METAL 2002
14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí
TEPELNÁ PRÁCE VYZDÍVKY PÁNVE PŘI MIMOPECNÍM ZPRACOVÁNÍ A PLYNULÉM ODLÉVÁNÍ OCELI THERMAL WORK OF LADLE LINING AT SECONDARY METALLURGY TREATMENT AND CONTINUOUS CASTING OF STEEL Pavel Hašek VŠB –TU, Katedra tepelné techniky – Ústav průmyslové keramiky tř. 17. listopadu 15,708 33 Ostrava – Poruba, ČR,
[email protected] Abstrakt Jedním z rozhodujících parametrů tekuté oceli, který je nutno zajistit k úspěšnému odlévání oceli, je dosažení optimální licí teploty a dodržení jejího úzkého rozmezí v průběhu lití. Základním tepelně technickým problémem při sekundární metalurgii a odlévání oceli je určení změny teploty oceli v době mezi odpichem a koncem odlévání, ve které dochází k poklesu entalpie oceli v důsledku působení tepelných ztrát. Uvedený problém je nutno zpracovat způsobem, který by umožňoval predikci odpichových teplot pro řídící systémy ocelářských pecí a určení časové změny teploty oceli v průběhu mimopecního zpracování a odlévání. Základními metodami použitými při sledování tepelných pochodů v pánvi bylo matematické modelování a provozní experiment. Současné technologie mimopecního zpracování oceli a plynulého odlévání se vyznačují vysokými nároky na žárovzdornou vyzdívku licích pánví. Pro technologii mimopecního zpracování prováděného především v pánvové peci a plynulé odlévání se v ocelárně NOVÉ HUTI, a.s. v Ostravě používají 2 druhy žárovzdorných materiálů, a sice dolomitová staviva a korundo-spinelový žárobeton. V rámci řešení výzkumných úkolů [1] a [2] bylo v rámci provozních zkoušek provedeno proměření teplotního pole vyzdívky pánve. Jako příklad je na obr. 4 znázorněn průběh teploty v několika měřicích bodech situovaných v polovině výšky stěny dle obr. 3. Průběh teploty oceli v pánvi je uveden na obr. 5. Složitý systém výroby oceli, jejího mimopecního zpracování a plynulého odlévání vyžaduje moderní automatizovaný systém řízení. V rámci řešení výzkumného úkolu „Modernizace automatizovaného systému řízení ocelárny NOVÉ HUTI, a.s. Ostrava“ byly sestaveny dva dílčí modely začleněné do technologických modelů řízení. Abstract Attainment of optimum steel-teeming temperature and observance its narrow interval in the course of casting are of atmost significance for successful casting of liquid steel. The principal thermal and technical problem faced with the ladle metallurgy and steel casting consists in determination of change in steel temperature within the period from steel tapping up to the final casting in which the enthalpy of steel reveals a decreasing tendency due to the effect of thermal losses. This topic should be dealt with so as to enable prediction of the tapping temperatures for the control system of the steelmaking furnaces and assessment of the 1
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí
temporal variation in temperature at the extra-furnace processing and casting of steel. The principal methods used for solution of the thermal processes in a ladle are the mathematical modelling and experimental research with full-scale facilities. The present-day technological systems of ladle metallurgy and of continuous casting of steel are imposing ever more stringent requirements for the refractory lining of ladles. The technology of extra - furnace treatment run in a ladle furnace and the continuous casting under conditions adopted at the NOVÁ HUŤ, a.s. Ostrava makes use of two sorts of refractories, namely the dolomite bricks and the corundum-spinel refractory concrete. In the course of solution of the research tasks [ 1 ] and [ 2 ] the temperature field of lining has been measured during the operational testing. For example, Fig. 4 shows the course of temperature at five heats scanned in several points situated in half the height of the side wall (Fig. 3). At the same time there is given the course of steel temperature in ladle (Fig. 5). The complex system of steelmaking associated with ladle metallurgy and continuous casting should be combined with an automatized system of control. The technological models are significant part of the control system of any steelworks. In the framework of solution of the research task called „Modernization of the automatized control system of steelworks of the NOVÁ HUŤ, a.s. Ostrava“ two partial models were elaborated and arranged among the technological models of control.
1. ÚVOD Zvýšené namáhání vyzdívek pánví používaných při mimopecní rafinaci a plynulém odlévání oceli je způsobeno použitím vyšších odpichových teplot, prodloužením doby setrvání oceli v pánvi o dobu potřebnou k průběhu metalurgických operací, odběru zkoušek a transportu pánve mezi jednotlivými pracovišti. Při homogenizaci oceli dmýcháním inertního plynu, při chemickém ohřevu oceli a při zpracování v pánvové peci dochází ke zvýšenému koroznímu a eroznímu působení oceli a strusky na vyzdívku pánve. Narůstající požadavky na vyzdívky licích pánví vedou k použití vyšších jakostí žárovzdorných materiálů, které se vyznačují mimo jiné vyššími hodnotami součinitelů tepelné a teplotní vodivosti a tím i zvýšeným odvodem tepla z tekuté oceli do vyzdívky pánve. Ke snížení tepelných ztrát vyzdívkou se nejčastěji používají dva způsoby, jednak dochází ke změně konstrukce vyzdívky použitím tepelně izolačních materiálů a jednak se provádí předehřev před odpichem. Snížení tepelných ztrát tekuté oceli je možno docílit i jinými způsoby, např. zakrytím pánve víkem při transportu a odlévání. Pracovní režim vyzdívky je možno charakterizovat následujícími údaji: - vysokými odpichovými teplotami oceli (1620 až 1670°C), - teplota oceli je po dlouhou dobu udržována ohřevem v pánvové peci na vysokých hodnotách, v průběhu ohřevu narůstá teplota oceli u některých taveb až téměř k 1600 °C, - doba setrvání oceli v pánvi je průměrně 3,5 h, - intervaly mezi odpichy oceli do pánve se pohybují v širokém rozmezí (mezi 6 a 7 h), - příznivé pro omezení tepelných ztrát oceli je nasazení víka na pánev při odlévání na ZPO, doba nasazení víka je asi o 20 až 30 min delší než doba lití, - pro životnost použitých druhů žárovzdorných materiálů je výhodná i vysoká bazicita strusky v pánvi.
2. POUŽITÉ ŽÁROVZDORNÉ MATERIÁLY Požadavky na vlastnosti žárovzdorných materiálů používaných pro vyzdívání ocelářských pánví určených pro náročné podmínky současných technologií mimopecního zpracování oceli v pánvi a lití na ZPO jsou velmi vysoké. V závislosti na konkrétních podmínkách dané ocelárny se v těchto případech používají vysocejakostní žárovzdorné materiály.
2
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí
Pro technologii mimopecního zpracování prováděného v pánvové peci a plynulé odlévání se v ocelárně NOVÉ HUTI používají 2 druhy žárovzdorných materiálů, a sice dolomitová staviva a korundo-spinelový žárobeton. K provozním zkouškám vyzdívek licích pánví, při kterých bylo provedeno detailní sledování tepelných pochodů v pánvi, byly vybrány materiály dvou výrobců, a to dolomitové stavivo firmy DOLOMITE FRANCHI a korundospinelový žárobeton fy. VEITSCH-RADEX. Dolomitové stavivo fy. DOLOMITE FRANCHI Pro vyzdívku stěny i dna 225 t pánve byly použity tvarovky jakosti PENTABRICK T1. Jedná se o temperované, smolou pojené tvarovky určené pro náročné podmínky mimopecního zpracování oceli. Objemová hmotnost staviva je 2870 kg.m-3, pórovitost 6 %, pevnost v tlaku za studena je vyšší než 45 MPa. Korundo-spinelový samotekoucí žárobeton fy. VEITSCH-RADEX Druhý typ pracovní vyzdívky stěny a dna pánve byl zhotoven z materiálu ANKOFLO -V002 dodaného firmou VEITSCH – RADEX. Charakteristické údaje tohoto samotekoucího žárobetonu vyrobeného z korundu a spinelu jsou podle materiálového listu výrobce následující: objemová hmotnost 3060 kg.m-3, dodatečné lineární změny v žáru +0,2 % při teplotě 1500 °C, pevnost v tlaku 50 MPa při teplotě 110 °C a 110 MPa při teplotě 1500 °C. Tepelné pochody ve vyzdívce pánve jsou závislé mimo jiné na tepelných vlastnostech použitých materiálů. Závislosti součinitele tepelné vodivosti a součinitele teplotní vodivosti obou použitých materiálů na teplotě jsou uvedeny na obr. 1 a obr. 2. Ze závislostí je patrno, že hodnoty součinitelů tepelné i teplotní vodivosti se při vyšších teplotách k sobě přibližují, přitom hodnoty obou parametrů jsou vždy vyšší u dolomitového staviva než u korundospinelového žárobetonu.
Obr. 1 Závislost součinitele tepelné vodivosti žárovzdorných materiálů na teplotě
3. KONSTRUKCE DOLOMITOVÉ A KORUNDO - SPINELOVÉ VYZDÍVKY PÁNVE Popis vyzdívek pánví s dolomitovou a korundo-spinelovou pracovní vrstvou je uveden v tabulkách 1 a 2. Schéma konstrukce vyzdívky pánve s dolomitovou pracovní vrstvou je uvedeno na obr. 3. U dolomitové vyzdívky je v dopadové oblasti stěny pracovní vrstva zesílena na 178 mm, t.zn. celková tloušťka vyzdívky stěny je 283 mm. U obou typů vyzdívek jsou stěny izolovány vláknitými deskami o objemové hmotnosti 250 kg.m-3, použity byly materiály Duraboard 1260 fy. Beier Technik nebo Pyronap 50 fy. Frings Werke. Tloušťka izolace však byla u korundo-spinelové vyzdívky větší. Vyzdívka struskového pásma byla u obou pánví zhotovena z magnezitouhlíkatých staviv, a to: LIUB10 (Slovmag) o tloušťce 250
3
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí
mm nebo ANCARBON-SL 32 o tloušťce 220 mm (Veitsch-Radex). Vyzdívka struskového pásma není izolována vláknitou izolací.
Obr. 2 Závislost součinitele teplotní vodivosti žárovzdorných materiálů na teplotě Tabulka 1 Vyzdívka pánve s dolomitovou pracovní vrstvou stěna pánve vrstva
druh materiálu
dno pánve
tloušťka (mm)
druh materiálu
tloušťka (mm)
1.
Pentabrick T1
152
Pentabrick T1
250
2.
Pentamix E
20
Pentamix E
20
3.
šamot SNK1
80
šamot SNK1
70
4.
Duraboard 1260
5
žárobeton ŽO 1200
150
257
celkem
490
celkem
Tabulka 2 Vyzdívka pánve s korundo-spinelovou pracovní vrstvou stěna pánve vrstva
druh materiálu
dno pánve
tloušťka (mm)
druh materiálu
tloušťka (mm)
1.
beton ANKOFLO
220
beton ANKOFLO
250
2.
šamot SNK1
80
šamot SNK1
65
3.
Pyronap 50
10
žárobeton ŽO 1200
180
310
celkem
495
celkem
4
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí
Obr. 3 Schéma konstrukce vyzdívky pánve s dolomitovou pracovní vrstvou a rozmístění měřicích míst ve vyzdívce
4. PROVOZNÍ MĚŘENÍ TEPLOTNÍHO POLE VYZDÍVKY LICÍCH PÁNVÍ
Vzhledem k tomu, že mezi hlavní cíle výzkumných úkolů [ 1 ] a [ 2 ] náleželo stanovení tepelných ztrát tekuté oceli, bylo v rámci provozních zkoušek provedeno proměření teplotního pole ve vybraných pásmech stěny i dna pánve. Schéma rozmístění měřicích rovin a měřicích míst ve vyzdívce pánve s dolomitovou pracovní vrstvou je uvedeno na obr. 3. U pánve s korundo-spinelovou pracovní vrstvou bylo rozmístění měřicích míst obdobné. Měřicí roviny ve vyzdívce stěny byly zvoleny v 1/6, 1/2 a 5/6 výšky hladiny oceli při průměrné hmotnosti oceli v pánvi. Horní rovina (5/6 výšky hladiny) byla ve struskovém pásmu vyzdívky. Pro zápis teplot ve zvolených měřicích místech byla použita měřicí ústředna Grant Squirell 1203, která byla umístěna v chlazeném boxu přímo na pánvi. Tímto uspořádáním bylo umožněno kontinuální měření teplot v průběhu všech technologických operací, kterými pánev prochází. V každé měřicí rovině byly teploty měřeny termočlánky zabudovanými tak, aby výsledky měření popsaly co nejdokonaleji teplotní pole. Jako příklad tepelných pochodů ve vyzdívce je na obr. 4 uveden pro prvých pět taveb po vyzdění pánve průběh teplot ve vybraných měřicích místech pracovní korundo-spinelové
5
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí
vrstvy vyzdívky stěny pánve v měřicí rovině v 1/2 výšky hladiny oceli. Z celého souboru naměřených údajů byly vybrány teploty naměřené ve vzdálenosti 40, 80 a 220 mm od pracovního povrchu.. Na obr. 4 je rovněž uveden průběh teploty oceli v pánvi a teplota povrchu vyzdívky označená t[0], tyto dva parametry však byly vypočteny pomocí matematického modelu.
Obr. 4 Průběh teplot ve vyzdívce stěny pánve Materiál : korundo-spinelový žárobeton ANKOFLO-V002 fy. VEITSCH-RADEX
5. ROZBOR TEPELNÝCH POCHODŮ VE VYZDÍVCE PÁNVE K rozboru provozního měření teplotního pole vyzdívek byl využit matematický model tepelných pochodů v pánvi. Jako vstupní údaje modelu, kromě dalších údajů charakterizujících technologické postupy prováděné v průběhu provozních zkoušek vyzdívek [ 1, 2 ] v době od odpichu do konce odlévání, byly v rámci podmínek jednoznačnosti řešení teplotního pole vyzdívky zadány naměřené průběhy teplot. Z výsledků řešení matematického modelu tepelných pochodů v pánvi byla při ověřování různých typů vyzdívek využita zejména: - časová závislost teploty oceli v pánvi pro zadaný technologický postup mimopecního zpracování a odlévání oceli, - tepelná bilance vyzdívky pánve. V důsledku tepelných ztrát tekuté oceli má teplota oceli v pánvi v době od odpichu do konce lití sestupnou tendenci, ke vzrůstu teploty oceli dochází pouze při ohřevu oceli v pánvové peci. Pro detailní rozbor průběhu teploty v pánvi u taveb č. 1 až 4 je možno použít závislosti na obr.5. Průběh teploty oceli u jednotlivých taveb je ovlivněn průběhem celého technologického pochodu mimopecní rafinace a odlévání. Z průběhu teplot ve vyzdívce pracovní vrstvy stěny pánve (obr. 4) vyplývá, že se vyzdívka postupně prohřívá na vyšší teploty a v době mezi odpichem a koncem lití jednotlivých taveb dochází k nárůstu entalpie vyzdívky.Rozhodující pro tepelné ztráty tekuté oceli způsobené odvodem tepla vyzdívkou je počáteční entalpie vyzdívky, tzn. entalpie při odpichu tavby. Na obr. 6 je uvedena závislost poklesu teploty oceli DTVYZD způsobeného 6
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí
tepelnými ztrátami vyzdívkou pro tavby č. 1 až 4, ze které jednoznačně vyplývá pokles tepelných ztrát vyzdívkou při rostoucí počáteční entalpii vyzdívky. Hodnoty počáteční entalpie vyzdívky jsou uvedeny v legendě k obr.6.
Obr. 5 Průběh teploty oceli v pánvi s korundo-spinelovou pracovní vrstvou u tavby č. 1 až 4
Obr. 6
Závislost poklesu teploty oceli způsobeného tepelnými ztrátami vyzdívkou DTVYZD na čase u pánve s korundo-spinelovou pracovní vrstvou u tavby č. 1 až 4
Počáteční entalpie vyzdívky: 1. tavba
Io = 689 MJ.m-2
2. tavba
Io = 814 MJ.m-2
3. tavba
Io = 888 MJ.m-2
4. tavba
Io = 941 MJ.m-2
7
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí
6. VYUŽITÍ VÝSLEDKŮ SLEDOVÁNÍ TEPELNÉ PRÁCE LICÍ PÁNVE Základním tepelně technickým problémem při mimopecním zpracování oceli a plynulém odlévání je řešení tepelné bilance tekuté oceli a z ní odvozené změny teploty oceli v pánvi v technologickém úseku výroby oceli od odpichu z tavicí pece do konce odlévání. Uvedená problematika byla zpracována způsobem, který jednak umožňoval řešit tepelné ztráty tekuté oceli v pánvi v průběhu různých technologií mimopecního zpracování a odlévání a jednak umožňoval využití výsledků v řídícím systému ocelárny pro predikci odpichových teplot tavicích pecí, stanovení změny entalpie vyzdívky pánve a změny teploty oceli v pánvi při mimopecním zpracování a odlévání. Při řešení této problematiky bylo využito jak provozních experimentů, tak i teoretického řešení pomocí matematických modelů.
LITERATURA [1] [2]
HAŠEK,P. aj.: Provozní zkouška dolomitové vyzdívky licí pánve určené pro tavby zpracované v pánvové peci a odlévané na ZPO. [Výzkumná zpráva] VŠB-TU Ostrava, 1995, 105 s. HAŠEK,P. – MOLÍNEK,J. – VESELÝ,K. – VÁCLAVÍK,L.: Licí pánev s vyzdívkou z korundo-spinelového samotekoucího betonu ANKOFLO-V002 fy VEITSCH – RADEX. [Výzkumná zpráva.] VŠB-TU Ostrava, 1997, 148 s.
8
