METAL 2002
14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí
HODNOCENÍ VÝSLEDKŮ REALIZACE INVESTIČNÍ AKCE VD/VOD VE ŽĎAS, a. s. Ludvík Martínek Pavel Fila Martin Balcar ŽĎAS, a.s., 591 71 Žďár nad Sázavou Abstrakt Přehled základních kvalitativních parametrů elektrooceli dosahovaných při jejím zpracování na zařízení VD/VOD v porovnání garantované - skutečné. Hlubší rozbor je zaměřen především na mikročistotu vakuově zpracované elektrooceli a na vývoj v oblasti použití žáruvzdorných materiálů. 1. Úvod Od 30.9.1999, tj. od ukončení garančních zkoušek zařízení pro vakuové zpracování elektrooceli, uběhla již dostatečně dlouhá doba pro formulaci a hodnocení výsledků realizace investiční akce. Informace o technických a technicko-ekonomických parametrech byly průběžně předkládány vrcholovému vedení akciové společnosti včetně majitelů. Především díky přístupu rozhodujících článků vrcholového vedení bylo možno modernizovat elektroocelárnu a posunout produkci tekutého kovu na kvalitativně vyšší stupeň. Právě technicko - kvalitativní parametry se staly hlavním kritériem výběrového řízení mezi potencionálními dodavateli zařízení. Na druhém místě následovala cena, dále pak výrobnost zařízení a další neméně důležitá hlediska. Posuzování jednotlivých nabídek proběhlo i na úrovni externích specialistů, mimo jiné uvádíme např. VŠB-TU Ostrava, Metalconzult Praha. Protože projekt výstavby sekundární metalurgie byl realizován u relativně malého výrobce elektrooceli ( hmotnost tavby 12 až 20 tun ), byl kladen důraz také na další faktory limitující optimální chod zařízení. Jednalo se především o tepelné ztráty v průběhu zpracování, čas rafinace, struskový režim a stupeň přehřátí oceli před vlastním zpracováním. V následujících bodech budou zhodnoceny některé základní parametry tak, aby bylo možno formulovat ucelený obraz výsledků realizace investiční akce VD/VOD ve ŽĎAS, a.s.. 2. Základní technicko-technologické parametry Celá řada údajů týkajících se garantovaných a skutečně dosahovaných parametrů zařízení VD/VOD byla již publikována [1], [2]. Především pak v literatuře [3] je v základních rysech prezentován velmi široký obraz, který umožňuje vytvořit si představu o úspěšnosti realizace investiční akce. I proto, že část údajů je již odborné veřejnosti známa, pokusíme se o jiný úhel pohledu, který bude obsahovat hlubší rozbor některých hodnotících kritérií. Výrobce zařízení VD/VOD firma Mannesmann Demag AG garantoval, ve vzájemně potvrzeném kontraktu, celou řadu parametrů a dílčích kroků. Technické údaje zařízení není nutné podrobněji rozvádět. Je možné pouze konstatovat, že vše bylo realizováno tak, jak určoval kontrakt a současně tak, jak bylo vedením elektroocelárny uvedeno ve FeasibilityStudy. Výrobce zařízení si uvědomoval riziko, které plynulo z poměrně malých hmotností oceli v rafinačních pánvích (především u technologické varianty VD). Přesto dokázal našim požadavkům s ohledem na své zkušenosti vyhovět. [4]
1
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí
Z pohledu technologických možností zařízení VD/VOD bude proveden hlubší rozbor některých základních faktorů: Ø Ø Ø Ø Ø
mikročistota oceli spotřeba žáruvzdorných materiálů energetická náročnost obsah plynů (H2) obsah síry
2.1. Technologické parametry Tabulka č.1 uvádí obsahy vodíku, kyslíku, dusíku, síry a stupeň mikročistoty. Záměrně je neoznačujeme jako garantované. Řekněme, že se jednalo o „vstupní“ parametry, které bylo nutno dále upřesňovat. Jsou zde zahrnuty oceli uhlíkaté, nízko, středně i vysoce legované, včetně ocelí speciálních. Tabulka č.2 u stejných značek ocelí, uvádí hodnoty vodíku, kyslíku, dusíku, síry a stupeň mikročistoty odlišně. Ani tyto parametry neoznačujeme jako garantované. Existuje ještě další tabulka, podstatně složitější (rozsáhlejší) zahrnující celou řadu vzájemných vlivů, jako např. „stáří“ pracovní vyzdívky rafinační pánve atp. Obě tabulky uvádíme pouze jako informativní. Je z nich patrná vzájemná diference údajů u jednotlivých značek ocelí a nepřímo i složitost technických jednání, týkajících se garantovaných parametrů. 2.2. Stupeň mikročistoty Pro vyhodnocení mikročistoty ocelí vyrobených na zařízení VD/VOD byla kontraktem potvrzena norma DIN 50602, metoda K. Vměstky, které jsou podle této normy posuzovány, jsou pro ocel typické nekovové částice sulfidického nebo oxidického složení. Oxidy jsou produkty desoxidace, dále pocházejí ze styku taveniny s pracovní vyzdívkou rafinační pánve, žáruvzdorným materiálem licí sestavy a v neposlední řadě jsou oxidy rovněž produkty sekundární oxidace licího proudu. Druh, velikost, tvar a množství nekovových vměstků ve výkovku závisí na typu oceli, technologickém postupu výroby oceli, způsobu desoxidace a odlévání, na rozměrech ingotu a na stupni přetváření (prokování). Uvedená metoda K dle DIN 50602 využívá pro vyhodnocení plošného obsahu nekovových vměstků etalonový řád. Výsledkem jsou hodnoty zvlášť pro sulfidické (S) a oxidické (O) vměstky. Pro hodnocení mikročistoty byly, po dohodě s dodavatelem zařízení, zvoleny tři nezávislé, aprobované laboratoře: VUT Brno, Železárny Hrádek u Rokycan a Nová Huť Ostrava. Souběžně se provádělo vyhodnocování i v laboratoři ŽĎAS, a.s. 2.2.1. Vyhodnocení mikročistoty Statistické charakteristiky souborů mikročistoty ocelí dle DIN 50602 ve stupnici K4 před a po zavedení vakuového zpracování uvádí tabulka č.3 a tabulka č.4. Tyto údaje byly zpracovány na VUT Brno v rámci vývojové zprávy [5]. Tak, jak je uvedeno v bodě 2.1. byla problematika garancí mikročistoty dodavatelem zařízení otázkou zřejmě složitější. Přes zdlouhavá, oboustranně opatrná jednání, byla zvolena cesta kompromisu. ŽĎAS,a.s. netrval na hodnocení K1 podle normy DIN 50602, souhlasil s hodnocením K4, ale v hodnotách daleko přísnějších než je uvedeno v tabulce č.1. Pro soubor 54 hodnocených garančních taveb, s přihlédnutím na značku oceli, byla povolena maximální úroveň znečištění oceli, hodnocena metodou K4 max. 20. U všech sledovaných taveb, bez ohledu na předepsané chemické složení oceli, bylo požadovaných čistot K4 dosaženo. To je rovněž patrné z tabulky č.3. 2
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí
Velký počet faktorů, podílejících se na úrovni mikročistoty oceli, můžeme z provozního hlediska shrnout do následujících doporučení: Ø Pečlivá práce se struskami od EOP, přes LF až po VD/VOD. Struskový režim hodnotíme jako nejdůležitější faktor procesů sekundární metalurgie. Ø Důsledná desoxidace, včetně hlubokého odsíření a používání CaSi profilu. Ø Vhodný žáruvzdorný materiál rafinační pánve, především z pohledu chemického složení a opotřebení pracovní části vyzdívky. Ø Práce s technickými plyny. Na EOP je používán dusík nebo argon. Na zařízení sekundární metalurgie pak zpravidla pouze Ar. Důležité je dodržení předepsaného způsoby dmýchání v jednotlivých fázích tavby, ať již za účelem homogenizace (teplotní, chemická), závěrečného čištění oceli (čeření), atd. Ø Zvládnutí teplotního režimu tavby ve vazbě na teploty odlévání. Důležitým faktorem je i vhodná tepelná izolace pánví. Ø Čas vakuového zpracování taveniny. Především u malých hmotností taveb je rychlost náběhu do hlubokého vakua (cca 0,3 torr) rozhodujícím faktorem. 2.3. Spotřeba žáruvzdorných materiálů Tak, jak bylo uvedeno v předcházejících kapitolách, pracovní vyzdívka rafinační pánve má velký vliv na výslednou kvalitu vakuově zpracovávané elektrooceli. Také proto si dodavatel zařízení VD/VOD stanovil pro garanční tavby výrobce žáruvzdorných staviv, včetně přesné specifikace tvarů a kvalit na jednotlivé zóny pánve. 2.3.1. Vývoj a zhodnocení použité keramiky Garanční tavby byly zahájeny na pánvích s kompletní vyzdívkou od firmy RHI. Dno a část stěn pánve, přicházející do styku s ocelí, tvořilo chrom-magnezitové stavivo RADEXH62. Argonovací kameny, keramika šoupátek, včetně usazovacích bloků byly rovněž od společnosti RHI. Na poměrně širokou struskovou zónu (pro tavby od 12 do 20 tun) byly použity SU bloky typu RADEX DB 605 MK 6/8, RADEX DB 65 MK 6/40 a dále chrommagnezitový materiál. Široký sortiment vyráběných značek ocelí, a v neposlední řadě třísměnný provoz elektroocelárny, nás donutil k hledání vhodnějších žáruvzdorných staviv. Pokračovala spolupráce s RHI, proběhly ověřovací zkoušky uhlíko-magnezitových žáruvzdorných materiálů pod obchodním označením ANCARBON – LF 12P. Přesto, že se dosáhlo vyšší „životnosti“ pracovní vyzdívky pánví, bylo rozhodnuto pokračovat v optimalizačních krocích. Další pánve (dno i stěny) byly osazeny dolomitickými stavivy od firmy DOLOMITE FRANCHI typu SU 27. Argonovací kameny, keramika šoupátek i usazovací kameny zůstaly nadále typu RADEX. Na přelomu roku 2000 – 2001 došlo k zásadní změně v našem pohledu na keramiku rafinačních pánví a následně k provozním zkouškám litých žáruvzdorných betonů. Po výběrovém řízení se přistoupilo k ověřování samotekoucího betonu SF-85 od společnosti INTOCAST Košice. Proběhlo nalití dna pánve a poté na šablonu, pracovní části stěn do výšky 850 mm. Současně došlo k odstranění usazovacích bloků pro argonovací kámen a výlevku šoupátkového systému. Strusková zóna zůstala z materiálu PENTABRICK HR 27 od společnosti DOLOMITE FRANCHI. S přihlédnutím k rozdílným hodnotám roztažnosti samotekoucích betonů a dolomitických staviv jsou jako rozhraní mezi těmito materiály použity chrom-magnezitové cihly LIW/BX10 od firmy LOVINIT Lovinobaňa. Původní obavy z negativního vlivu samotekoucího betonu na mikročistotu oceli se nepotvrdily. Počátkem letošního roku bylo proto přistoupeno k běžnému provoznímu používání tohoto způsobu přípravy pracovní části rafinační pánve. 3
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí
Současně pokračujeme v dalších krocích, které směřují k ověřování žáruvzdorných betonů druhé a třetí generace. Předpokládáme, že v podzimních měsících bude zahájena provozní zkouška nových druhů žáruvzdorných betonů od společnosti RHI. V dnešní pozici již nehodnotíme pouze vliv druhu jakosti žáruvzdorného materiálu na mikročistotu oceli, ale do popředí vstupuje také otázka permanentního snižování nákladů. Tak, jak je uvedeno v literatuře [3], klesla spotřeba žáruvzdorného materiálu rafinačních pánví, vyjádřená v kg/tunu oceli, v roce 2001 oproti předcházejícímu roku přibližně o 20 %. 2.4. Energetická náročnost Za hlavní položky této oblasti je možno považovat: Ø páru, Ø chladící vodu, Ø elektrickou energii. Také ostatní energie, především technické plyny jako jsou argon, dusík a kyslík, byly také v určitých hodnotách garantovány dodavatelem zařízení, ale jejich vliv na růst nákladů při zavedení VD/VOD je hodnocen jiným způsobem. V jisté míře se technické plyny používaly již na EOP nebo LF. U kyslíku je např. nutno navíc zvažovat i využití Cr při VOD procesu ve srovnání s technologií výroby vysoko legovaných Cr ocelí pouze na EOP. 2.4.1. Pára Šestistupňové paroproudé vývěvy umožňují dosažení hlubokého vakua na úrovni 0,3 torr za cca 4 minuty od zahájení vakuového zpracování. Zatímco v průběhu garančních zkoušek dosahovala spotřeba páry 1,26 GJ/t oceli, dochází v loňském roce ke stabilizaci na hodnotách 0,73 GJ/t oceli. Vlastní výroba páry probíhá v plynových kotlích, odkud při teplotě 450oC a tlaku 3,8 MPa probíhá redukce na teplotu 250oC a tlak 1,5 MPa. Hodnoty spotřeb v GJ na tunu oceli jsou dosahovány přepočtem údajů z průtokoměru (2 až 6 tun páry) a entalpie páry. Před realizací projektu VD/VOD byla posuzována i možnost instalace mechanických vývěv. Vyšší riziko poruchovosti z pohledu složitosti zařízení a nižší dosahované úrovně vakua, vedly k zamítnutí této varianty. 2.4.2. Chladící voda Zařízení VD/VOD je vybaveno jedním uzavřeným okruhem chladící vody, včetně kondenzačních věží (3x) a odkalovacími nádržemi pro chladící vodu, která přichází do kontaktu se zplodinami reakcí probíhajících v oceli. Druhý okruh chlazení zahrnuje kyslíkové kopí, žárový štít a víko pánve a je napojen na řád totožný s EOP a LF. Díky kondenzačním věžím a hadicovým filtrům je převážná část pevných látek zachycena ještě před odkalovacími nádržemi. Spotřeba chladící vody klesá z původních 8,18 m3/t na hodnoty 5,50 m3/t v loňském roce. 2.4.3. Elektrická energie Zde je zahrnuta manipulační energie včetně všech podpůrných systémů, čerpadel, osvětlení atd. Hodnoty spotřeb mají setrvalou úroveň a pohybují se na úrovni 11 – 12 kWh/t oceli. Obecně, pro všechny nosné druhy energií, je možné konstatovat, že garantované hodnoty jsou splněny a v korunovém vyjádření jsou v pořadí: Ø pára < 100,- Kč/t oceli, Ø chladící voda < 40,- Kč/t oceli, Ø elektrická energie < 25,- Kč/t oceli. 4
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí
2.5. Vodík v oceli Z tabulek č.1 a č.2 jsou patrné „garantované“ hodnoty a v tabulce č.4, která byla také součástí vývojové zprávy [5], jsou údaje z garančních taveb. Přestože vzájemné porovnání obsahu vodíku stanoveného přístrojem LECO a sondou HYDRIS bylo již publikováno, uvádíme je znovu na obrázku č.1, protože roste počet zákazníků, kteří měření obsahu vodíku v tavenině vyžadují. Obrázek č.1: Porovnání obsahu vodíku stanoveného přístrojem LECO a sondou HYDRIS
Při obsazích vodíku nižších než 4 ppm je možné očekávat, při souběžném měření, vyšší hodnoty naměřené sondou HYDRIS než analyzátorem LECO, při vyšším obsahu vodíku lze předpokládat vyšší hodnoty při měření na analyzátoru LECO. Podle uvedené regresní analýzy mohou být výsledky měření za použití obou metod při nízkých obsazích 2 ppm a vysokých 7 ppm nesrovnatelné. Průměrné obsahy vodíku za loňský rok dosahují hodnot pod 1,3 ppm. Znovu zde musíme zdůraznit, že důležitým faktorem pro úspěšné snižování obsahu vodíku ve vakuované oceli, je kromě vstupních hodnot, úrovně vakua a intenzity dmýchání argonu, práce se struskou. Opět jsme nuceni konstatovat, že struskový režim je alfou a omegou vakuového zpracování elektrooceli. Výstupní hodnoty obsahu vodíku, garantované dodavatelem zařízení, jsou naprosto běžně dosahovány. 2.6. Síra Dosahovaný obsah síry po zpracování elektrooceli technologií VD na úrovni 0,001 % (cca 50 % ze všech zpracovaných taveb v loňském roce) svědčí o splnění garantovaných hodnot [3]. Pro doplnění snad pouze následující: Ø spektrální analyzátor ARL 3460 byl instalován v laboratořích ŽĎAS, a.s. v roce 1999, Ø LECO CS 255 v roce 1996. Znovu, jako již mnohokrát, i zde musíme zdůraznit důležitost struskového režimu od EOP přes LF až po VD. Velmi nízké obsahy síry u vakuově zpracované oceli nás vedou, ve vazbě na třískové obrábění, k opačným úvahám. Při zachování úrovně mikročistoty, zvážit zpětné „legování“ síry na „přijatelnou mez„ s cílem snížení nákladů při obrábění (lámavost třísky a řeznou rychlost). První ověřovací zkoušky již probíhají a za hlavní faktory ovlivňující mikročistotu vakuované oceli „legované“ sírou je možno označit: Ø jakým druhem síry je „legování“ prováděno, Ø ve které fázi vakuovaného zpracování se realizuje „nasíření“ lázně. 5
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí
3. Závěr Přestože oblast černé metalurgie není v současné době na špičce zájmu investorů, lze na příkladu realizace VD/VOD v elektroocelárně ŽĎAS, a.s. konstatovat nejen reálnou možnost, ale také úspěšnost vložení investic. Pořizovací náklady, které dle stávající technické úrovně zařízení v jednotlivých ocelárnách překračují 100 mil. Kč, mají návratnost do 5 let. Několik podmínek takovéto investice však musí být splněno. Jedná se především o: Ø Ø Ø Ø
zodpovědné zpracování feasibility study, existenci rozvoje společnosti, podporu vrcholového vedení a majitelů, týmovou práci.
Všechny parametry zařízení VD/VOD, dané vzájemně potvrzeným kontraktem, byly splněny. Přestože mnohá jednání s dodavatelem zařízení i know-how byla poměrně složitá, výsledek potvrdil naše předpoklady. Práce byla řešena v rámci grantu č. 106/01/0365 za finanční podpory GA ČR. Literatura: [1] Martínek, L. – Fila, P. – Balcar, M.: První zkušenosti s integrovaným pracovištěm sekundární metalurgie LF-VD/VOD ve ŽĎAS, a.s. X. International scientific conference iron and steelmaking 18.až 20. 10. 2000, SZCYRK, Orle Gniazdo, Polsko [2] Martínek, L.: Uplatnění sekundární technologie v podmínkách malého producenta tekutého kovu 3. Národní konference 29. až 31. 5. 2001, Žďár nad Sázavou [3] Martínek, L. – Fila, P. – Kopecký, L. – Balcar, M.: Hodnocení výsledků realizace investiční akce VD/VOD ve ŽĎAS, a.s. Teorie a praxe výroby a zpracování oceli 9. až 10. 4. 2002, Rožnov pod Radhoštěm [4] Martínek, L. – Fila, P. – Balcar, M.: Současný stav a perspektivy rozvoje výroby elektrooceli ve ŽĎAS, a.s. Hutnické listy, 2001, č. 10, str. 9-12 [5] Šenberger, J. – Stránský, K. – Doležal, P.: Posouzení dodaných vzorků z ocelí zpracovaných na VD/VOD, Vývojová zpráva, leden 2000, VUT Brno
6
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí
Tabulka č.1: "Garantované" technologické parametry I.
7
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí
Tabulka č.2: "Garantované" technologické parametry II.
Tabulka č.3: Statistické charakteristiky souborů čistot K4 před a po zavedení pochodu VD hodnocené ve vybraných laboratořích.
8
METAL 2002
14. – 16. 5. 2002, Hradec nad Moravicí
Tabulka č.4: Dosažené hodnoty mikročistoty garančních taveb
9
