PROVOZNÍ VÝZKUM PÁNVE V NOVÝCH TECHNOLOGICKÝCH PODMÍNKÁCH OCELÁRNY FULL-SCALE RESEARCH OF LADLE IN NEW TECHNOLOGICAL CONDITIONS OF STEELWORK

Transkript

1 PROVOZNÍ VÝZKUM PÁNVE V NOVÝCH TECHNOLOGICKÝCH PODMÍNKÁCH OCELÁRNY FULL-SCALE RESEARCH OF LADLE IN NEW TECHNOLOGICAL CONDITIONS OF STEELWORK Pavel Hašek a Petr Tvardek b Jirí Molínek a Leoš Václavík a Dalibor Jancar a a FMMI VŠB-TU Ostrava, 7. listopadu 5, Ostrava, CR, b ISPAT NOVÁ HUT. a.s., Vratimovská 689, Ostrava, CR, ptvardek@novahut.cz Abstrakt Soucasné technologie pánvové metalurgie a plynulého odlévání oceli kladou vysoké nároky na žárovzdorné vyzdívky licích pánví. Pro soucasné technologické podmínky ocelárny ISPAT NOVÁ HUT, a. s. v Ostrave, byla provedena provozní zkouška licí pánve s novým typem pásmové vyzdívky z dolomitového a magnezitouhlíkového staviva. Soucasné technologické podmínky ocelárny jsou charakterizovány predevším provozem trí zarízení pro plynulé odlévání oceli, vcetne pánvových pecí, a použitím nových zarízení k predehrevu vyzdívek pánví. V príspevku jsou uvedeny výsledky provozního merení zmen teplotního pole vyzdívky a výsledky sledování tepelné práce pánve v technologickém toku: tandemová pec pánvová pec plynulé odlévání vcetne predehrevu vyzdívky pánve po ukoncení odlévání. Abstract The present-day technological systems of ladle metallurgy and of continuous casting of steel are imposing ever more stringent reguirements for the refractory lining of ladles. Plant measurements were done for the ladle with new type of the zone lining from dolomite and MgO-C bricks in present technological conditions of ISPAT NOVÁ HUT steelwork. The present-day technological conditions of steelwork are mainly characterized by three continuous casting machines and three ladle furnaces operation, and by using of new ladle preheating stations. The paper presents the results of the plant measurements of the thermal field changes in the ladle lining and the results of monitoring of the thermal processes in a ladle throughout the technological flow: tandem furnace ladle furnace continuous casting and during preheating of the ladle lining after steel casting. ÚVOD Mezi základní cásti automatizovaného systému rízení ocelárny ISPAT NOVÁ HUT, a.s. v Ostrave náleží technologické modely. Do rámce techto technologických modelu jsou zacleneny i dva submodely, jejichž algoritmy byly vypracovány na katedre tepelné techniky ústavu prumyslové keramiky Fakulty metalurgie a materiálového inženýrství Vysoké školy bánské Technické univerzity Ostrava. Jedná se o následující submodely: ) model tepelného stavu vyzdívky licí pánve, který reší zmeny entalpie vyzdívky v celém pracovním cyklu licí pánve, 2) model zmeny teploty oceli v licí pánvi ve výrobním úseku odpich tavby zpracování oceli v pánvové peci odlévání na ZPO.

2 Tento príspevek využívá výsledku rešení výzkumného úkolu Optimalizace tepelné práce licí pánve v nových technologických podmínkách ocelárny, který byl rešen na VŠB TU Ostrava. Úkol byl soucástí rešení grantového projektu programu KONSORCIUM Výzkum, vývoj a aplikace nových technologií v oblasti tekuté fáze ocelárského prumyslu, evidencní císlo projektu FD K/035 z r []. Výsledky rešení tohoto úkolu jsou rovnež zahrnuty v záverecné zpráve Specifikace výpocetních konstant pro obeh pánví urcených pro ZPO2 a ZPO3?6?. Hlavním cílem rešení bylo experimentální sledování licí pánve v provozních podmínkách ocelárny a stanovení konstant pro oba uvedené submodely. Výzkumný úkol navazoval na predcházející výzkumné úkoly rešené na VŠB TU Ostrava, v rámci kterých byly provedeny provozní zkoušky nových typu vyzdívek licích pánví:?? dolomitová vyzdívka zhotovená z tvarových staviv jakosti PENTABRICK T vyrobených firmou DOLOMITE FRANCHI, S.p.A. Brescia [2],?? vyzdívka zkorundo spinelového samotekoucího žárobetonu jakosti ANKOFLO V002, zhotovená firmou VEITSCH RADEX [3]. Nekteré poznatky z techto úkolu byly uvedeny ve sborníku konference Hutní keramika z r. 999 [4, 5]. 2 NOVÉ TECHNOLOGICKÉ PODMÍNKY OCELÁRNY Soucasné provozní podmínky ocelárny je možno ve srovnání s podmínkami, ve kterých byly rešeny výzkumné úkoly [2] a [3], charakterizovat takto:?? v provozu jsou 3 zarízení pro kontinuální odlévání oceli, ingotové lití se již nepoužívá,?? sekundární metalurgické zpracování a príprava oceli pro odlévání se provádí v pánvových pecích, které jsou soucástí každého provozu kontinuálního odlévání oceli,?? specifikou jednoho ze zarízení pro plynulé odlévání oceli je jeho umístení v novém provoze mimo komplex ocelárny a nutnost transportu pánve na prevážecím voze,?? jsou používána nová zarízení pro ohrev licích pánví. Pro uvedené podmínky se používají licí pánve s novou konstrukcí vyzdívky. 3 VYZDÍVKA LICÍ PÁNVE K provoznímu experimentu byla použita 230 tunová licí pánev s vyzdívkou navrženou pro nové technologické podmínky ocelárny. Vyzdívka pánve je pásmová s pracovní vrstvou z dolomitových staviv a magnezitohlíkového staviva ve struskové zóne. Vyzdívka je zesílena v oblasti dopadu proudu oceli po odpichu. V oblasti nad argonovací dmyšnou je v horní cásti steny vložena zóna z magnezitouhlíkového staviva. Stena pánve je po celé výšce izolována deskami z keramických vláken. Konstrukce jednotlivých pásem vyzdívky je následující:?? vyzdívka dna. kríž žárobeton ŽO parket šamotové normálky C30 SP35 3. podsyp dolomitová zásypová hmota 4. puda dolomitové tvarovky SINDOFORM T, tvar 5P0?? vyzdívka steny. vláknitá izolace ASFILBOARD 20 ZK 2. šamotové tvarovky 6 N K 3. dolomitová dusací hmota PENTARAM 4. dolomitové tvarovky PENTABRICK T, tvar SU660 2

3 ?? dopadová oblast steny - dolomitové tvarovky PENTABRICK HR27, tvar SU960?? struskové pásmo MgO-C tvarovky KOMEX 96 MGP-2T, klíny 25/30 a 25/8?? zesílení vyzdívky steny v oblasti nad argonovací dmyšnou je zhotoveno z magnezitouhlíkového staviva LOVINIT LIUB0, tvar SU EXPERIMENTÁLNÍ SLEDOVÁNÍ TEPLOTNÍHO POLE VYZDÍVKY Ke stanovení údaju potrebných k urcení zmen entalpie vyzdívky pánve a tepelných ztrát vyzdívkou pánve byl v ocelárne proveden provozní experiment. Základní cástí experimentu bylo sledování zmen teplotního pole vyzdívky v prubehu všech technologických operací, kterými pánev pri svém pracovním cyklu prochází. Požadavkem bylo zachytit pokud možno všechny situace, ke kterým muže pri provozu dojít. V prubehu experimentu byly nekteré situace simulovány, napríklad dlouhé chladnutí vyzdívky pod uzavreným víkem zarízení pro ohrev pánví. 4. Rozmístení mericích míst pri sledování zmen teplotního pole vyzdívky Rozmístení mericích míst ve vyzdívce bylo podrízeno požadavku získání co nejúplnejších údaju charakterizujících teplotní pole vyzdívky v prubehu celého provozního cyklu pánve. Vzhledem k tomu, že teplotní pole vyzdívky je rozhodujícím zpusobem ovlivneno tepelnými pochody v pracovním prostoru pánve, bylo nutno nejvetší množství mericích míst umístit v blízkosti pracovního povrchu vyzdívky. Teplotní pole vyzdívky bylo sledováno ve 4 mericích rovinách, jejichž rozmístení je uvedeno na obr t 3.5 Rovina lll MgO - C 6 3 DOLOMIT 2.5 Rovina ll 5 2 Výška (m).5 Rovina l Polomer (m) Obr. : Schéma rozmístení mericích rovin v pánvi. Mericí místa na povrchu vyzdívky. Figure : Schema of measuring levels layout in the ladle. Measuring points on the lining surface. 3

4 Schéma je nakresleno v souradnicích polomer a výška merená od pracovního povrchu dna. Mericí roviny oznacené I až III byly umísteny ve vyzdívce steny pánve, další mericí rovina byla ve vyzdívce dna. Mericí místa oznacená na obr. císly až 6 byla umístena na povrchu vyzdívky a v nich namerené teploty byly využity k hodnocení rovnomernosti ohrevu. 4.2 Mericí technika Cidla pro merení teploty vyzdívky byla zhotovena z termoclánku typu B a pláštových termoclánku typu K. Pro záznam výsledku merení byly použity pametové systémy GRANT Squirrel. Mericí ústredny byly uloženy v chlazeném tepelne izolacním boxu upevneném na povrchu ocelového plášte pánve. Toto usporádání umožnilo kontinuální záznam teplot vyzdívky v prubehu všech technologických operací, kterými pánev prochází, vcetne transportu pánve. Tabulka Table Charakteristické údaje o sledovaných tavbách Characteristic data about measured heats parametr rozmer MIN AVG MAX h 3,50 4,40 h 5,97,27 min min l. min kwh. t - 27,2 40, min ,40 0,49 8,34 6, Doba setrvání oceli v pánvi Interval mezi odpichy do pánve Doba zpracování oceli v pánvové peci (LF) Doba lití z pánve na ZPO Objemový prutok Ar v pánvové peci Spotreba elektrické energie pri ohrevu v LF Celková doba ohrevu oceli v LF Bazicita strusky v pánvi po odpichu Bazicita strusky po zpracování v LF Teplota oceli v peci pred odpichem Teplota oceli v pánvi po odpichu Teplota oceli pred zpracováním v LF Maximální teplota oceli po ohrevu v LF Teplota oceli po zpracování v LF Zvýšení teploty oceli pri ohrevu v LF Prumerná teplota oceli v mezipánvi Entalpie m 2 vyzdívky pánve v rovine II:?? zacátek ohrevu vyzdívky?? konec ohrevu vyzdívky?? pri odpichu tavby?? konec ohrevu oceli v pánvové peci?? v polovine doby lití 2,48 3, ,2,4, tavba: Charakteristické údaje o sledovaných tavbách Údaje potrebné pro charakteristiku pracovních podmínek vyzdívky pánve jsou sestaveny v tabulce. Provozní experiment byl proveden u 5 taveb. Pri porovnání údaju o sledovaných tavbách s údaji predcházejícího provozního experimentu s žárobetonovou vyzdívkou pánve [3] došlo v nových technologických podmínkách ocelárny zejména k temto zmenám:?? prumerná doba setrvání oceli v pánvi zustala približne stejná (3,5 h), avšak rozšírilo se rozmezí této doby. Pri odlévání na ZPO c. 2 byla doba setrvání oceli v pánvi až 4,4 h. 4

5 ?? interval mezi odpichy do pánve se snížil, tzn. že dochází k rychlejšímu cyklování pánve,?? odpichové teploty oceli jsou nižší,?? doba ohrevu oceli v pánvové peci zustala stejná, bylo však použito vyššího príkonu a tím byl vyšší i nárust teploty. 4.4 Výsledky merení teplotního pole vyzdívky pánve Jako príklad výsledku merení teplotního pole vyzdívky jsou na obrázcích 2 a 3 uvedeny prubehy teplot namerených v 6 mericích místech v mericí rovine II steny pánve, a to pro prvých 7 taveb po vyzdení pánve. Tavby byly odlévány na ZPO c. 2. Jednotlivé teploty jsou oznaceny vzdáleností mericího místa od povrchu vyzdívky, napr. ts[20] teplota steny ve vzdálenosti 20 mm od povrchu. Merící místo 5 bylo umísteno ve vzdálenosti 52 mm od povrchu, tzn. na styku dolomitové tvarovky a výdusky. Mericí místo 6 bylo ve vzdálenosti 254 mm od povrchu vyzdívky na styku šamotových tvarovek a izolacní desky. Soucasne je v grafech na obr. 2 a 3 uveden vypoctený prubeh entalpie vyzdívky steny pánve v rovine II. Entalpie je vztažena na objem vyzdívky, který má na pracovní strane vyzdívky povrch m 2. Entalpie vyzdívky I 0 v dobe odpichu tavby do pánve jsou zvýrazneny bodem. Svislými carami jsou vyznaceny casy odpichu taveb (oznacené císlem tavby) a casy konce lití oceli z pánve do mezipánve. Prubehy teplot namerených ve vyzdívce pánve prokazují složitost její tepelné práce pri dané technologii sekundárního zpracování a kontinuálního odlévání oceli a z toho vyplývající vysoké tepelné namáhání žárovzdorných materiálu. Po odpichu tavby dochází v dusledku intenzivního prenosu tepla z tekuté oceli k prakticky skokové zmene teploty povrchu vyzdívky a k rychlému prohrevu vyzdívky ve smeru od pracovního povrchu k ocelovému plášti pánve. S rostoucí vzdáleností od povrchu narustá v pracovním cyklu pánve casové zpoždení a snižují se amplitudy teplotních krivek. Tepelné pochody v tekuté oceli závisí na technologických operacích provádených v pánvi. Z prubehu teplotních krivek na obr. 2 a 3 je patrný napr. vliv ohrevu oceli v pánvové peci, podle tabulky se teplota oceli pri ohrevu zvyšovala až o 45. Soucasne se zvyšováním teplot ve vyzdívce po odpichu vzrustá i entalpie vyzdívky. K nárustu entalpie dochází v dusledku tepelných ztrát tekuté oceli. Na velikost tepelných ztrát vyzdívkou v dobe od odpichu do konce lití má významný vliv pocátecní tepelný stav vyzdívky, který je charakterizován entalpií vyzdívky I 0. S rostoucí hodnotou pocátecní entalpie I 0 dochází ke snižování tepelných ztrát tekuté oceli odvodem tepla vyzdívkou a ke snižování rychlosti ochlazování oceli v pánvi. Doby setrvání oceli v pánvi od odpichu do konce lití byly u sledovaných 7 taveb velmi dlouhé, pohybovaly se v rozmezí 3,3 až 4,4 h a entalpie vyzdívky dosahovaly vysokých hodnot. S výjimkou. tavby byly u následujících 6 taveb entalpie na konci lití nad hodnotou 700. m -2 (702 až 73. m -2 ). U. tavby dosáhla entalpie na konci lití z duvodu nízké odpichové entalpie (I 0 = 467. m -2 ) hodnoty pouze 675. m -2. Po ukoncení lití na ZPO dochází v dusledku tepelných ztrát do okolního prostredí k poklesu teploty vyzdívky a snižování její entalpie. V závislosti na daných provozních a technologických podmínkách se doby od konce lití do odpichu následující tavby pohybovaly v rozmezí,2 až 2,9 h a entalpie vyzdívky v dobe odpichu neklesla pod hodnotu asi 550. m -2 (rozmezí 549 až 599. m -2 ). Nevýhodný stav nastal u 5. tavby, kdy po 6,9 h od konce lití do odpichu 5. tavby klesla entalpie z 76. m -2 na 525. m -2. 5

6 Císlo tavby : Teplota () Entalpie (.m-2) ts[20] 2 ts[40] 3 ts[60] 4 ts[80] 5 ts[52] 6 ts[254] 7 Entalpie Entalpie Io Cas od odpichu. tavby (h) Obr. 2: Prubeh teplot a entalpie vyzdívky steny pánve. Casový úsek:. až 4. tavba. Figure 2: Temperature and enthalpy of ladle wall lining in the course of time. Time period: from the. heat to the 4. heat. Císlo tavby : Teplota () Entalpie (.m-2) ts[20] 2 ts[40] 3 ts[60] 4 ts[80] 5 ts[52] 6 ts[254] 7 Entalpie Entalpie Io Cas od odpichu. tavby (h) Obr. 3: Prubeh teplot a entalpie vyzdívky steny pánve. Casový úsek: 5. až 8. tavba. Figure 3: Temperature and enthalpy of ladle wall lining in the course of time. Time period: from the 5. heat to the 7. heat. 6

7 Pro využití tepla akumulovaného ve vyzdívce pánve v dobe od odpichu do konce lití a udržení vysoké entalpie vyzdívky až do odpichu následující tavby je z prubehu teplot uvedených na obr. 2 a 3 patrný významný vliv zakrytí pánve víkem pred následujícím odpichem. V uvedených prípadech, tzn. u všech 7 taveb, byl proveden ohrev vyzdívky pred odpichem na teplotu asi 000, doba ohrevu pred jednotlivými tavbami však byla znacne rozdílná. Výsledky merení soucasne potvrdily nutnost optimalizace ohrevu vyzdívek pánví s ohledem na požadavek snižování tepelných ztrát tekuté oceli. 5 ZÁVER Významné zmeny struktury provozu a technologie sekundárního zpracování a odlévání oceli v ocelárne, vcetne využívání nových zarízení, si vynutily jednak zmenu vyzdívek licích pánví a jednak inovaci dílcích technologických modelu automatizovaného systému rízení ocelárny. Algoritmy techto submodelu vcetne odvození konstant byly vypracovány na katedre tepelné techniky ústavu prumyslové keramiky FMMI VŠB TU Ostrava. Submodely ASR ocelárny jsou využívány pro stanovení aktuálního tepelného stavu vyzdívky pánve a jeho predikci a k urcení zmeny teploty oceli v pánvi zpusobené tepelnými ztrátami, mezi nimiž mají podstatný vliv tepelné ztráty vyzdívkou. Ke stanovení parametru pro optimalizaci tepelné práce licí pánve, úpravu submodelu ASR a odvození souboru konstant pro nové technologické podmínky ocelárny byl proveden rozsáhlý provozní experiment s licí pánví. Základem experimentu bylo stanovení zmen teplotního pole vyzdívky v prubehu všech pracovních operací, kterými pánev prochází. Po zpracování dalších údaju o sledovaných tavbách potrebných k zadání podmínek popisujících tepelné pochody v tekuté oceli, byly stanoveny parametry ovlivnující tepelný stav vyzdívky v prubehu pracovního cyklu pánve a tepelné ztráty tekuté oceli vyzdívkou v dobe od odpichu do konce lití. V prubehu dalšího výzkumu navazujícího na rešení výzkumného úkolu dle lit. [] a [6] bude do algoritmu dílcích modelu ASR ocelárny doplnen i vliv opotrebení vyzdívky licí pánve v prubehu její kampane. Pri urcování zmeny tlouštky vyzdívky je možno použít bud prímého merení zbytkové tlouštky nebo napríklad termovizní techniky [7, 8]. LITERATURA [] HAŠEK, P. aj. Optimalizace tepelné práce 230 t licí pánve s pásmovou vyzdívkou z dolomitového a magnezitouhlíkového staviva v nových technologických podmínkách ocelárny ISPAT NOVÁ HUT. Výzkumná zpráva VŠB-TU Ostrava, [2] HAŠEK, P. aj. Provozní zkouška dolomitové vyzdívky licí pánve urcené pro tavby zpracovávané v pánvové peci a odlévané na ZPO. Výzkumná zpráva VŠB-TU Ostrava, 995. [3] HAŠEK, P. aj. Licí pánev s vyzdívkou z korundo - spinelového samotekoucího betonu ANKOFLO-V002 fy.veitsch-radex provozní zkouška v ocelárne NOVÉ HUTI, a.s. v Ostrave. Výzkumná zpráva VŠB-TU Ostrava, 997. [4] HAŠEK, P. Provozní merení zmeny teplotního pole vyzdívky pánve. In Sborník prednášek z konference Hutní keramika. Ostrava: Tanger, 999, s [5] HAŠEK, P. Analýza tepelných pochodu ve vyzdívce pánve. In Sborník prednášek z konference Hutní keramika. Ostrava: Tanger, 999, s [6] TVARDEK, P., HAŠEK, P. Záverecná zpráva výzkumného úkolu Specifikace výpocetních konstant pro obeh pánví urcených pro ZPO2 a ZPO3. Ostrava: ISPAT NOVÁ HUT, a.s.,

8 [7] SZÜCS, I., PALOTÁS, Á. B., HEGMAN, N., RÉZ, I., BARTH, M., PAP, L. Diagnostic Method for the Determination of Refractory Lining Thickness of High Temperature Equipment. Materials Science Forum, 2003, Vol , p [8] SZÜCS, I., PALOTÁS, Á. B., PAP, L. Determination of Refractory Lining Thickness of High Temperature using Thermovision. In Proceedings of 3 th International Conference of Thermal Engineering and Thermogrammetry. Budapest: House of Technology, 2003, p