Porowatość koksu i jej wpływ na proces wielkopiecowy

Strugała, A.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Porowatość koksu i jej wpływ na proces wielkopiecowy

Autorzy

Strugała A.

Identyfikatory

Warianty tytułu

Coke porosity and its influence on blast furnace process

Języki publikacji

Abstrakty

Przedstawiono rolę koksu w procesie wielkopiecowym w jej trzech podstawowych aspektach: energetycznym, chemicznym i fizycznym. Ten ostatni sprowadza się do zapewnienia złożu materiałów wsadowych odpowiedniej przewiewności dla gazów oraz przepuszczalności dla żużla i ciekłego metalu. Jest to szczególnie ważne w dolnych partiach pieca, gdzie jedynie koks pozostaje w stanie stałym. Na tym tle przedstawiono wpływ właściwości mechanicznych oraz reaktywności koksu na przebieg procesu wielkopiecowego, a także scharakteryzowano główne czynniki powodujące jego termochemiczną i mechaniczną degradację. Omówiono wpływ porowatej struktury koksu na jego reaktywność z uwzględnieniem roli jako odgrywają poszczególne grupy wymiarowe porów w różnych obszarach zgazowania koksu ditlenkiem węgla. Scharakteryzowano też wpływ porowatej struktury koksu na jego wytrzymałość, w tym także wytrzymałość po reakcji z CO₂. Oceny wpływu porowatości koksu na jego wytrzymałość dokonano, wykorzystując opracowane dla materiałów kruchych modele oparte na analizie energetycznej zjawiska zniszczenia (teoria Griffitha), zaczerpnięte z mechaniki zjawiska zniszczenia współczynniki koncentracji naprężeń oraz semi-empiryczne wzory uwzględniające wytrzymałość pozbawionej porów matrycy i oraz wpływ działających jako koncentratory naprężeń defektów strukturalnych (pory, pęknięcia itp.).

The paper presents three major aspects of the role of coke In blast furnace process, i.e. energy, chemical and physical aspects. The last one involves ensuring the appropriate gas permeability and proper drainage for slag and liquid metal inside the blast furnace. This is especially important in the lower parts of the furnace where only coke remains in solid state. Against this background, the influence of mechanical properties and reactivity of coke on the blast furnace process is discussed and major causes of thermal, chemical and mechanical degradation of coke are characterised. The paper discussed, the unfluence of porous coke structure on coke reactivity is defined for particular stages of its gasification, with regard to pores with different diameters. The effect of coke porosity on mechanical properties and coke strength after reaction with CO₂ is analysed. The assessment of influence of coke porosity on its strength was done with the use of models based on energy analysis of rapture in solids developed by Griffith for brittle materials and semi-empirical relationships taking the account of the strength of solid matrix and the influence on structural failures (pores, cracks etc.) of stress concentrators.

Słowa kluczowe

proces wielkopiecowy koks porowatość

blast-furnace process coke porosity

Wydawca

Wydawnictwo Górnicze Sp. z o.o.

Czasopismo

Karbo

Rocznik

2006

Tom

Nr 2

Strony

86--97

Opis fizyczny

Bibliogr. 97 poz., 4 rys., 1 tabl.

Twórcy

autor

Strugała A.

Wydział Paliw i Energii AGH, Kraków, strugala@uci.agh.edu.pl

Bibliografia

1. Buchtele J. i in., Závislost pórovitého systému koksu na hustotę a vlhkosti vsázky a na reřimu jejiho ohřevu. Hutnicke Listy, 1990, nr 6, s. 377.
2. Buchtele J. i in., Effect of the Organic Matter Structure on the Coking Properties and on the Texture Formation of Model Cokes. Proceedings of 2nd International Cokemaking Process, t. 2, London 1992, s. 214.
3. Toda Y., A study by density measurement of changes in pore structures of coals with heat treatment. Part 2: Micropore structure. Fuel, 1973, t. 52, s. 99.
4. Miura S., Silveston P.L., Change of pore properties during carbonization of coking coal. Carbon, 1980,1.18, s. 93.
5. Singla P.K. i in., Pore development during carbonisation of coals. Fuel, 1983, t. 62, s. 645.
6. Strugała A., Changes of porosity during carbonization of bituminous coals: effects due to pores with radii less than 2500 nm. Fuel, 2002, t. 81, s. 1119.
7. Straka P., Buchtele J., Použiti analyzy obrazu ke stanoveni mechanickych parametrů koksu. Hutnicke Listy, 1993, nr 3, s. 4.
8. Strugała A., Wpływ zjawiska ekspansji złoża ziaren węgla w okresie jego termicznego uplastycznienia na porowatość powstającego karbonizatu. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 2002, t. 18, s. 41.
9. Chiche P. i in., Development of internal surface area of coals during carbonisation. Fuel, 1965, t. 44, s. 5.
10. Toda Y., A study by density measurement of changes in pore structures of coals with heat treatment. Part 1: Macropore structure. Fuel, 1973, t. 52, s. 36.
11. Mackowsky M.T, Wolff E.M., Microscopic investigations of pore formation during coking. Coal Science - Adv. in Chem., 1966, nr 55, Washington: American Chemical Society, s. 527.
12. Tajc E.M., Formirovanije poristoj struktury koksa. Koks I Chimija, 1980, nr 3, s. 18.
13. Fitzgerald D., Viscoelastic properties of coal during carbonization. Fuel, 1957, t. 36, s. 389.
14. Cameron A., Stacey W.O., Porosity of carbonized coals – Part 1. Austral. Journal of Applied Science, 1958, t. 8, s. 283.
15. Cameron A., Stacey W.O., Porosity of carbonized coals – Part 2. Austral. Journal of Applied Science, 1959, t. 10, s. 449.
16. Miura S., Silveston P.L., Change of pore properties during carbonization of coking coal. Carbon, 1980, t. 18, s. 93.
17. Merrick D., Mathematical models of the thermal decomposition of coal; Part 3 - density, porosity and contraction behaviour. Fuel, 1983, t. 62, s. 547.
18. Strugała A., Burmistrz P., Identyfikacja czynników determinujących parametry tekstury porowatej koksów. Koks Smoła Gaz, 1988, t. 33, s. 87.
19. Groβpietsch K.H. i in., Coke requiraments by european blast furnace operators in the turn of the millennium. Proceedings of the 4th International Cokemaking Congress, Paris 2000, s. 2.
20. Praca zbiorowa, Koksownictwo. Wyd. Śląsk, Katowice 1986.
21. Benesch i in., Proces wielkopiecowy. Wyd. Śląsk, Katowice 1972.
22. Mazanek E., Przygotowanie wsadu wielkopiecowego. Wyd. Śląsk, Katowice 1968.
23. Mazanek E., Sabela W., Procesy spalania i wymiany ciepła w wielkim piecu. Wyd. Śląsk, Katowice 1970.
24. Hauβer H., Bestehorn B., Untersuchungen über die Verbrennlichkeit von Hüttenkoks in technischen Körnungen. Stahl u. Eisen, 1925, nr 23, s. 1075.
25. Pigoń K., Ruziewicz Z., Chemia fizyczna. PWN, Warszawa 1993.
26. Staronka A., Chemia fizyczna dla metalurgów. PWN, Warszawa 1980.
27. Harker H. i in., The carbon - carbon dioxide reaction. Industrial Carbon & Graphite, 1958, t. 8, s. 291.
28. Kashiwaya Y., Ishii K., Kinetic analysis of coke gasification based on non-crystal/crystal ratio of carbon. ISIJ International, 1991, t. 31, s. 440.
29. Hermann W., Coke reactivity and coke strength. Part I: Coke reactivity - Summary and outlook, Cokemaking International, 2002, nr 1, s.18.
30. Roga B., Tomków K., Chemiczna technologia węgla. WNT, Warszawa 1971.
31. Mazanek T., Mamro K., Podstawy teoretyczne metalurgii żelaza. Wyd. Śląsk, Katowice 1969.
32. Peters W., Lask G.W., Zur Reaktivität von Koks - Part I. Brennstoff- Chemie, 1961, nr 3, s. 84.
33. Peters W, Lask G.W., Zur Reaktivität von Koks - Part II. Brennstoff - Chemie, 1961, nr 3, s. 323.
34. Helleisen M. i in., Characterisation of the behaviour of coke in the blast furnace by dead-man coke samples. Proceedings of the ltst International Cokemaking Congress, Essen 1987, Preprints Volume 1 - C 2, s. 1.
35. Beppler E., Coke quality and its influence on the lower part of the blast furnace. Proceedings of the 4th International Cokemaking Congress, Paris 2000, s. 224.
36. Perrot G.S.J. Kinney S.P, Combustion of coke in blast furnace hearth. Trans. American Inst. Min. Metallurgy Eng., 1923, nr 69, s. 543.
37. Kamijoh T. i in., Estimation of coke degradation in the blast furnace by the analysis of deadman coke. Proceedings of the ltst International Cokemaking Congress, Essen 1987, Preprints Volume 1 -C 1, s. 1.
38. O’Donell E.M., Poveromo J.J., Coke quality requirements from a North American Prospective. Proceedings of the 4th International Cokemaking Congress, Paris 2000, s. 12.
39. Leonard D.C. i in., Coke quality requirements of European blast furnace engineers. Proceedings of the 3trd International Cokemaking Congress, Gandawa 1996, s. 1.
40. Negro P. i in., Assessment of coke bed permeability in lower part of the blast furnace. Proceedings of the 4th International Cokemaking Congress, Paris 2000, s. 241.
41. Krzeszewski R., Kinetyka rozpuszczania stałego węgla w ciekłym żelazie. Prace Instytutu Odlewnictwa, 1963, nr 1, s. 1.
42. Kasai I. i in., Coke quality for a high rate of pulverized coal injection in blast furnace. Proceedings of the 4th International Cokemaking Congress, Paris 2000, s. 218.
43. Negro P. i in., Assessment of coke degradation in the blast furnace from tuyere probing investigations, Proceedings of the 3trd International Cokemaking Congress, Gandawa 1996, s. 20.
44. Lin R. i in., Investigation of influence of cokes with different quality on the blast furnace operation. Proceedings of the 4th International Cokemaking Congress, Paris 2000, s. 237.
45. Wells W.F., Smoot L.D., Relation between reactivity and structure for coals and chars. Fuel, 1991, t. 70, s. 454.
46. Pinczuk S.I., Ostapczenko A.V., Vlijanije poristosti koksa na ego procznost i reakcjonnuju sposobnost. Koks i Chimija, 1978, nr 2, s. 46.
47. Griaznov J.S., Osnovy teorii koksovanija. Izd. Mietałłurgija, Moskwa 1976.
48. Skljar M.G., Intensifikacija koksovanija i kaczestvo koksa. Izd. Mietałłurgija, Moskwa 1976.
49. Syskow K.J., Teorija poviedenija koksa v domennom processe. Izd. AN SSSR, Moskwa 1949.
50. Straka P., Vztah tlouštky sten hrubých pórů koksu k mechanickým vlastnostem koksu pro reakci s oxidem uhličitým. Hutnik, 1990, t. 40, s. 203.
51. Patrick J.W., Walker A., Macroporosity in cokes: its significance, measurement and control. Carbon, 1989, t. 27, s. 117.
52. Mucznik D.A. i in., Metod uskoriennovo opredelenija poristosti koksa. Koks i Chimija, 1987, nr 1, s. 17.
53. Uebo K. i in., Improvement of CSR estimation model in coke quality control system. Proceedings of the 4th International Cokemaking Congress, Paris 2000, s. 174.
54. Długosz A. i in., Reakcyjność i wytrzymałość koksów hutniczych badana metodą opracowaną przez Nippon Steel Co. Karbo-Energochemia-Ekologia, 1992, t. 37, s. 281.
55. Straka P. i in., Karboxireaktivita kuskoveho koksu z poloprovozniho koksovani modelove vsazky z různym zhutnenim. Hutnik, 1986, t. 36, s. 163.
56. Karcz A., Mazanek E., Badanie reakcyjności koksu. Prace Rady Naukowo-Technicznej HiL, 1962, nr 12, s. 3.
57. Ostrouchov M.J., Povedenije plotnovo koksa w domennoj peczi. Stal, 1947, nr 8, s. 12.
58. Zygourakis K., Effect of pyrolysis conditions on the macropore structure of coal - derived chars. Energy a. Fuels, 1993, t. 7, s. 33.
59. Eiffert K.D. i in., Untersuchung zur Kennzeichung der Reaktionsfläche bei der Vergasung von Koksen mit Kohlendioxid. Glückauf - Forschungshefte, 1971, t. 32, s. 237.
60. Eliott M., Howard J.B., Fundamentals of coal pyrolysis and Hydropyrolysis. Ed. John Wiley, New York 1981.
61. Gavalas G.R., A random capillary model with application to char gasification at chemically controlled rates. AIChE Journal, 1980, t. 26, s. 577.
62. Dutta S., Wen Y., Reactivity of coal and char. 2. In oxygen -nitrogen atmosphere. Ind. Engineering Process Design Development, 1977, t. 16, s. 31.
63. Mucznik D.A. i in., Zakonomiernost raspredelenija makroporov po ich linejnym razmeram v promyszlennych koksach. Koks i Chimija, 1987, nr l, s. 24.
64. Suginobe H., Zur Veränderung der Porenverteilung im Verlauf der Verkokung und deren Auswirkung auf die Spaltzugfestigkeit und den Elastizitätsmodul von Koksen. Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs - TU Berlin 1985.
65. Hartwell R.R. i in., Effect of low-volatile additives on the structure and strength of cokes. Fuel, 1982, t. 61, s. 329.
66. British Coke Research Association: Microstructure and porosity and their relation to the mechanical properties of carbons an cokes - Program of research: Objective 4, Project 1. Chesterfield 1984.
67. Patrick J.W., Stacey A.E., The strength of industrial cokes: Part 1. Variability of tensile strength in relation to fissure formation. Fuel, 1972, t. 51, s. 81.
68. Patrick J.W. i in., The strength of industrial cokes: Part 2. Tensile strength in relation to fissure formation. Fuel, 1972, t. 51, s. 174.
69. Patrick J. W., Stacey A.E., The strength of industrial cokes: Part 3. Tensile strength of blast-furnace cokes. Fuel, 1972, t. 51, s. 206.
70. Patrick J.W. i in., The strength of industrial cokes: Part 4. The influence of carbonizing conditions on the tensile strength. Fuel, 1973, t. 52, s. 27.
71. Patrick J.W., Stacey A.E., The strength of industrial cokes: Part 5. Influence of coke breeze in a coal charge on tensile strength of coke. Fuel, 1975, t. 54, s. 213.
72. Patrick J.W., Stacey A.E., The strength of industrial cokes: Part 6. Further studies on the influence of coke breeze in a coal charge on tensile strength of coke. Fuel, 1975, t. 54, s. 256.
73. Patrick J.W., Stacey A.E., The strength of industrial cokes: Part 7. Further studies of the influence of additives in a coke-oven charge on the tensile strength of coke. Fuel, 1978, t. 57, s. 258.
74. Klose W., Schinkel A.P., Mechanical properties of metallurgical coke. Karbo, 2003, t. 48, s. 188.
75. British Coke Research Association: Examinations of the structual and strength properties of blast furnace cokes - Program of research: Objective 3, Project 1. Chesterfield 1983.
76. Grant M.G.K. i in., Factors affecting the strength of blast furnace coke. Fuel, 1991, t. 70, s. 181.
77. Griffith A.A., Phenomena of rapture and flow in solids. Philos. Trans, of the royal soc. London, 1920, Ser. A. 221, s. 163.
78. Pawłowski Z., Ocena wytrzymałości materiałów kruchych metodą ultradźwiękową. Prace IPPT PAN, 1967, nr 13.
79. Haynes R., Effect of porosity content on the tensile strength of porous materials. Powder Metallurgy, 1971, t. 14, s. 64
80. Knudsen P.P., Dependence of mechanical strength of brittle pollycrystalline specimes on porosity and grain size. Journal of the American Ceramic Society, 1959, t. 42, s. 376.
81. Knibbs R.H., Fracture in polycrystalline graphite. Journal of Nuclear Materials, 1967, t. 24, s. 174.
82. Jeulin D., Steiler J.M., Caractérisation du component méchanique du coke métallurgique. Mém. Scient. Rev. Métallurgique. 1980, t. 34, s. 107.
83. Coble R.L., Parikh N.M., Inter alia, Fracture. Ed. H. Liebowitz - Academic Press, New York 1972, nr 7, s. 243.
84. Nishioka K., Yoshida S., Strength estimation of coke as porous material. Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan, 1983, t. 23, s. 387.
85. Irwin G.R., Encyclopedia of physics, t. 6, Springer Verlag, Berlin 1958.
86. Nied H.A., Arin K., Multiple flaw fracture mechanics model for ceramics. Fracture Mechanics of Ceramics, 1977, t. 3, s. 67.
87. Ryshkewitch E., Compression strength of porous sintered alumina and zirconia. Journal of the American Ceramic Society, 1953, t. 36, s. 65.
88. Sato H. i in., Effect of coal properties and porous structure on tensile strength of metallurgical coke. Fuel, 1998, t. 77, s. 1203.
89. Pitt G.J., Rumsey J.C.V., Some features of metallurgical cokes and their effects on strength. Journal of physics. D - Applied Physics. 1980, t. 13, s. 969.
90. Weibull W., A statistical theory of the strength of materials. Ingeniörvetenskapsakademiens Handliger Stockholm, 1939, nr 151.
91. Boek D., Elementary engineering fracture mechanics. Ed. Martius Nijhoft Publishers, Amsterdam 1982.
92. Peirce T.J. i in., Coke breakage behaviour in relation to its structure. Journal of physics. D - Applied Physics, 1980, t. 13, s. 953.
93. Evans I., Pomeroy C.D., Mechanical properties of non-metalic brittle materials. Ed. Butterworths, London 1958.
94. Mason I.B., Fracture phenomena of graphite. Proceedings of the 5th Conference on Carbon, Pergamon Press, Oxford 1963, t. 2, s. 597.
95. Manson S.S., Smith R.W., Theory of thermal shock resistance of brittle materials based on Weibull’s statistical theory of strength. Journal of the American Ceramic Society, 1955, t. 38, s. 18.
96. Rooney K.A. i in., Developments in coke quality and the improved performance of a 3000 cubic metre blast furnace. Proceedings of the ltst International Cokemaking Congress, Essen 1987, Preprints Volume 1 - C 3, s. 1-17.
97. Nakamura N. i in., Philosophy of blending coals and cokemaking technology in Japan. Proceedings of the Coal and Cokemaking Conference, Middlesborough 1977, s. 19.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-BPP1-0063-0016