METAL 2004
Hradec nad Moravicí
VÝVOJ NOVÉ TECHNOLOGIE NA BÁZI TAVNE-REDUKCNEOXIDACNÍHO PROCESU DEVELOPMENT OF NEW TECHNOLOGY ON THE BASIS OF SMELTING- REDUCTION- OXIDATION Radek Olszara Miroslav Krayzelb Milan Raclavskýc a
Trinecké železárny, a.s. Trinec, Prumyslová 1000, 739 70 Trinec, CR,
[email protected] VÍTKOVICE V&V, Pohranicní 31, 706 02 O.-Vítkovice, CR,
[email protected] c VÍTKOVICE V&V, Pohranicní 31, 706 02 O.-Vítkovice, CR,
[email protected] b
Abstrakt Základní principy vývoje nové technologie. Teoretické základy nového tavného procesu. Vývoj bilancních a energetických modelu. Výzkum a vývoj úpravy vsázkových surovin. Návrh prototypového zkušebního tavného zarízení. Provedení zkušebních tavicích kampaní a jejích vyhodnocení. Návrh dalších postupových kroku vývoje nové technologie. Basic principle of development new technology. Teoretical fundation of new smelting process. Development of balance models. Research and development charged raw materials. Desing of pilot experimental heats and their evoluation. Proposal for next process steps of development new technology. Úvod Výzkum a vývoj nové technologie, jež byla založena na bázi tavne- redukcne-oxidacním procesu, byl rešen v rámci programu KONSORIA, jejímž vyhlašovatelem bylo MPO Praha. Výzkum nové technologie byl soucásti projektu FD-K/035 „ Výzkum, vývoj a aplikace nových technologií v oblasti tekuté fáze ocelárského prumyslu“. Projekt byl rešen v létech 2001 – 2003 a hlavním rešitelem a nositelem projektu byly Trinecké železárny, a.s. Trinec. Splurešitelé projektu: - ISPAT NOVÁ HUT, a.s. - Vítkovice – Výzkum a vývoj, spol. s r.o. - Železárny Hrádek, a.s. - Vysoké pece Ostrava, a.s. V rámci rešení projektu byla vedena úzká spolupráce se specializovanými firmami a výzkumnými ústavy, které se podílely na rešení dílcích cástí projektu. Zejména velký podíl na vypracování teoretických podkladu a vyhodnocení jednotlivých pokusu meli zástupci VŠB – TU Ostrava.
1
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
Základní principy procesu Charakter nové technologie je založen na redukcne-oxidacních pochodech, jejímž konecným výstupním produktem je tekutý kov - surová ocel. Tavný agregát, využívající protiproudý systém spolecného tavení šrotu a redukce rudy s vyloucením koksové vsázky, kde jako zdroj energie a redukcních prostredku bude predevším energetické uhlí. Vedle energetického uhlí je možnost využití tekutých a plynných uhlovodíkových látek, vcetne plastu neobsahujících PVC. Navrhovaná konstrukce nového tavne redukcne-oxidacního agregátu predstavuje šachtovou pec s rozšírenou nístejí. Vsázkové materiály - šrot, železná ruda obohacená o uhlík, struskotvorné prísady a upravené hutní kaly jsou kontinuálne dávkovány do šachty. Energetické uhlí je privádeno do horní casti rozšírené nísteje, kde je zcásti zplyneno a využito pro neprímou redukci oxidu, uvolnené citelné teplo vcetne tepla z dospálení CO a H2 se využivá pro predehrev vsázky. Pro vytvorení vhodného reakcního prostredí se do lázne ve spodní cásti nísteje dmýchá kyslík. Vzniklá struska a tekutý kov-ocel jsou kontinuálne vypoušteny. Oblasti rešení výzkumu nové technologie Oblast 1. Vývoj a stanovení podmínek pro uplatnení kovonosných surovin hutních odpadu jako surovin pro výrobu vsázky ocelárského prumyslu. Stanovení fyzikálních a chemických vlastností vyjadrujících vhodnost pro uplatnení jako vsázková surovina. Nová technologie je zamerena na výrobu surové ocelové taveniny z levných vstupních surovin, zahrnujících také prírodní a odpadní oxidické kovonosné látky. Ve svém dusledku má nová technologie vykrýt oblast výroby železných materiálu všude tam, kde dochází k nahromadení odpadních kovonosných látek, které následne jen s velkými obtížemi a vysokými náklady by bylo možné zpracovat klasickými metalurgickými cestami, a dále v regionech, kde klasická metalurgie chybí. Nový technologický proces už tím, že ve významném podílu¨bude moci využívat odpadu ve vsázce, zajistí významné snížení množství odpadních látek a priblíží se tak požadavkum na široké uplatnení bezodpadových technologií. Byl prijat zámer predupravit oxidické látky tak, aby obsahovaly dostatek redukcního cinidla a zustaly pokud možno behem pruchodu šachtou zkušebního agregátu v kusovém stavu, a to z obavy pred zhoršenou pruchodností pro procesní plyny, tzv. samoredukovatelné brikety, zpevnené prísadami dalších látek a obohacené o bázickou složku pro úpravu struskového režimu. Cílem této etapy rešení úkolu bylo krome zpracování katalogu kovonosných odpadních látek rovnež nalezení vhodné receptury smesi pro laboratorní zhotovení briket ze železitých surovin a jemnozrnných hutních odpadu. Vzhledem k uvažované technologii zkusovení smesi lisováním ci vibrolisováním do briket, bylo treba hledat optimální složení z hlediska granulometrie, a také vlhkosti ci zpracovatelnosti smesi.
2
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
Pri rešení návrhu této smesi a technologie bylo limitující chemické složeni smesi, které vyžaduje postup tavne redukcne-oxidacního procesu výroby oceli a dále pevností konecného produktu, tedy briket, v daném case. Pevnost briket ovlivnuje technologie zkusovení smesi, její složení, zejména obsah a druh pojiva, dále vlhkost smesi, její granulometrií a v poslední rade také druh a množství použité plastifikacní prísady. Pevnost briket nám také limituje doba uplynulá od zamíchání smesi s pojivem do doby uvažované manipulace s briketami a jejich preprava. Dále to je také požadavek vlastní technologie procesu výroby oceli, pro niž jsou tyto brikety urceny. V poslední rade tvar a pevnostní charakteristiky briket ovlivnují technologii zpracování smesi z pohledu použitého strojního zarízení a jeho technologických parametru. Hlavní cást rešení této etapy se soustredila na laboratorní zkoušky, kde bylo cílem nalezení optimálního složení smesi z pohledu výše zmínených vlivu a na základe výsledku pevností laboratorních vzorku a chování techto pokusných vzorku, napr. pri míchání, rozhodnout o technologii zkusovení a navrhnout zpusob provedení poloprovozní zkoušky. Na základe výberového rízení byly zvoleny dve firmy, kde byly provádeny provozní zkoušky zkusovení. Zkusovení formou vibrolisování bylo provádeno ve spolecnosti KERAVIT, a. s., Ostrava a briketace na válcových lisech byla provádena ve firme KVS Ekodivize, a. s., v Horním Benešove. Vlastní provozní zkoušky probíhaly po predchozích laboratorních a poloprovozních zkouškách, které mely stanovit optimální složení z hlediska pojiv. V prubehu techto zkoušek byla overována organická a anorganická pojiva. Z rozboru výsledku vyplynulo, že z hlediska pevnosti a vhodnosti dalšího zpracování v tavícím agregátu je vhodné následující složení: • pro vibrolisování: 67,6 % koncentrát Jugok, 18 % koksový prach, 6 % vápenný hydrát, 8 % cement (typ 52,5R) a plastifikátor Premium 150 v množství 0,4 %; • pro briketaci: 52,0 % koncentrát Jugok, 16,75 % agloruda Alta, 15,1 % prachový koks, 6 % vápenný hydrát, 8 % cement (typ 52,5R), plastifikátor Premium 150 v množství 0,4 % a organické pojivo 5 %. Z provedených zkoušek vyplynulo, že pri daném složení je pevnost briket dostacující pro manipulaci i pro další zpracování v tavícím agregátu . Testovací metody byly postupne upresnovány dle poznatku z jednotlivých zkušebních tavicích kampaní. Na základe získaných poznatku a zkušeností byly pro každou zkušební tavicí kampan stanoveny ruzné vsázkové pomery s jednotlivými typy vsázek za úcelem overení predpokládaných vlastností vsázky, pri ruzných technologických režimech tavicího zkušebního zarízení – TROP(Tavný-redukcne-oxidacní-proces).
3
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
Oblast 2. Kvantitativní a kvalitativní rozbor výskytu železného šrotu v CR. Vývoj úpravárenských metod šrotu s ohledem na využití v nových technologiích výroby vsázky pro ocelárenský prumysl. Výzkum a vývoj nových technologií pro možnost uplatnení náhradních paliv pri výrobe nových ocelárských vsázek.
Spotreba druhotných kovonosných surovin ve výrobním procesu je výrazem intenzity uzavírání materiálových cyklu. Tyto trendy jsou podporovány v zámerech mezinárodních orgánu a predstavují u materiálových toku jeden ze základních podílu udržitelného rozvoje. V Ceské republice nejsou zdroje vlastních železných (i neželezných) rud a proto je nezbytné soustredit pozornost na domácí kovonosné suroviny. Tou je práve odpad v podobe železného i neželezného šrotu. Použití šrotu ve vsázce prináší znacné úspory energie pri výrobe oceli a barevných kovu, a tak významne prispívá ke zlepšení ekologické situace. Sber a úprava šrotu je financne, technicky i investicne nárocná cinnost, mající souvislost nejen se zásobováním hutí a strojírenské metalurgie (sléváren), ale i s jejich technologiemi a dalším vývojem v techto oborech. V rámci zpracovatelského prumyslu tvorí podíl zpracování kovových odpadu cca 1 % a je prímo závislý na vývoji hutnictví železných i neželezných kovu. Trh s nákupem železných odpadu je již v Ceské republice nekolik let rozdelen. Odpovídá jak teritoriálnímu rozdelení (dle firem, které v rámci území, na nemž pusobí a ke svým technologickým možnostem, obhospodarují príslušný prostor), tak i vzhledem ke strukture hospodárských odvetví a výrobám, které jsou v dané lokalite provádeny. Z pohledu zpracovatelu že lezných odpadu a požadavku odberatelu (to je hutních spolecností) v rámci Ceské republiky lze základním zpusobem rozdelit železné odpady na lehký a težký odpad. Tyto jsou dále dle presné specifikace, CSN 42 00 30, zarazovány do jednotlivých druhu. To podle toho, zda se jedná o upravený nebo neupravený železný šrot. Prumerný podíl výskytu šotu na ceském trhu je: ?? 43 % lehký ?? 57 % težký Rozložení spotreby dle odberatelu (mesícní prumery v roce 2001): ?? ?? ?? ??
Trinecké železárny ISPAT NOVÁ HUT Vítkovice Ostatní
46 tis. t 60 – 75 tis. t 25 tis. t 15 tis. t
z toho
85 % težký, 15 % lehký 15 % težký, 85 % lehký 90 % težký, 10% lehký 90 % težký, 10 % lehký
Celkové mesícní objemy požadavku ceských hutí se v prubehu let 2001- 2002 pohybovaly v rozmezí 130 – 160 tis. tun. 4
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
V následujících letech lze ocekávat významné snížení kvality šrotu. To jak z hlediska zmeny pomeru lehký – težký ve prospech lehkého, tak zvýšení znecištení šrotu nežádoucími prímesi. Na pomer lehký – težký šrot bude mít vliv vycerpání „zásob“ težkého šrotu jako dusledku transformace prumyslu a dopravy. Na obé bude mít podstatný vliv zvýšení užitných vlastností ocele pri jejich dokoncovacích operacích u konecného zpracovatele. Jedná se napríklad o povlakování, at kovy ci jinými hmotami. Je zcela logické, že také finalita hutní produkce z tak zvané hutní druhovýroby (napr. tažírny) bude hutní výrobek tak približovat konecnému uživateli, že se dále sníží objem ztrát kovu pri výrobe a tím v konecném dusledku šrotu, vcetne železného, obecne. Pro pokrytí požadavku hutí muže na konci uvažovaného období chybet až 500 tis. t težkého kovového odpadu rocne . Soucástí této oblasti byl rovnež výzkum a overení možnosti uplatnení náhradních paliv pri výrobe tekutých ocelárských vsázek. Cílem techto zkoušek bylo nalézt vhodné nosné médium (typ težkého oleje), který by vyhovoval predevším z hlediska hydraulické dopravy injektované smesi.
Oblast 3. Výzkum a vývoj nové technologie pro výrobu tekuté ocelárské vsázky na bázi tavne-redukcne-oxidacního pochodu s vyloucením ekologicky zatežových vstupních surovin – koksu a aglomerátu.
Výsledkem soustredeného vývoje, zpracování teoretických poznatku a provedení bilancních výpoctu této etapy byla výstavba prototypového zkušebního zarízení nového technologického procesu pro provedení zkoušek. Na základe dokumentace byla prestavena kuplovna v TŽ, a.s. Trinec do podoby tavicího agregátu, jež vychází z konfigurace jednoproudového reaktoru, ve kterém probíhají následující procesy: • sázení vsázky • predehrev vsázky • redukcní pochody až po vznik tekuté fáze • metalurgické pochody postupné premeny tekuté fáze bohaté na uhlík. Koncepce výstavby a umístení agregátu byla volena tak, aby byl maximálne využit stávající systém doprovodných technologických zarízení, jež jsou nutné pro existenci a provedení zkoušek. V prubehu druhé poloviny roku 2002 byly provedeny 4. tavící kampane. Zkušební kampane overily funkcnost tavicího agregátu, dávkovacího zarízení a jednotlivé prvky ASR a MaR. Na základe zkušebních tavicích kampaní, které se uskutecnily v záveru roku 2002 , byla získána rada poznatku, které byly základem provedení konstrukcních úprav a zmen pred zahájením dalších zkušebních taveb v roce 2003. Úpravy a konstrukcní zmeny byly predevším zamerené na: 1. 2. 3. 4. 5.
Umístení kyslíkopalivových horáku Instalace predpecí pro rozdelení kovu a strusky Úprava odpichového otvoru kovu a strusky Zmena konicity šachty agregátu TROP Softwarové úpravy rídícího systému
5
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
Veškeré konstrukcní zmeny na zkušebním zarízení TROP byly provedeny s cílem získat širokou škálu technologických údaju, smerujících k overení stanovených predpokladu na tavném zarízení TROP. Celkem bylo provedeno 8. zkušebních tavících kampaní . Cílem jednotlivých zkušebních tavicích kampaní bylo overení všech technických a konstrukcních návrhu nového zkušebního a vývojového agregátu (TROP) v provozních (teplých) podmínkách s postupným odstranením koksu ze vsázky a nahrazení pevného surového železa ocelovým šrotem. Vlastní technologický pochod zabezpecit pri stabilním príkonu kyslíkopalivových horáku. Pri zkušebních kampaních byly potvrzeny predpoklady, že pomocí horáku umístených v nístejové cásti zarízení TROP: a) lze v podstate kontinuálne tavit vsázku promenlivého složení; b) je možné prakticky zcela vyredukovat kov z oxidické kovonosné vsázky; c) pri vhodné kusovosti vsázky a zachování alespon minimálního podílu kusového koksu ve vsázce (zlepšení pruchodnosti pro reakcní plyny) klesá vsázka šachtou do nísteje více méne rovnomerne. Byly zároven zjišteny okolnosti, za kterých se technologický proces v zarízení TROP dostane do obtížne riditelného stádia, zejména pri vzniku disproporce v príkonu tepelné energie a jejím prenosu na vsázku ve vnitrním objemu zarízení. Na základe provedených technologických zkoušek v kampaních bylo doporuceno znalosti o technologii tavení doplnit o provozní zkušební testy na zarízení s rotacní nístejí. Hlavním smyslem této práce mela být odpoved na otázku, zde je možné zlepšit prenos tepelné energie horáku na již vytavený kov. Tento aspekt se v dosavadním vývoji zarízení a technologie TROP nedarilo plne prokázat. Prokázaní této myšlenky tvorí základ pro další rozvoj a modifikaci technologie TROP. Všechny poznatky a zkušenosti získané behem vývoje a overení technologie TROP, byly podrobne analyzovány a výsledky byly promítnuté do návrhu smeru dalšího rozvoje nové technologie . Byla zpracována studie dalšího postupu a smeru výzkumu v této oblasti vývoje nové technologie, vcetne návrhu konstrukce nového tavicího agregátu a navazujících technologických celku. Tato studie bude predložena Technicko-ekonomické rade TŽ, a.s. Trinec, která rozhodne o dalším postupu rešení.
Záver Výzkum a vývoj nové technologie splnil hlavní cíle projektu. Behem tríletého rešení bylo vynaloženo znacné úsilí pri rešení všech jednotlivých cílu projektu, a to ze strany celého rešitelského kolektivu. Pri rešení bylo získáno znacné množství nových metalurgických poznatku, které budou v budoucnu využity pri koncipování metalurgických agregátu pro zpracování kovonosných odpadu a pro výrobu tekuté ocelárské vsázky.
6
