványréteg vastagságának minden 10 mm-es növekedése a CO-kihasználást 0,227 %-kal csökkenti, következésképpen a fajlagos kokszfogyasztást 1,6 kg/t nyv., a CO2-emissziót pedig 5,2 kg/t nyv. mennyiséggel növeli.

101

6. Az aknafalazat alsó részén lejátszódó tapadványképzıdési folyamat a hőtıvíztérfogatáram lehetséges mértékő változtatásával gyakorlatilag nem szabályozható, minthogy azonos hıáramsőrőségek mellett, a hőtılapnak sem a „melegoldali” sem a „hidegoldali” hımérsékletei nem változnak számottevıen, és a közöttük lévı különbség is csak a konstans hıáramsőrőség fenntartásához szükséges, csekély mértékben csökken (2.1.3.3. fejezet, 23. ábra).

7. Az elegyfelszín felett radiálisan mért gázhımérsékleteknek a nagyobb COkihasználásra, illetve kisebb tapadványterhelésre vonatkozó értékei kisebbek, mint a kisebb CO-kihasználáshoz, azaz nagyobb tapadványképzıdéshez tartozó gázáram hımérsékletei. Jelezve ezzel, hogy a kedvezıbb gázkihasználás mellett – ugyanazon kinetikai hatás következtében – a gáz hıhasznosulása is nagyobb mértékő, megerısítve egyben a CO-kihasználásra vonatkozó eredmények helyességét (3.4.2. fejezet, 32. és 33. ábra).

8. A tapadványképzést támogató K-, Na- és Zn-elemek idıegységre (pl. 1 hónapra) meghatározott anyagmérleg-egyenlete annak függvényében pozitív vagy negatív irányban eltér az egyenlıségtıl, hogy milyen mértékben képzıdik vagy válik le tapadvány a nagyolvasztóban. A jelzett elemek számottevı mértékő távozása salakkal (fıleg K és Na), illetıleg torokgázzal (Zn) tapadványleépülésre, bennmaradása pedig tapadványképzıdésre utal, ami az elemek mennyiségének kumulatív ábrázolása alapján nyomon követhetı (4.1. fejezet, 37. és 40. ábra).

102

Summary Investigation for the aggregation effect of the Blast Furnace lining cooling intensity, accretion forming process and the metallurgical efficiency of the upward BF gas. The alkali and zinc, which are charged into the blast furnace with burden, have several harmful effects; but above of all, they take part in the blast furnace accretion forming process. There are many opinions for accretion creation mechanisms. However, the effect of accretion for gas flowing and COefficiency are not well known. The dissertation investigates the impact of blast furnace lining cooling intensity and accretion created on the shaft wall for BF gas metallurgical efficiency. The investigations with regard to CO-efficiency were carried out at BF2 in ISD DUNAFERR Co. Ltd. under different conditions for the extent of accretion on the shaft wall. For analysis, a heat transfer model was created that can be adopted for defining the cooling stave “cold-side” temperature in the view of accretion heat conductivity. Based on lining temperatures, the thickness of the accretion layer on the shaft can be determined. The accretion samples were taken from BF1, which was shut down for relining. BF shaft’s stave cooling water measuring system was installed at the down part of the stack, for collecting temperature and volume data of cooling water, in order to investigate the effect of cooling water volume for accretion creation. Regarding the heat transfer model and the data collected from stave cooling water; it can be said that the cooling water volume did not have a significant effect on the lining temperature. This means that accretion formation is not controlled with the modification of the stave cooling water volume. Examinations were covered for the connection between BF gas CO-efficiency and accretion layer thickness. More than 6000 items of data were collected as the BF database under the blast furnace two - significant different - test periods. Having made statistical analyses (factor analysis and Spearman rank correlation) with the collected data; the results demonstrate that the solidus curve of cohesive zone and its perpendicular projection for lining creates a shaft zone volume that has significant effect for BF gas CO-efficiency. In the case where accretion is formed in this zone, it significantly reduces the BF gas CO-efficiency. A 10 mm increase of accretion thickness causes a 0,23 % reduction of BF gas CO-efficiency. The main reason is, firstly, the indirect reduction with CO takes place in the nominated zone and secondly, because of the cohesive zone, the cross-section in this zone is tighter; thus, the accretion formed reduces further the free cross-section. That is why the BF gas velocity increases, therefore, because of the time factor, the CO-efficiency decreases. Because of the above mentioned, the control of accretion forming is important basically for the BF operators in view of the energetic and environmental aspects. Accretion samples taken from BF1 were analysed with X-ray powder diffractometry, SEM and XRF. The results show that the accretion was formed layer by layer. The texture analysis of accretion shows that typical textures (Ca-silicate with Mg-ferrite grains, wustite with compact Fe grains and Ca-ferrite) which are varied one after the other.

103

Irodalomjegyzék [1] DANLOY, G., MIGNON, J., MUNNIX R., DAUWELS, G., BONTE, L. A blast furnace model to optimize the burden distribution. The 5th Europian Coke and Ironmaking Congress. 12-15 June 2005, Stockholm, Sweden [2] RANKIN, W.J., SEE, J.B. The alkali problem in the blast furnace. Minerals Science Engineering, Vol. 9, No. 2. April, 1977, pp 68-82. [3] BENESCH, R., LEDZKI, A., KOPEC, P., STACHURA, R., MIGAS, P., KLIMCZYK, A., MAZANEK, K. Behaviour of alkalies in sintering and blast furnace processes – the alkalies balances at Sendzimir steel plant. Metallurgy and Foundry Engineering, 1997, Vol. 23., No. 3, pp. 291-307. [4] YI, S.H., KIM T.D., KIM, H.D., LEE, W.J. A knowledge based system to predict channeling phenomena in the blast furnace operation. RIST J. R&D. Vol. 8, No. 3. September, 1994, pp 365-372. [5] DAVIDSON, J. Scaffold formation and removal in BFs. Steel Times International, March, 1987, pp 23-24. [6] LIN, R., HARTING, W., HOCHHAUS, J. Investigation of chlorine and alkali impacts on the blast furnace operation. The 5th Europian Coke and Ironmaking Congress. 12-15 June 2005, Stockholm, Sweden [7] SAMUELSON, C. Impurity flows due to waste recycling. Lulea Technical University Minerals and Metals Recycling Research Centre Report, 2000 [8] Outokumpu HSC Chemistry® for Windows 2002 [9] FARKAS O. Nyersvasmetallurgia. Tankönyvkiadó, Budapest, 1989. [10] HÁRI L. A cianidok képzıdésének sajátosságai a nyersvasgyártásban. Bányászati és Kohászati Lapok, 2002. február-március.135. évfolyam, 2-3.szám [11] HALM, L., SCHOENDOERFFER, M-J. Alkali reactions in blast furnace stack lining as compared to the causes of scaffold formation. Chapter 8. [12] LU, W-K., HOLDITCH, J.E. Alkali control in blast furnace: theory and practice. [13] JOUHARI, A.K., REDDY, P.S.R, MOHAPATRA, B.K., MISRA, V.N., Proceedings of the seminar on raw material preparation for metallurgical industries; Problems & solution, April 8-9, 2002, Regional Research Laboratory (Council of Scientific & Industrial Research) pp 62-63

104

[14] VAN NIEKERK, W.H, DIPPENAAR, R.J, KOTZE, D.A. The influence of potassium on reactivity and strength of coke, with special reference to the role of coke ash. J.S. Afr. Inst. Min. Metall., Vol. 86, No. 1. January, 1986, pp 25-29. [15] CHERNOV, N.N., DEMIDENKO, T.V., MARDER B.F., POCHEKAILO, I.E., TARANOVSKII, V.V. Distribution of alkali compounds in a large blast furnace. Metallurg, No. 5. May, 1983, pp 12-14. [16] ZHOU, Q., BI, X. The circulation of alkalis and fluorine in the blast furnace and their detrimental effects on the reduction degradation of sinter and pellets. Scandinavian Journal of Metallurgy, Vol.16, No. 2. 1987, pp 57-66. [17] ERIKSON, J. Accretion formation in the blast furnace. Examination of accretions in LKAB’s EBF. MEFOS presentation [18] BISWAS, A.K. Principles of blast furnace ironmaking. SBA Publications, Calcutta, 1981. pp 297-298 [19] WAKAYAMA, S. et al. Zinc in blast furnaces. Ironmaking and Steelmaking, No. 6. 1979, pp 261-267 [20] ZHEREBIN, B.N. Zinc in blast furnaces. Steel, 1991, pp 451-452 [21] EC Cont. No.:7210-PR/199. Investigation of accretion formation in a blast furnace shaft. 2005. pp 52-53. [22] ISHIKAWA, K. Guide to Quality Control. Tokyo, Japan: Asian Productivity Organization. 1986. [23] KGT Mérnökiroda Rt.: DUNAFERR Acélmővek Kft. II. sz. nagyolvasztó 2001. évi átépítése. Tanulmányterv, 1999. [24] DUNAFERR Fejlesztı és Karbantartó Kft.: A II. sz. nagyolvasztó 2001. évi átépítése. Hőtılapok átadás-átvételi dokumentációja, 2001. [25] McMaster University: Blast Furnace Ironmaking Course. Rules of Thumb 2002, Hamilton, Canada [26] Anil Kumar, Shiv Nandan Bansal, Rituraj Chandraker: Compututional modelling of blast furnace cooling stave based on heat transfer analysis. Materials Physics and Mechanics. 2012, No. 15., pp. 46-65. [27] Comsol szimulációs szoftver [28] HABERMANN, A., SCHUSTER, E., SCHUSTER, G. Blast furnace control technique at operation with high alkali input. The 5th Europian Coke and Ironmaking Congress. 12-15 June 2005, Stockholm, Sweden

105

[29] M.A. Mihejev: A hıátadás gyakorlati számításának alapjai. Tankönyvkiadó, Budapest, 1990 [30] VDI-Wärmeatlas,

Berechnungsblätler fürr den Wärmeübergang. VDI-

Verlag, Düsseldorf. [31] Pattantyús Á. Géza: A gépek üzemtana. Mőszaki Könyvkiadó, Budapest, 1983. [32] KGT Mérnökiroda Rt.: DUNAFERR Acélmővek Kft. II. sz. nagyolvasztó 2001. évi átépítése. Hőtılapok kiviteli terve, 2000. [33] KGT Mérnökiroda Rt.: DUNAFERR Acélmővek Kft. II. sz. nagyolvasztó 2001. évi átépítése. Hőtılapok kiviteli terve, 2000. [34] KGT Mérnökiroda Rt.: DUNAFERR Acélmővek Kft. II. sz. nagyolvasztó 2001. évi átépítése. Hőtılapok mőszaki szállítási feltételei, 2000. [35] Development of the ULCOS Low CO2 Blast Furnace Process at the LKAB Experimental BF in Lulea; J. van der Stel et al., paper presented at METEC 27 June-1 July 2011, Düsseldorf. [36] dr. Zajzon Norbert: Mőszeres ásványhatározás. Kézirat, Miskolci Egyetem Mőszaki Anyagtudományi Kar, Miskolc 2011. [37] Hegman N, Pekker P, Kristály F, Váczi T (2011) Nanometrológia. Miskolci Egyetem, Miskolc, p. 310 (ISBN 978-963-661-981-7) [38] Tsukamoto, T at all: High Top-Pressure Operation of Blast Furnace. Proceedings of International Conference on the Science and Technology of Iron and Steel. Tokyo. 1971. pp. 170-172

106

MELLÉKLETEK JEGYZÉKE

1. melléklet

A II.sz. nagyolvasztó vizsgált, 10/17-es hőtılapjának elhelyezkedése

2. melléklet Az ISD DUNAFERR Zrt. átépítésre leállított I.sz. nagyolvasztójának falazata a leállást követıen (15. fúvóforma irányából) 3. melléklet Az ISD DUNAFERR Zrt. átépítésre leállított I.sz. nagyolvasztójának falazata a leállást követıen (11. fúvóforma irányából) 4. melléklet A nagyolvasztó akna alsó részén elhelyezkedı hőtılapról vett tapadványminták vizsgálatokra történı elıkészítése 5. melléklet Az 1.sz. tapadványminta kémiai összetétel vizsgálatának eredményei rétegenkénti bontásban 6. melléklet A 2.sz. tapadványminta kémiai összetétel vizsgálatának eredményei 7. melléklet Az 1-2.sz. tapadványminták ásványfázis-vizsgálatának leírása 8. melléklet Az 1.sz. tapadványminta ásványfázis-vizsgálatának eredményei rétegenkénti bontásban 9. melléklet A 2.sz. tapadványminta ásványfázis-vizsgálatának eredményei mérıhelyek szerinti bontásban 10. melléklet A nagyolvasztó akna alsó részébıl kivett tapadványminta szövetképének és elemtérképének elkészítése 11. melléklet A nagyolvasztó akna alsó részén elhelyezkedı hőtılap hőtıvízmennyiségének és hımérsékletének mérése 12. melléklet A vizsgált hőtılap különbözı hőtıvízáramlási sebességekhez tartozó hőtılaphıátviteli tényezık számítása 13. melléklet A nagyolvasztó akna alsó részére érvényes hőtési modell felhasználásával elvégzett hıtechnikai számítás 14. melléklet A vizsgált 10/17-es hőtılap szerkezeti kialakítása 15. melléklet A II.sz. kohó vízmennyiség mérése 16. melléklet A vizsgált nagyolvasztó hőtılap sorainak vízmennyiség és vízhımérséklet adattáblázata 17. melléklet A nagyolvasztó hőtıvízzel elvont hımennyiségének méréséhez szükséges mérési pontok 18. melléklet A II.sz. nagyolvasztó falazat- és hőtılap-hıelemeinek elrendezési rajza 19. melléklet Az elegy feletti hımérsékletmérı szonda elrendezési rajza

20. melléklet A különbözı magassági szinthez tartozó falazat- és hőtılap-hımérséklet diagramok („kedvezı gázáramlási idıszak”) 21. melléklet A különbözı magassági szinthez tartozó falazat- és hőtılap-hımérséklet diagramok („kedvezıtlen gázáramlási idıszak”) 22. melléklet A nagyolvasztói falazat- és hőtılap-hımérsékletek és az elegy feletti hımérsékletek közötti korrelációvizsgálat („kedvezı gázáramlási idıszak”) 23. melléklet A nagyolvasztói falazat- és hőtılap-hımérsékletek és az elegy feletti hımérsékletek közötti korrelációvizsgálat („kedvezıtlen gázáramlási idıszak”) 24. melléklet 2/2011 Kísérleti Program: A kohói alkáliaforgalom vizsgálata 25. melléklet K-, Na- és Zn mérlegadatok 26. melléklet A nagyolvasztóból történı Na- és K-eltávolítást befolyásoló paraméterek faktoranalízise 27. melléklet A nagyolvasztóból történı Na- és K-eltávolítást befolyásoló paraméterekre vonatkozó korreláció vizsgálat 28. melléklet A nagyolvasztóból történı Zn-eltávolítást befolyásoló paraméterek faktoranalízise 29. melléklet A nagyolvasztóból történı Zn-eltávolítást befolyásoló paraméterekre vonatkozó korreláció vizsgálat 30. melléklet A tapadványminták hıvezetési tényezıjének meghatározása 31. melléklet A nagyolvasztó akna alsó rész hőtési modellje alapján elvégzett hıátadási szimuláció eredménye a véges elem módszer alapján (példa) 32. melléklet A nagyolvasztó akna alsó részén a tapadvány és a samott falazat vastagságának meghatározása a hıátadási modell felhasználásával véges elem módszer szimuláció segítségével

1. melléklet A II.sz. nagyolvasztó vizsgált, 10/17-es hőtılapjának elhelyezkedése 2. sz. kohó hőtılapok elrendezése 2001.08.02.-tıl 3

T

15

26 db

14

27 db

5

7

T,P

6

5

4

5

1

2

4

3

25

26

2

27

1

24

26

23

22

21

20

25

24

23

22

26

25

24

23

21

19

18

17

16

15

14

19

18

17

16

15

20

13

11

12

14

13

9

10

12

10

11

7

8

9

25.520

8

23.915

28 db

12

29 db

11

30 db

10

31 db

T

6

7

T,P

9

32 db

8

32 db

7

28 db

6

28 db

5

32 db

7

8

8

7

.

2

3

3

1

2

28

29

2

26

25

24

28

27

26

25

30

29

28

27

26

32

31

30

29

28

27

2

2

27

31

1

3

4

4

1

2

3

27

30

1

3

4

5

5

4

4

5

6

6

7

5

3

29

1

2

4

28

1

2

3

5

6

2

3

4

6

7

3

4

6

7

8

4

5

6

8

T

5

5

6

7

32

31

1

28

1

29

27

27

28

1

30

25

26

16

25

26

15

23

23

25

24

25

26

25

26

24

24

22

24

27

28

22

23

22

23

14

21

21

22

23

24

20

18

17

16

15

19

18

17

16

15

20

21

22

23 23

22

21

21

20

19

18

17

16

21

20

19

18

17

22

24

13

19

21

22

20

20

19

20

19

19

12

20

21

18

18

11

17

17

16

16

10

15

13

15

16

15 15

15

14

9

13

13

11

12

11

11

7

10

22.310

8

20.705

8

9

19.100

9

10

11

12

12

12

8

11

13

8

9

10

12

13

14

9

10

11

13

14

16

14

11

12

14

10

11

12

14

16

12

13

15

17

18

13

14

17

18

19

14

17.495

9

10

9

10

9

10

9

6

8

8

7

6

5

4

3

2

1

32

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

32

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

32

12.980

11.155

9.330

7.505 6.635

32 db 8

6

5

4

3

2

1

32

31

30

29

28

27

26

25

24

T

23

22

21

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

23

5.400 4.530

32 db T

8

7

6

5

4

3

2

1

32

31

30

2

29

28

27

26

1

25

24

22

21

20

19

18

17

16

15

4

A hőtılapok között 40 mm távolság van

Beépített hőtıtáska

1

Hıelem sorszám

14

13

12

11

10

3 Kikötött lap

Fıfelvonó tengelye FT

14.265

10.520 9.655

7

1

15.550

V.cs.

32 db T

2

15.890

5

32 db T

3

3

4

6

7

4

1

27.125

6

13

2

2009.01.31-én kitüzesedett páncél felület

2012.05.31-i állapot

9

3.335 9.390

2. melléklet

Az ISD DUNAFERR Zrt. átépítésre leállított I.sz. nagyolvasztójának falazata a leállást követıen (15. fúvóforma irányából - a kép alján a kapcsolódó fúvóforma pozíciók)

3. melléklet

Az ISD DUNAFERR Zrt. átépítésre leállított I.sz. nagyolvasztójának falazata a leállást követıen (11. fúvóforma irányából - a kép alján a kapcsolódó fúvóforma pozíciók)

4. melléklet A nagyolvasztó akna alsó részén elhelyezkedı hőtılapról vett tapadványminták vizsgálatokra történı elıkészítése

5. melléklet Az 1.sz. tapadványminta kémiai összetétel vizsgálatának eredményei rétegenkénti bontásban Réteg

Mintajel

állapot

%

1

KT_1N

natur

nem KT_1NM mágnesezhetı

2

Al2O3

S

P2O5

Cr2O3

TiO2

Na2O

K2O

ZnO

ZrO

BaO

PbO

100

20,90 17,50 32,00

1,81

4,90

10,30

0,56

0,18

0,130

0,26

0,45

7,20

3,24

0,0056

0,035 0,026

2,4

22,80 20,80 23,40

2,30

5,40

10,90

0,60

0,18

0,150

0,32

0,44

8,30

3,88

0,0079

0,070 0,031

20,60 17,60 32,00

1,85

5,00

10,20

0,56

0,17

0,123

0,28

0,53

7,20

3,31

0,0053

0,043 0,025

KT_2N

natur

100

21,50 16,70 29,80

2,17

7,20

10,50

0,48

0,15

0,071

0,32

0,74

7,30

2,70

0,0090

0,055 0,018

25,7

21,70 17,20 28,90

2,27

7,10

10,50

0,51

0,16

0,073

0,33

0,71

7,30

2,76

0,0087

0,089 0,015

mágnesezKT_2M hetı

74,3

20,80 16,10 32,30

2,11

6,80

10,10

0,49

0,16

0,065

0,32

0,65

6,90

2,72

0,0061

0,049 0,016

KT_3N

100

20,40 17,00 32,50

2,43

7,20

9,50

0,74

0,18

0,053

0,30

0,95

6,30

2,19

0,0069

0,040 0,015

8,6

21,70 18,70 27,80

2,86

7,40

9,60

0,72

0,20

0,059

0,32

1,08

6,80

2,33

0,0079

0,076 0,018

natur

KT_3M

mágnesezhetı

91,4

19,70 16,10 35,30

2,25

7,00

9,10

0,66

0,17

0,045

0,28

0,91

6,00

2,01

0,0052

0,035 0,014

KT_4N

natur

100

19,10 15,90 33,60

2,33

7,30

10,90

0,55

0,18

0,210

0,24

0,88

6,10

2,18

0,0045

0,058 0,012

11,2

20,30 17,70 28,80

2,77

7,40

11,20

0,53

0,19

0,240

0,28

0,80

6,80

2,44

0,0073

0,093 0,014

KT_4M

mágnesez hetı

88,8

18,60 15,50 35,00

2,30

7,10

10,70

0,53

0,17

0,210

0,24

0,90

6,00

2,17

0,0047

0,053 0,014

KT_5N

natur

100

19,00 15,80 42,10

1,58

5,50

7,30

0,51

0,19

0,170

0,24

0,66

4,06

2,32

0,0043

0,028 0,060

nem KT_5NM mágnesezhetı

6

MgO

97,6

nem KT_4NM mágnesezhetı

5

MnO

mágnesezhetı

nem KT_3NM mágnesezhetı

4

CaO Fe2O3

KT_1M

nem KT_2NM mágnesezhetı

3

SiO2

2,3

20,60 19,20 34,40

2,38

5,80

7,50

0,52

0,22

0,230

0,27

0,63

4,50

3,05

0,0068

0,053 0,050

mágnesezKT_5M hetı

97,7

17,90 15,40 44,70

1,55

5,10

6,90

0,48

0,17

0,160

0,22

0,65

3,83

2,41

0,0022

0,028 0,043

KT_6N

100

15,20 12,90 56,40

1,39

2,71

4,19

0,39

0,21

0,200

0,14

0,26

2,68

2,08

0,0020

0,016 0,054

1,3

16,40 15,10 49,40

2,59

3,31

4,36

0,39

0,21

0,320

0,18

0,28

3,01

3,15

0,0020

0,023 0,072

98,7

15,20 13,00 56,30

1,40

2,76

4,00

0,38

0,21

0,210

0,14

0,34

2,65

2,17

0,0017

0,014 0,066

natur

nem KT_6NM mágnesezhetı

KT_6M

mágnesezhetı

C 0,33

0,18

0,12

0,2

0,31

0,92

6. melléklet A 2.sz. tapadványminta kémiai összetétel vizsgálatának eredményei m/m% SiO2 Al2O3 P MgO CaO Na2O K2O Fe2O3 SO2 MnO ZnO karbon illó Összesen

1 2,88 0,63 0,03 0,32 6,79 0,20 0,45 65,49 0,27 0,63 1,89

2 1,80 0,45 0,02 0,20 5,30 0,18 0,92 62,41 0,35 0,36 2,45

20,43 100,00

25,56 100,00

3 7,78 3,36 0,05 0,20 2,71 0,23 1,34 20,98 2,41 0,19 0,71 60,04 100,00

7. melléklet Az 1-2.sz. tapadványminták ásványfázis-vizsgálatának leírása A mintákat porcelán majd achát mozsárban púderfinomságúra porították, majd felülrıl betöltött mintatartókba helyezték. A méréseket Bruker D8 Advance pordifrraktométeren végezték (Cu K-alfa sugárzás, 33 kV gyorsítófeszültség és 55 mA mintaáram) Bragg-Brentano geometriában (0.2 mm divergencia rés, szimmetrikus 2.5° szimmetrikus axiális-Soller-ek) Vantec-1 helyzet érzékeny detektorral (Ni K-béta szőrı, 11° nyílásszög). A méréseket 2-70° (2θ) tartományban végezték, 0,007° (2θ)/120 másodperc adatrögzítéssel. A kiértékelést a Bruker DiffracPlus EVA szoftverében végezték, Search/Match algoritmussal, az ICDD PDF-2 (2005) adatbázison. Az azonosított komponensek alapján a mennyiségi kiértékelést az FPM (Full Pattern Matching) pseudo-Voigt függvényt alkalmazó algoritmussal számolták, a kristálytani paraméterek finomítása nélkül. A mennyiségek számolásához az adatbázisban megadott I/Icorund arányokat használták. Az illesztés során a kitüntetett orientáció hatását March-Dollase eljárással korrigálták. Az amorfanyag-tartalmat a teljes kristályos intenzitás és az amorf púp (10 és 60° (2θ) között) arányításával számolták.

8. melléklet Az 1.sz. tapadványminta ásványfázis-vizsgálatának eredményei rétegenkénti bontásban Név Wüstit Merwinit Szfalerit Braunit Fe Larnit Hedenbergit Kalcium szilikát Bredigit Magnézium szulfát Magnézium vas oxid Wollastonit 1A Srebrodolskit Kalcit amorf

Kémiai összetétel FeO Ca3Mg(SiO 4)2 ZnS Mn7O8 (SiO4 ) Fe Ca2SiO4 CaFeSi2O 6 Ca2(SiO4) Ca14Mg2 (SiO 4)8 MgS2O3 (H2O)6 (MgO)0.432 (FeO)0.568 CaSiO3 Ca2Fe2 O5 CaCO3

ICDD szám 01-077-2355 00-035-0591 00-005-0566 01-089-5663 01-087-0721 00-033-0302 01-071-1503 01-086-0399 00-036-0399 01-072-0637 01-077-2368 01-072-2284 01-071-2108 01-072-1937

1. réteg 27.9 17.5 3.2

2. réteg 24.6 18.1 1.7 1.2

2.2 2.8 22.1 2.0

22.3

0.6 7.8 2.6

3. réteg 29.2 7.8 5.3 5.3 0.3 0.0 5.9 6.9 5.8 1.7

43.3

31.7

4. réteg 32.7 26.3 3.4 0.8

1.6 5.5 7.7 4.6 0.5

17.3

5. réteg 24.3 14.0 2.8 1.3 5.3 2.2 1.0 12.0

6. réteg 25.3 6.8 3.5 6.3 10.2 7.7 1.9

1.9 2.0 3.5 2.2 27.4

38.4

Az 1.sz. tapadványminta 1-es rétegének diffraktogramja KT-1N

8

7

Lin (Cps)

6

5

4

3

2

1

0 10

20

30

40

50

60

2-Theta - Scale Ni-MgO 480 - File: KT-1N.raw - Type: 2Th/Th lock ed - Start: 2.000 ° - End: 70.135 ° - Step: 0.007 ° - Step time: 77.50 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Sta rted: 33 s - 2-Theta: 2.000 ° - Theta: 1.000 ° - Ch i: 01-077-2355 (C) - Wuestite - FeO - Y: 37.44 % - d x by: 1.0000 - WL: 1.54060 - Cubic - a 4.31029 - b 4.31029 - c 4.31029 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Face-centered - Fm-3m (225) - 4 00-035-0591 (*) - Merwinite, syn - Ca3Mg(SiO4)2 - Y: 13.45 % - d x by: 1.0000 - WL: 1.54060 - Monoclinic - a 13.29800 - b 5.30460 - c 9.35200 - alpha 90.000 - beta 92.090 - gamma 90.000 - Primitive - P 00-005-0566 (I) - Sphalerite, syn - ZnS - Y: 9.22 % - d x by: 1.0000 - WL: 1.54060 - Cubic - a 5.38509 - b 5.38509 - c 5.38509 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Face-centered - F-43m (216) 01-087-0721 (C) - Iron - Fe - Y: 16.43 % - d x by: 1.0000 - WL: 1.54060 - Cubic - a 2.86620 - b 2.86620 - c 2.86620 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - Im-3m (229) - 2 - 23.546 00-033-0302 (*) - Larnite, syn - Ca2SiO4 - Y: 5.62 % - d x by: 1.0000 - WL: 1.54060 - Monoclinic - a 9.31000 - b 6.75650 - c 5.50590 - alpha 90.000 - beta 94.460 - gamma 90.000 - Primitive - P21/n (14) - 4 01-071-1503 (C) - Hedenbergite - CaFeSi2O6 - Y: 2.87 % - d x by: 1.0000 - WL: 1.54060 - Monoclinic - a 9.91600 - b 9.17900 - c 5.27600 - alpha 90.000 - beta 105.280 - gamma 90.000 - Base-centered 01-089-5663 (C) - Braunite - synthetic - Mn7O8(SiO4) - Y: 12.55 % - d x by: 1.0000 - WL: 1.54060 - Tetragonal - a 9.40070 - b 9.40070 - c 18.65740 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-ce 01-086-0399 (C) - Calcium Silicate - Ca2(SiO4) - Y: 9.82 % - d x by: 1.0000 - WL: 1.54060 - Orthorhombic - a 6.76730 - b 5.51910 - c 9.30310 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pn 00-036-0399 (*) - Bredigite, syn - Ca14Mg2(SiO4)8 - Y: 5.13 % - d x by: 1.0000 - WL: 1.54060 - Orthorhombic - a 10.90400 - b 18.38000 - c 6.74800 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitiv 01-072-0637 (A) - Magnesium Sulfate Hydrate - MgS2O3(H2O)6 - Y: 7.08 % - d x by: 1.0000 - WL: 1.54060 - Orthorhombic - a 9.39700 - b 14.55500 - c 6.86400 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.0

70

9. melléklet

Akaganeit Bicchulit Kalcit Karbon Cohenit Goethit Grafit Gipsz Magnetit Kvarc Szillimanit Wüsztit Cinkit

Fe+3O(OH) Ca2(Al2SiO6)(OH)2 CaCO3 C Fe3C Fe+3O(OH) C CaSO4·2H2O Fe0,.99Fe1,.97Cr 0,03Ni 0,01O4 SiO2 Al2SiO5 FeO ZnO

00-034-1266 01-083-1306 00-005-0586 01-075-0444 00-035-0772 00-029-0713 00-026-1079 00-033-0311 01-080-0389 00-046-1045 00-038-0471 01-077-2355 00-036-1451 amorf

3. mintavételi hely

Kémiai képlet

2. mintavételi hely

ICDD adatbázis referencia

Ásvány

1. mintavételi hely

A 2.sz. tapadványminta ásványfázis-vizsgálatának eredményei mérıhelyek szerinti bontásban

16.7 4.4 9.7 12.4 2.8 1.39 3.1 6.7 4.2 55

1.6 2.2 4.5 2.6 1.9 8.4

1.0 73.3 0.7

0.6 11 2.2 0.5

65

1.6 5.5 0.6 0

A 2.sz. tapadványminta 1. mérıhelyének diffraktogramja MR-2-1-vilbarn 190 180 170 160 150 140

Lin (Counts)

130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 2

10

20

30

40

50

60

2-Theta - Scale MR-2-1-vilbarn - File: MR-2-1-vilbarn.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 2.000 ° - End: 70.135 ° - Ste p: 0.007 ° - Step time: 155.00 s - Temp.: 25 °C (Ro om) - Time Started: 25 s - 2-Theta: 2.000 ° - Theta : 1. 01-083-1306 (I) - Bicchulite - Ca2(Al2SiO6)(OH)2 - Y: 1.94 % - d x by: 1.0000 - WL: 1.54060 - Cubic - a 8.82500 - b 8.82500 - c 8.82500 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - I-43 00-005-0586 (*) - Calcite, syn - CaCO3 - Y: 7.98 % - d x by: 1.0000 - WL: 1.54060 - Rhombo.H.axes - a 4.98900 - b 4.98900 - c 17.06200 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - R-3c ( 00-035-0772 (*) - Cohenite, syn - Fe3C - Y: 13.94 % - d x by: 1.0000 - WL: 1.54060 - Orthorhombic - a 5.09100 - b 6.74340 - c 4.52600 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pnma (62) 00-029-0713 (I) - Goethite - Fe+3O(OH) - Y: 9.13 % - d x by: 1.0000 - WL: 1.54060 - Orthorhombic - a 4.60800 - b 9.95600 - c 3.02150 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Prim itive - Pbnm (62) 00-033-0311 (*) - Gypsum, syn - CaSO4·2H2O - Y: 4.70 % - d x by: 1.0000 - WL: 1.54060 - Monoclinic - a 6.43909 - b 15.11232 - c 5.70469 - alpha 90.000 - beta 114.560 - gam ma 90.000 - Base-centered 01-080-0389 (*) - Magnetite - Fe.99Fe1.97Cr.03Ni.01O4 - Y: 5.18 % - d x by: 1.0000 - WL: 1.54060 - Cubic - a 8.39500 - b 8.39500 - c 8.39500 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Face-centere 00-046-1045 (*) - Quartz, syn - SiO2 - Y: 1.93 % - d x by: 1.0000 - WL: 1.54060 - Hexagonal - a 4.91344 - b 4.91344 - c 5.40524 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P3221 (154) - 3 01-077-2355 (A) - Wuestite - FeO - Y: 11.39 % - d x by: 1.0000 - WL: 1.54060 - Cubic - a 4.30900 - b 4.30900 - c 4.30900 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamm a 90.000 - Face-centered - Fm-3m ( 225) - 4 00-036-1451 (*) - Zincite, syn - ZnO - Y: 9.43 % - d x by: 1.0000 - WL: 1.54060 - Hexagonal - a 3.24982 - b 3.24982 - c 5.20661 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P63mc (186) - 2

70

10. melléklet A nagyolvasztó akna alsó részébıl kivett tapadványminta szövetképének és elemtérképének elkészítése Minta elıkészítése során az alábbi ábrán látható tapadványból, vágással eltávolítottunk egy ~1cm széles szeletet, merılegesen az elsı vágási felületre. Az így nyert mintát 3 darabra osztottuk. Az egyes darabok közötti átmenetet nem tudtuk vizsgálni, mivel a vágásnál a darabok pereme kipergett. Az egyes darabokat epoxygyantába ágyaztuk, vákuumos edényben. Az így kapott preparátumok felületén polírozott mintasíkot alakítottunk ki, Si-karbidos csiszolással és gyémántszemcsés polírozással.

A preparátumok polírozott felületét grafitvezetı réteggel vontuk be a SEM/EDS vizsgálat elıtt.

1. táblázat Magnezioferrit jellemző kémiai összetétele, EDS méréssel, atomszázalékban kifejezve (O mennyisége sztöchimetria alapján számolva, ny.=nyomokban)

1 2 3 4 5 6

O Na 50,5 50,3 50,3 50,6 50,6 50,0 2,0

Mg 17,9 19,9 19,9 0,4 8,5 8,1

Al 0,3 0,4 0,6 0,3 0,5 0,4

Si 0,7 0,2 0,0 0,4 0,5 0,4

Ca 2,0 0,5 0,3 0,6 0,3 0,3

Cr 0,3 0,4 0,8 0,0 0,0 0,1

Mn 5,7 5,8 5,2 0,0 2,8 2,4

Fe 20,5 20,1 20,4 47,0 34,3 33,7

Zn 2,2 2,4 2,5 0,1 2,2 2,2

Σ 100 99,99 100 99,46 99,51 99,58

ny. S és K ny. S és K ny. S és K ny. S és K

2. táblázat A komplex Fe-oxidos mátrixra jellemző kémiai összetételek, EDS méréssel, atomszázalékban kifejezve (O mennyisége sztöchimetria alapján számolva)

1 2 3 4 5 6

O 52,9 61,7 51,8 55,1 53,3 58,9

Na 1,0 0,4 1,1 0,9 0,9 1,4

Mg 0,7 0,6 1,3 0,6 0,7 4,3

Al 0,9 21,8 1,0 2,3 1,0 5,6

Si 5,0 0,7 2,1 9,1 5,2 15,5

S 0,5 0,3 0,8 0,4 0,8 0,5

K 0,4 0,6 0,1 0,8 0,3 1,8

Ca 1,0 3,3 5,3 2,8 3,6 9,6

Fe 37,6 10,7 36,5 27,9 34,2 2,5

100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0

11. melléklet

A nagyolvasztó akna alsó részén elhelyezkedı hőtılap hőtıvízmennyiségének és hımérsékletének mérése Ahogy korábban láttuk a nagyolvasztó akna alsó részének tapadványképzıdési folyamatai – kiterjedésüknél, mértéküknél fogva - különösen fontos területnek számítanak. Ennek megfelelıen a vizsgálataimat a példaértékőnek tekintett II.sz. nagyolvasztó 17,495 m-es szintjén, az akna alsó részén található 10/17-es hőtılapon végeztem el. A hőtılap elhelyezkedését az 1. mellékletben jelöltem be. A hőtılap kiválasztásnál a döntı szempont az volt, hogy a hőtılap páncél felé esı oldalán („hidegoldal”) a hőtılaptest hımérsékletmérésére alkalmas hıelem (5.sz. mérıhely) álljon rendelkezésre. A kijelölt hőtılap hőtıvízellátása a szomszédos hőtılapokkal együtt került kialakításra a 2001-es kohóátépítés során, ezért ezek „szétkötését” meg kellett oldani. Ennek megfelelıen a kijelölt hőtılap hőtıvízrendszerét egy különálló, szabályozható, önálló hőtési körré alakították a Nagyolvasztómő szakemberei. Ezt követıen a kijelölt hőtılap bemenı és kijövı hőtıvíz mennyiségének mérésére egy-egy Promag 50D40 indukciós áramlásmérıt, és egy-egy RTD TR10 típusú hıelemet építettek be az alábbi ábrán látható módon.

A II.sz. nagyolvasztó 10/17-es hőtılap egyedi hőtıvízmennyiség- és hımérsékletmérésének kialakítása

A hőtıvízrendszer átalakításával, a mérési eszközök beüzemelésével a 10/17-es hőtılap bemenı és kijövı hőtıvízmennyisége, valamint a bemenı és kijövı hőtıvíz hımérséklete regisztrálásra kerül egy adatbázisban 5 perces átlagértékek formájában. A vizsgált hőtılaptest, páncél felé esı („hidegoldal”) hımérsékletét - egy a hőtılaptesthez hozzáillesztett - beépített hıelem segítségével mértem. Annak érdekében, hogy ismerjem a vizsgált hőtılap környezetének falazat-hımérséklet értékeit (a hőtılap nagyolvasztó tengelye felé „melegoldala”), a kutatási munkához felhasználtam a nagyolvasztó 17,6 m 5-ös mérıhelyének adatait is. Ez a mérıhely nem közvetlenül a vizsgált 10/17-es hőtılapnál, hanem a kohópáncél kerülete mentén kb. 2 m-rel távolabb, a 10/15 és 10/16 hőtılapok között helyezkedik el. Ez utóbbi két hımérsékleti adat felhasználásával vizsgálni tudtam az egyazon idıpontban – pl. tapadványleválás miatt - bekövetkezı hımérsékletváltozást a hőtılap „meleg-” és „hidegoldala” között.

12. melléklet A vizsgált hőtılap különbözı hőtıvízáramlási sebességekhez tartozó hőtılap hıátviteli tényezık számítása

m s v1 = 1,5 vvíz ;

•

m3 h 4,32

v;

•

l perc 71,93

v;

W m 2 °C 5392,00

α víz ;

W °C 2023,00

k csı ⋅ ACSİ ;

W m 2 °C 2528,70

k CSİ ;

W °C 92,93

k 4 ⋅ Ahl ;

W m 2 °C 61,55

k4 ;

v2 = 2,0

5,75

95,90

6787,00

2238,64

2798,30

93,35

61,82

v3 = 3,0

8,63

143,87

9400,00

2528,58

3160,70

93,80

62,12

m - a hőtıvíz áramlási sebessége a hőtılapban s W k 4 ; 2 - a hőtılap hıátviteli tényezıje m °C Tvbe = 20°C - a hőtılapba belépı hőtıvíz hımérséklete kJ c p = 4,19 - a víz fajlagos hıkapacitása kgK Ahl = 1,51m 2 - a hőtılap hıátadó felülete vvíz ;

A CSİ = 0,80m 2 - a hőtılapban elhelyezkedı csıkígyó hıátadó felülete (a hőtılapban elhelyezkedı csıkígyó méretei d:44,5x6,3 mm-8000 mm) W k CSİ ; 2 - a hőtılapban elhelyezkedı csıkígyó hıátadási tényezıje m °C • m3 v; - a hőtılapban a hőtıvíz térfogatárama h W α víz ; 2 - a hőtıvíz hıátadási tényezıje m °C

13. melléklet

A nagyolvasztó akna alsó részére érvényes hőtési modell felhasználásával elvégzett hıtechnikai számítás Az alábbiakban egy olyan elméleti hıtani számítást végzek el a nagyolvasztóra történı „ráfúvás” utáni állandósult állapotra, mely esetben a nagyolvasztó akna-alsó falazaton sem kopás, sem tapadvány nem található. A számítás segítségével a nagyolvasztó munkaterébıl a hőtılap felé irányuló hıáramot, a különbözı anyagrétegeken bekövetkezı hımérsékletesést kívánom meghatározni. A hıtani modellszámításokat a vonatkozó szakirodalom [29-32] és az alábbi peremfeltételek, adatok figyelembevételével végeztem [23, 24, 33, 34].

A hıtani modellszámításokhoz szükséges peremfeltételek összegzése 1.

1.1.

A hőtılap hıátbocsátási tényezı értékét az üzemi körülményeknek megfelelıen (a m m 2 − 3 -os áramlási sebességek, valamint a konstrukciós és gyártási adatok fels s W használásával K HL = 62 2 értéken határoztam meg [23, 24, 33, 35]. m K A csıkígyóban történı hıátadás számításához, a folyadékok kényszerített áramlására érvényes (turbulens áramlásra vonatkozó) Nusselt-összefüggést alkalmaztam. A hıátadást teljes mértékben a kényszermozgás tényezıi határozzák meg. A csıkígyó falán lerakódásokkal, illetve szennyezıdésekkel nem számoltam.

1.2.

A szilárd testekben végbemenı hıvezetést a Fourier-törvény alapján vizsgáltam, a számításoknál a sík falak hıvezetésére vonatkozó összefüggéseket vettem figyelembe.

1.3.

A hőtıvízzel elvezetett hımennyiség számítására a termodinamika elsı fıtételét illetve a Newton-féle lehőlési törvényt alkalmaztam, az alábbi egyszerősítı feltételekkel: -

az állandó átmérıjő csıben áramló homogén közeg hımérséklete az egyfázisú állandósult turbulens áramlás során TVBE -rıl TVKI -re nı,

-

a csıfal és az áramló hőtıvíz közötti hıátadásnál a hőtıvíz közepes hımérsékletével számoltam, a csıkígyó teljes hosszában a csıfal hımérséklete állandó ( TCSFAL =const.), a hıátadási tényezı értéke a csıkígyó teljes hosszában állandó (α=const.), a tömegáram és ebbıl adódóan az áramlási sebesség állandó (m=const. és v=const.), kcal KJ az izobár fajlagos hıkapacitás értékét 1 = (4,1868 ) − ra felvéve állankg°C kgK dónak feltételeztem (Cp = const.).

-

2.

Az üzemeltetés feltételeinek megfelelıen egyenletes központi járattal, a betétben 80100 % zsugorítvány részaránnyal számoltam. A nagyolvasztóban áramló gázok és a falazat, illetve hőtılap közötti hıátadási tényezı állandó, a TKM =1000 °C-os kemenW cehımérsékleten α = 100 értékkel vettem figyelembe. Sugárzással történı hıátm°C adással nem számoltam.

3.

A számításoknál csak a nagyolvasztó munkatér-hőtıvíz közötti hıátadással számoltam, a munkatér-külsı levegı közötti hıáramlást nem vettem figyelembe. A szakirodalmi adatok [1,4] alapján ez utóbbi az összes hıáramlás 7-10 %-át teszi ki.

Modellszámítási alapadatok: Tkm = 1000°C - nagyolvasztó munkatér hımérséklete a vizsgált hőtılap környezetében [35] W α 1 = 100 2 - a hıátadási tényezı a nagyolvasztó munkaterében m °C S 2 = 575mm - a samott tőzálló falazat rétegvastagsága W λ 2 = 1,68 (800°C − on ) - a samott tőzálló falazat hıvezetési tényezıje m°C S 3 = 100mm - a samott tőzálló falazat és a vizsgált hőtılap közötti massza rétegvastagsága W λ 3 = 15 (80°C − on ) - a samott tőzálló falazat és a vizsgált hőtılap közötti massza hıvem°C zetési tényezıje W k 4 = 62 2 - a vizsgált hőtılap hıátviteli tényezıje (konstrukciós alapadat) m °C Tvbe = 20°C - a vizsgált hőtılapba belépı hőtıvíz hımérséklete kJ c p = 4,19 - a víz fajlagos hıkapacitása kgK A hıátviteli tényezı meghatározása a hőtési modell egészére: 1 1 S 2 S 3 1  m 2 °C   = + + +  k α 1 λ 2 λ3 k 4  W  1 1 0,575 0,100 1 = + + + k 100 1,68 15 62 W k = 2,67 2 m °C A hıáramsőrőség meghatározása: q = k ⋅ (Tkm − Tvbe ) W q = 2616,6 2 m

Hımérsékletesés a nagyolvasztó-munkatér és a samott tőzálló falazat között (hıátvitel): q q = α 1 ⋅ ∆T1  → ∆T1 = = 26,1°C

α1

Hımérsékletesés a samott tőzálló falazaton (hıvezetés-hıátvitel): S λ q = 2 ∆T2  → ∆T2 = q 2 = 894,6°C S2 λ2 Hımérsékletesés a hőtılap és a samott tőzálló falazat közötti masszában (hıvezetés): S λ q = 3 ∆T3  → ∆T3 = q 3 = 17,3°C S2 λ3 Hımérsékletesés a hőtılapban (hıátvitel): q q = k 4 ∆T4  → ∆T4 = = 42,0°C k4 Hımérsékletesés lépcsıi a modellszámítás során: ∆T = Tkm − Tvbe = ∆T1 + ∆T2 + ∆T3 + ∆T4 ∆T = 26,1 + 894,6 + 17,3 + 42,0 = 980°C

A vizsgált hőtılap alapadatai (12. melléklet alapján): W - a hőtılap hıátviteli tényezıje m 2 °C Tvbe = 20°C - a hőtılapba belépı hőtıvíz hımérséklete kJ c p = 4,19 - a víz fajlagos hıkapacitása kgK Ahl = 1,51m 2 - a hőtılap felülete k 4 = 62

A CSİ = 0,80m 2 - a hőtılapban elhelyezkedı csıkígyó felülete W k CSİ = 2798,3 2 - a hőtılapban elhelyezkedı csıkígyó hıellenállása m °C • kg m = 5754 - a hőtılap hőtıvíz tömegárama (96 l/perc) h W α VÍZ = 6987 2 - a hőtıvíz hıátadási tényezıje m °C

Hıáram meghatározása: φ = Ahl ⋅ q φ = 3951,1W

Hőtıvíz-hımérséklet emelkedése a hőtılapban •

φ = m⋅ c p ⋅ ∆Tvíz  → ∆TVÍZ =

φ

m ⋅ cp

(°C )

∆Tvíz = 0,70°C A hőtılapból kilépı hőtıvíz hımérséklete: Tvki = Tvbe + ∆Tvíz = 20,70°C Hımérséklet-különbség a víz és a csıfal között:

φ = α víz ⋅ ACSİ ⋅ ∆T fal  → ∆T fal =

φ

α ⋅ ACSİ

∆T fal = 0,84°C

Hımérséklet-különbség meghatározása a hőtıvíz és a hőtılap-csıkígyó külsı öntöttvassal érintkezı felülete között:

φ = k CSİ ⋅ ACSİ ⋅∆TCSİ  → ∆TCSİ =

φ

k CSİ ⋅ A CSİ

= 2,0°C

A hőtıvíz közepes hımérsékletének meghatározása: Tvköz =

Tvbe +T vki = 20,3°C 2

A hőtılap „hidegoldali” hımérsékletének meghatározása: T4 = Tvköz + 2 ⋅ ∆TCSİ = 24,3°C Az alábbi ábrán a fent kiszámított hımérséklet és hıáramsőrőségi értékeket jelöltem be a modell vázlatán.

Tvki=20,7 °C

Massza

q

Tőzálló falazat

λ3

α1

λ2 T1=974 °C

Hőtıvíz

k4 Hőtılap „hidegoldal” T4=24,3 °C

q

Ahl T2=80 °C

T3=62 °C

Tkm=1000 °C

s3

q=2617 W/m2

A

s2

Tvbe=20 °C Példa a nagyolvasztó akna alsó részének hőtési modellszámítására (sértetlen és tapadványmentes samott tőzálló falazat esetén) Az ábrán jól látható, hogy sérülésmentes samott tőzálló falazat esetén a hőtılap „hidegoldal” hımérséklete viszonylag alacsony értéket (24,5 °C) vesz fel. A legnagyobb mértékő hımérsékletesés a nagyolvasztó samott tőzálló falazatán tapasztalható (895 °C).

14. melléklet A vizsgált 10/17-es hőtılap szerkezeti kialakítása

15. melléklet

16. melléklet A vizsgált nagyolvasztó hőtılap sorainak vízmennyiség és vízhımérséklet adattáblázata Megnevezés

2-es szinti nagy osztó

4-es szinti nagy osztóra 5-ös szinti nagy osztóra

6-os szinti nagy osztó Külsı hőtés Összesen

Hőtılapsor száma

381

3,63 3,63 3,63 3,63 9,83 3,63 6,79 7,73 6,77 4,04 4,63 4,04 9,70 7,26 9,11 9,46

Hőtıvíz mennyiség Vh (m3/h) 125,00 128,00 124,00 127,00 332,00 130,00 68,00 62,00 73,00 171,00 174,00 190,00 85,00 105,00 95,00 96,00

Hőtıvízzel elvont hımennyiség Qvíz (GJ/h) 1,90 1,95 1,89 1,93 13,71 1,98 1,94 2,01 2,08 2,90 3,38 3,22 3,46 3,20 3,63 3,82

119

9,00*

119,00

4,50

6,26

2204,00

57,50

Hőtılapsor Az osztókra elhelyezkedése jutó vízmeny(m) nyiség (m3/h)

1 2 3 4 Fúvószerelvények 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

5,400 7,505 9,330 11,155

Torok, akna

17,495-28,000

12,980 14,265 15,550 15,890 17,495 19,100 20,705 22,310 23,915 25,520 27,125

760

203

535

Tki-Tbe (°C)

*a külsı hőtés dT értéke a mérés kivitelezhetısége miatt becsléssel került megállapításra

17. melléklet A nagyolvasztó hőtıvízzel elvont hımennyiségének méréséhez szükséges mérési pontok

18. melléklet A II.sz. nagyolvasztófalazat- és hőtılap-hıelemeinek elrendezési rajza

19. melléklet Az elegy feletti hımérsékletmérı szonda elrendezési rajza

20. melléklet A különbözı magassági szinthez tartozó falazat- és hőtılap-hımérsékleti diagramok („kedvezı gázáramlási idıszak”)

Gázkihasználás- és gázpermeabilitás-értékek („kedvezı gázáramlási idıszak”)

16,0 m-es falazat-hımérsékleti értékek („kedvezı gázáramlási idıszak”)

17,6 m-es falazat-hımérsékleti értékek („kedvezı gázáramlási idıszak”)

20,8 m-es falazat-hımérsékleti értékek („kedvezı gázáramlási idıszak”)

24,0 m-es falazat-hımérsékleti értékek („kedvezı gázáramlási idıszak”)

27,3 m-es falazat-hımérsékleti értékek („kedvezı gázáramlási idıszak”)

31,0 m-es falazat-hımérsékleti értékek („kedvezı gázáramlási idıszak”)

14,7 m-es hőtılap-hımérsékleti értékek („kedvezı gázáramlási idıszak”)

17,9 m-es hőtılap-hımérsékleti értékek („kedvezı gázáramlási idıszak”)

21. melléklet A különbözı magassági szinthez tartozó falazat- és hőtılap-hımérsékleti diagramok („kedvezıtlen gázáramlási idıszak”)

Gázkihasználás és gázpermeabilitás-értékek („kedvezıtlen gázáramlási idıszak”)

16,0 m-es falazat-hımérsékleti értékek („kedvezıtlen gázáramlási idıszak”)

17,6 m-es falazat-hımérsékleti értékek („kedvezıtlen gázáramlási idıszak”)

20,8 m-es falazat-hımérsékleti értékek („kedvezıtlen gázáramlási idıszak”)

24,0 m-es falazat-hımérsékleti értékek („kedvezıtlen gázáramlási idıszak”)

27,3 m-es falazat-hımérsékleti értékek („kedvezıtlen gázáramlási idıszak”)

31,0 m-es falazat-hımérsékleti értékek („kedvezıtlen gázáramlási idıszak”)

14,7 m-es hőtılap-hımérsékleti értékek („kedvezıtlen gázáramlási idıszak”)

17,9 m-es hőtılap-hımérsékleti értékek („kedvezıtlen gázáramlási idıszak”)

22. melléklet A nagyolvasztói falazat- és hőtılap-hımérsékletek és az elegy feletti hımérsékletek közötti korreláció vizsgálata („kedvezı gázáramlási idıszak”)

ahol: etaCO - gázkihasználás Perm. - gázpermeabilitás EFHBAL1-8 - Elegy feletti szonda hımérsékletek (1-8 pozícióban) FH18M5-6 - 17,6 m-es magassági szinten a falazat-hımérsékleti értékek FH21M6 - 20,8 m-es magassági szinten a falazat-hımérsékleti értékek FH27M5-6 - 27,3 m-es magassági szinten a falazat-hımérsékleti értékek FH31M5-6 - 31,0 m-es magassági szinten a falazat-hımérsékleti értékek HLAPH15M3-4 - 14,7 m-es magassági szinten a hőtılap-hımérsékleti értékek HLAPH15M3-4 - 17,9 m-es magassági szinten a hőtılap-hımérsékleti értékek

23. melléklet A nagyolvasztói falazat- és hőtılap-hımérsékletek és az elegy feletti hımérsékletek közötti korreláció vizsgálata („kedvezıtlen gázáramlási idıszak”)

ahol: etaCO - gázkihasználás Perm. - gázpermeabilitás EFHBAL1-8 - Elegy feletti szonda hımérsékletek (1-8 pozícióban) FH18M5-6 - 17,6 m-es magassági szinten a falazat-hımérsékleti értékek FH21M6 - 20,8 m-es magassági szinten a falazat-hımérsékleti értékek FH27M5-6 - 27,3 m-es magassági szinten a falazat-hımérsékleti értékek FH31M5-6 - 31,0 m-es magassági szinten a falazat-hımérsékleti értékek HLAPH15M3-4 - 14,7 m-es magassági szinten a hőtılap-hımérsékleti értékek HLAPH15M3-4 - 17,9 m-es magassági szinten a hőtılap-hımérsékleti értékek

24. melléklet 2/2011 Kísérleti Program: A kohói alkáliaforgalom vizsgálata

25. melléklet K-, Na- és Zn mérlegadatok

26. melléklet A nagyolvasztóból történı Na- és K-eltávolítást befolyásoló paraméterek faktoranalízise

27. melléklet A nagyolvasztóból történı Na- és K-eltávolítást befolyásoló paraméterekre vonatkozó korreláció vizsgálata

ahol: 2K_S_K2O – salak K2O-tartalom 2K_S_K2O – salak K2O-tartalom AvgOfFHxMy – a nagyolvasztó x magassági szintjén az y mérıhelyen a falazat-hımérsékletek napi átlaga AvgOfVIZxHy – a nagyolvasztó két hőtıvíz ágán, a be- és kimenı hőtıvíz-hımérsékletek napi átlaga AvgOfKFG – a nagyolvasztóba befújt földgáz mennyiségének napi átlaga AvgOfHSZEL – a nagyolvasztóba befújt hidegszél mennyiség napi átlaga AvgOfNYExy – a nagyolvasztó akna alsó, akna közép és akna felsı részének differenciál nyomás értékeinek napi átlaga a különbözı mérıhelyeken AvgOfHLAPHxMy - a nagyolvasztó x magassági szintjén az y mérıhelyen a hőtılaphımérsékletek napi átlaga Tnyv – csapolt nyersvas napi átlaghımérséklete P1 – salakbázikusság (CaO/SiO2) AvgOfTGNY – a nagyolvasztó toroknyomás értékének napi átlaga

28. melléklet A nagyolvasztóból történı Zn-eltávolítást befolyásoló paraméterek faktoranalízise

29. melléklet A nagyolvasztóból történı Zn-eltávolítást befolyásoló paraméterekre vonatkozó korreláció vizsgálat

ahol: Znki – a nagyolvasztóból eltávozó cink mennyisége AvgOfFHxMy – a nagyolvasztó x magassági szintjén az y mérıhelyen a falazat-hımérsékletek napi átlaga AvgOfVIZxHy – a nagyolvasztó két hőtıvíz ágán, a be és kimenı hőtıvíz-hımérsékletek napi átlaga AvgOfKFG – a nagyolvasztóba befújt földgáz mennyiségének napi átlaga AvgOfHSZEL – a nagyolvasztóba befújt hidegszél mennyiség napi átlaga AvgOfNYExy – a nagyolvasztó akna alsó, akna közép és akna felsı részének differenciál nyomás értékeinek napi átlaga a különbözı mérıhelyeken AvgOfHLAPHxMy - a nagyolvasztó x magassági szintjén az y mérıhelyen a hőtılaphımérsékletek napi átlaga Ttg – a torokgáz napi átlaghımérséklete COkih. – gázkihasználás mértéke Perm – a nagyolvasztó anyagoszlop gázáteresztı képessége AvgOfTGNY – a nagyolvasztó toroknyomás értékének napi átlaga

30. melléklet A tapadványminták hıvezetési tényezıjének meghatározása A tapadványminták hıvezetési tényezıjének maghatározását a Miskolci Egyetem Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszéke végezte. A cél az volt, hogy a hıvezetési tényezı a tapadványmintákból rétegenként (1. tapadványminta), és a teljes mintára vonatkozólag (1. és 2. tapadványminta) is meghatározásra kerüljön. Ennek megfelelıen elsıdlegesen az ún. C-Therm eljárást kívántam alkalmazni, melynek segítségével kis felületek hıvezetési tényezıje is gyorsan meghatározható. Ennél a vizsgálati módszernél azonban a tapadványminták nagymértékő pórusossága miatt, a mérımőszer nem tudott értékelhetı eredményt adni. A hıvezetési tényezı mérése végül a hıkülönbségen alapuló síklapos módszer segítségével történt. Ennél a vizsgálatnál a hıvezetési tényezıt a hıfluxus mérésére alkalmas módszer felhasználásával vizsgálták egy RAPID-K típusú mérımőszer segítségével. Ennél a vizsgálati módszernél a mintadarabot két hıfokszabályzóval ellátott főtött befogó pofa közé teszik, majd vizsgálják a mintákon áthaladó ismert mértékő hıfluxus alapján a mintadarab hıvezetési tényezıjét. A befogó pofák hımérsékletszabályozása főtıárammal és átáramló csapvízzel van megoldva. A mérés során a hosszú - 2-3 óra - hıegyensúlyi beállási idı elteltével olvasták le a hımérsékletoszlásra jellemzı adatokat.

ahol:

X - a minta vastagsága: 0,0286 m; THi – a felsı főtött lap hımérséklete: 62 °C; TLo- az alsó főtött lap hımérséklete: 51 °C ∆T – hımérsékleti különbség: 11 °C; R – minta termikus ellenállás U – mért hıfluxus: 1.89 mV; 3,11 mV, 4,04 mV k- mérımőszer mérési konstans: 45.69; W λtap1 = 0,22 m°C W λtap 2 = 0,37 m°C W λtap 3 = 0,48 m°C A hıvezetési tényezı mérési módszerének megváltozása miatt az eredetileg megfelelı mérető 2.sz. tapadványminta, már kisméretőnek bizonyult, így annak a hıvezetési tényezı megállapítására vonatkozó mérését nem tudtam végrehajtani. Az 1.sz. tapadványminta hıvezetési tényezıjét egymást követı 3 – azonos beállítás mellett történı - méréssel határoztam meg. A mérési értékek meglehetısen széles spektrumban szóródtak λtap = 0,22 − 0,48

W értékek között. Ennek oka elsısorban a minta inhomogenitásám°C

ban és pórusosságában keresendı.

31. melléklet A nagyolvasztó akna alsó hőtési modellje alapján elvégzett hıátadási szimuláció eredménye a végeselem-módszer alapján (példa) W ) (falazat vastagsága 575 mm; λ= 1,68 m°C A hőtési szimuláció teljes rétegrendje Teljes hőtési rétegrend hımérsékleti viszonyai (°C)

Hőtıvíz hımérséklet eloszlása a csıkígyóban (°C)

Hőtıvíz nyomásváltozása a csıkígyóban (bar)

Hőtıvíz sebessége a csıkígyóban (m/s)

Hőtılap „meleg” és „hideg-oldali” hımérsékletek (°C)

Hőtılap hımérséklet-eloszlása a különbözı rétegekben (különbözı nézetek)

32. melléklet A nagyolvasztó akna alsó részén a tapadvány és a samott falazat vastagságának meghatározása a hıátadási modell felhasználásával végeselem-módszer szimuláció segítségével

Tvki ; o C

∆T; o C

22,0

THLMO ; o C

THLHO ; o C

S tap ; mm

S sam ; mm

2,0

W m2 8863

164,4

33,0

106,8

179,5

24,0

4,0

17727

309,8

48,2

40,2

67,6

26,0

6,0

26590

454,1

59,1

18,1

30,3

29,0

9,0

39886

671,7

80,0

3,2

5,5

20,7

0,7

2617

62,3

24,3

348,9

586,1

21,3

1,3

5583

110,2

28,0

185,2

311,2

22,2

2,2

9665

176,1

34,0

95,9

161,2

24,1

4,1

18204

313,8

47,1

38,7

65,0

25,5

5,5

24287

411,9

56,3

22,4

37,7

27,9

7,9

35010

584,7

71,1

7,6

12,7

30,2

10,2

45161

748,1

86,2

0,01

0,01

q;

Tvbe = 20°C - a hőtılapba belépı hőtıvíz hımérséklete Tkm = 1000°C - nagyolvasztó munkatér hımérséklete a vizsgált hőtılap környezetében [35] m v víz : 2 - a hőtıvíz áramlási sebessége a hőtılapban s • kg m = 5754 - a hőtılap hőtıvíz-tömegárama (96 l/perc) h kJ c p = 4,19 - a víz fajlagos hıkapacitása kgK Ahl = 1,51m 2 - a hőtılap hıátadó felülete W λ sam = 1,68 (800°C − on ) - a samott tőzálló falazat hıvezetési tényezıje m°C W λ tap = 1,00 - a tapadvány hıvezetési tényezıje m°C

W - hıáramsőrőség a vizsgált hőtılapon m2 THLMO ; o C - hőtılap „melegoldal” hımérséklete

q;

THLHO ; o C - hőtılap „hidegoldal” hımérséklete S sam ; mm

- a samott tőzálló falazat rétegvastagsága

S tap ; mm

- a tapadvány rétegvastagsága