METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
LICÍ PÁNVE V OCELÁRNĚ ARCELORMITTAL OSTRAVA – POUŽITÍ NOVÉ IZOLAČNÍ VRSTVY POURING LADLES IN ARCELORMITTAL OSTRAVA STEEL PLANT - UTILIZATION OF NEW INSULATION LAYER Dalibor Jančara Petr Tvardekb Pavel Hašeka a
FMMI VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava, ČR,
[email protected] b ArcelorMittal Ostrava a.s., Vratimovská 689, 707 02 Ostrava, ČR,
[email protected] Abstrakt Pánvová metalurgie je v současné době jedním z nejdůležitějších uzlů dosavadního způsobu výroby oceli. Hlavní částí pánvové metalurgie je licí pánev. Její vysoká životnost je zaručena vyzdívkou z vysoce jakostních žárovzdorných materiálů. V důsledku několikanásobného použití licí pánve dochází k opotřebení její vyzdívky. Toto opotřebení je dáno erozivním a korozivním účinkem roztaveného kovu a strusky. Zpomalení procesu opotřebení vyzdívky lze zaručit vhodným tepelným režimem licí pánve. Udržování teploty licí pánve na vysokých, pokud možno konstantních hodnotách, pozitivně ovlivňuje stupeň opotřebení vyzdívky. Toho lze dosáhnout použitím kvalitní izolační vrstvy mezi ocelový plášť a trvalou vyzdívku licí pánve. Abstract Ladle metallurgy is currently one of the most important points of the existing steel making way. The ladle is the main part of the ladle metallurgy. Its high lifetime is guaranteed by lining made from high-quality refractory materials. Due to multiple use of the ladle there is its lining wear. This wear is the cause of erosive and corrosive effect of molten steel and by slag attack. The lining wear process slowing down can be engaged by proper ladle thermal regime. Keeping of the ladle temperatures on high and preferably constant values influences the lining wear factor. This can be reached by using a high-quality insulating layer between steel shell and safety lining of the ladle. 1. ÚVOD Současné technologie pánvové metalurgie a plynulého odlévání oceli kladou vysoké nároky na žárovzdorné vyzdívky licích pánví. Licí pánve jsou agregáty, ve kterých díky neustálému střídání teploty dochází k velkému namáhání vyzdívky, která spolu s korozivním a erozivním působením strusky a horké oceli způsobuje nejenom velké opotřebení žárovzdorné vyzdívky, ale často i její předčasné vyřazení způsobené vznikem trhliny. Tomuto příliš velkému kolísání teplot lze zabránit použitím kvalitnější izolační vrstvy mezi ocelový plášť a trvalou vyzdívku licí pánve. Ta nám zabrání úniku tepla do okolí a zároveň zmenší rozptyl teplot na protilehlých koncích pracovní vrstvy, čímž se sníží tahová a tlaková namáhání v cihle.
1
METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 2. TEORETICKÉ POZNATKY V současné době jsou nejpoužívanějším typem licích pánví v ocelárně ArcelorMittal Ostrava a.s. pánve vyzděné materiály fy. Komex (jedná se o pracovní vrstvu). Celková skladba vyzdívky je na obrázku 1. MgO-C tvarovka pojená pryskyřicí Hladina oceli Magnezio-spinelová tvarovka pojená pryskyřicí
Struska
MgO-C tvarovka pojená dehtem
Šamotové tvarovky
Magnezio-dolomiová tvarovka pojená dehtem
Vláknitá izolace
Ocelový plášť Žárobeton
Argonovací dmyšna
Výduska
Výtokový uzel
Obr. 1. Schéma licí pánve vyzděné tvarovkami fy. KOMEX Fig. 1. Ladle with brick lining produced by KOMEX Složení vyzdívky stěny licí pánve je následující:
pracovní vyzdívka – KOMEX DMPV
200 mm
zásyp – KOMEX DSZ
5 až 10 mm
trvalá vyzdívka – ŠAMOT SNKI
80 mm
izolace – ASFILBOARD
5 mm
3. NOVÁ IZOLAČNÍ VRSTVA Celkové řešení probíhalo v těchto úsecích: 1. Výběr vhodné izolace, 2. Teoretický výpočet srovnávající rozložení teplot ve vyzdívce licí pánve se starou izolační vrstvou a s novou izolační vrstvou, 3. Koupě a instalace nové izolační vrstvy, 4. Provozní sledování licí pánve s novou izolační vrstvou. 3.1 Výběr vhodné izolace Při výběru nové izolační vrstvy musel být brán zřetel na tloušťku nové izolační vrstvy. Příliš velká tloušťka by nám mohla zmenšit pracovní prostor licí pánve na neúnosnou mez. Jako nejvhodnější, co se týče tepelných vlastností, se jevil materiál PROMALIGHT ALU 2
METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 1000 od firmy Promat. Jedná se o mikroporézní desku na bázi pyrolitického oxidu křemičitého a anorganických plniv s nízkou tepelnou vodivostí potaženou hliníkovou fólií (viz obr. 2).
Obr. 2. Izolační materiál PROMALIGHT ALU 1000 Fig. 2. Insulation material PROMALIGHT ALU 1000 Jelikož izolační desky PROMALIGHT snesou teploty maximálně do 1000 °C, bývá vložena mezi desky PROMALIGHTu a šamotové tvarovky izolační deska PROMAFORM 1260. Jedná se o vakuově tvarované desky na bázi hlinitokřemičitých vláken a směsi anorganických a organických pojiv. Desky mohou být použity na žárovzdorné vyzdívky, které jsou vystaveny přímému kontaktu s žárem, teplotním šokům, případně agresivnímu chemickému prostředí. Obě izolace jsou umístěny jak ve dně, tak na bocích licí pánve. Jejich základní tepelné, fyzikální a chemické vlastnosti jsou uvedeny v tabulce 1 [1], [2], [6], [7]. 3
METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Tabulka 1. Technické údaje izolačních materiálů fy PROMAT Table 1. Technical data of insulation materials produced by PROMAT NÁZEV VÝROBKU
PROMALIGHT ALU 1000
PROMAFORM 1260/500
1000
1260
280 – 350
260 – 280
Klasifikační teplota [°C] Objemová hmotnost [kg.m-3] Pevnost v tlaku za studena [MPa]
1–3
Tepelná kapacita [kJ.kg-1.K-1]
1,05
1,13
při 200 °C
0,022
0,07
při 400 °C
0,025
0,09
při 600 °C
0,037
0,11
při 800 °C
0,048
0,15
Tepelná vodivost [W.m-1.K-1]
př1000 °C
0,20
Chemické složení [%] SiO2
77,5
CaO
2,5
ZrO2
20
Al2O3
20
56
44
3.2 Srovnání staré a nové vyzdívky Složení vyzdívky stěny licí pánve s novou izolací: pracovní vyzdívka – KOMEX DMPV
200 mm
zásyp – KOMEX DSZ
5 až 10 mm
trvalá vyzdívka – ŠAMOT SNKI
80 mm
izolace – PROMAFORM 1260/500
10 mm
izolace – PROMALIGHT ALU 1000
5 mm
Výpočtem (viz. obrázek 3) bylo zjištěno, že použitím nových izolačních vrstev fy. PROMAT dojde nejenom ke snížení teploty ocelového pláště licí pánve, tedy k lepšímu uchování akumulovaného tepla z tekuté oceli, ale ke srovnání teplot v pracovní vrstvě vyzdívky. Na obrázku 3 je zelenou čárkovanou čarou naznačen teplotní spád ve vyzdívce se starou izolační vrstvou a modrou plnou křivkou teplotní spád ve vyzdívce s novou izolační vrstvou (vrstvami). Jak je vidět, teplota pláště by měla klesnout cca. o 72 °C a rozdíl teplot pracovní vrstvy klesl z původních 498 °C na 315 °C. Výpočet byl proveden pro teplotu oceli 1600 °C a teplotu okolního vzduchu 15 °C. Je zřejmé, že během provozu dochází k chladnutí tvarovek (při transportech bez oceli atd.) a jednotlivé rozdíly se mohou měnit, ale při výpočtech s nižší hodnotou na straně tekuté oceli se rozdíly na koncích tvarovek mění vždy k lepšímu. Například při teplotě 1000 °C je rozdíl u staré izolační vrstvy už jenom 238 °C a u nové 128 °C. Zde je taktéž vidět, že čím vyšší teplota na straně oceli, tím má izolace větší pozitivní vliv na rozptyl teplot (498 - 315 = 183 °C; 238 – 128 = 110 °C).
4
METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
Teplotní pole vyzdívky
1600,00
1600 1400
1285,39
Teplota [°C]
1200
Komex
1021,95
1000
1102,14
800
795,45
Šamot
600
633,10
400 275,30
200
272,26
Ocel
0 1,63
201,02
1,68
1,73
1,78
1,83
1,88
1,93
199,34
1,98
Poloměr stěny [m]
Obr. 3. Srovnání teplot ve vyzdívce licí pánve se starou izolací (zelená čárkovaná křivka) a s novou izolací (modrá plná křivka) Fig. 3. Comparison of temperatures in ladle lining with old insulation (green dashed line) and new insulation (blue full line) 3.3 Instalace nové izolační vrstvy Instalace nové izolační vyzdívky žádá zpočátku instrukce firmy Promat, a proto si první zdění dělá firma sama. Velkým rozdílem proti stávající izolaci už bylo, že první vrstva izolace (PROMALIGHT) se lepí speciálním lepidlem přímo na stěny očištěného ocelového pláště licí pánve (viz. obr. 4). Druhá izolace (PROMAFORM) se občas namáčí vodou, aby nedošlo k jejímu zlomení v ohybech. Dá se říci, že se i malinko prodlouží celková doba zdění licí pánve. Obr. 4. Vyzdívání stěn licí pánve izolací PROMALIGHT Fig. 4. Insulation board PROMALIGHT installed onto the ladle sidewall area 3.4 Provozní sledování licí pánve s novou izolační vyzdívkou Provozním sledováním bylo zjištěno, že pořízením nové izolace klesne teplota pláště lící pánve o 70 °C, což přesně koresponduje s výpočtem. Tato teplota byla měřena pyrometrem. Teplota na rozhraní pracovní a trvalé vyzdívky nebyla přesně zjištěna, ale vzrůst teploty trvalé
5
METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ vyzdívky došel tak daleko, že při následném bourání licí pánve na konci kampaně – po 33 litích – bylo zjištěno, že tato vyzdívka je naprosto spálená a bylo rozhodnuto pořízení nového materiálu pro vyzdívání této vrstvy. Šamotové tvarovky budou zřejmě nahrazeny silimanitickými materiály, které snesou vyšší teploty. Z toho vyplývá, že nová izolační vrstva je schopna mnohem lépe zadržet akumulované teplo ve vyzdívce než izolace stará. 4. ZÁVĚR Koncem roku 2007 byla v ocelárně ArcelorMittal Ostrava a. s. instalovaná nová izolační vrstva do licí pánve a následně provedeno provozní měření. Celkové výhody pořízení nové izolace lze shrnout do těchto bodů: Pracovní vrstva pracuje s menším rozdílem teplot snížení rizika vzniku trhliny v pracovní vrstvě a následné prodloužení životnosti vyzdívky licí pánve. Snížení odvodu tepla do okolí
úspora topného plynu na vysokoteplotním ohřevu s následným snížení emisí CO2 (viz. lit. 3 a 5), dosažení přesné odlévací teploty oceli po celou dobu lití.
Snížení teploty ocelového pláště dna licí pánve zabraňuje přehřívání identifikačních čidel a tím zabezpečuje jejich bezporuchovost (viz. lit. 1 a 8). Možnost snížení odpichové teploty (viz lit. 4). Plné využití nové izolační vrstvy předpokládá zakrývání licí pánve víkem během provozu kdykoliv je to možné a pokud možno nechat pánev co nejrychleji cyklovat mezi jednotlivými odpichy. Práce vznikla v rámci řešení grantového projektu FI-IM3/165 „Komplexní snižování měrných emisí CO2 při výrobě oceli“ realizovaného za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu ČR. 5. LITERATURA [1] LIPTÁK, M. Zajištění tepelné ochrany zařízení pro identifikaci licích pánví. Diplomová práce. Ostrava: VŠB-Technická univerzita Ostrava, FMMI, 2007, 61s. [2]
JANÍČEK, D. Tepelně technické zhodnocení izolační vrstvy vyzdívky licí pánve. Bakalářská práce. Ostrava: VŠB-Technická univerzita Ostrava, FMMI, 2006, 39s.
[3]
TVARDEK, P. Specifikace výpočetních konstant pro oběh pánví určených pro ZPO 2 a ZPO 3 : výzkumná zpráva ISPAT NOVÁ HUŤ a.s. Ostrava, 09/2003.
[4]
BENČO, P. Změna teplotního pole vyzdívky licí pánve při použití nového typu pracovní a izolační vrstvy. Diplomová práce. VŠB – TU Ostrava, katedra tepelné techniky, 2005, 52s.
[5]
NOŽIČKOVÁ, P. Optimalizace ohřevu vyzdívky licí pánve. Diplomová práce. Ostrava: VŠB-Technická univerzita Ostrava, FMMI, 2007, 58 s.
[6]
PROMAT: Vysokoteplotní konstrukční a izolační materiály. Etex Group. 2005. 89 s.
[7]
ŠOSTÁKOVÁ, J. Řízení vysokoteplotního ohřevu vyzdívek licích pánví v podmínkách ocelárny Mittal Steel Ostrava. Bakalářská práce. Ostrava: VŠB-Technická univerzita Ostrava, FMMI, 2006, 53s.
[8]
TVARDEK, P. Řízení vysokoteplotního ohřevu licích pánví. Závěrečná zpráva výzkumného úkolu plánu TR ev. č. H-03-103/862. ArcelorMittal Ostrava, a. s. 2007. 19 s.
6
