HUTNÍ ZAŘÍZENÍ OCELÁREN. Seminární práce č. 2

Transkript

1 HUTNÍ ZAŘÍZENÍ OCELÁREN Seminární práce č. 2 Téma: Zařízení pro homogenizaci taveniny v ocelářských pecích a v sekundární metalurgii VŠB-TUO, FMMI moje internetové stránky: zpracoval: Marek Herman

2 OBSAH str. 1 ZAŘÍZENÍ PRO HOMOGENIZACI TAVENINY V OCELÁŘSKÝCH 2 PECÍCH 1.1 Úvod Dmýchání inertního plynu dnem EOP Dmýchací tvárnice Indukční míchání taveniny v EOP 4 2 ZAŘÍZENÍ PRO HOMOGENIZACI TAVENINY V SEKUNDÁRNÍ 6 METALURGII 2.1 Úvod Dmýchání inertního plynu do pánve Falešná zátková tyč Keramická tvárnice Kombinace trysky a ohřevu Indukční míchání taveniny v pánvi 12 SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY 13 1

3 1 ZAŘÍZENÍ PRO HOMOGENIZACI TAVENINY V OCELÁŘSKÝCH PECÍCH 1.1 ÚVOD Účelem dmýchání inertního plynu dnem konvertoru nebo EOP je intenzifikace tavení, tj. teplotní a koncentrační homogenizace lázně, lepší průběh fyzikálně-chemických reakcí. U konvertorů se spodním dmýcháním kyslíku lze inertní plyny dmýchat pomocí porézních tvárnic zabudovaných na dně konvertoru. U konvertorů s kombinovaným dmýcháním můţe být proces v určité fázi intenzifikovaný promícháním zespodu s argonem nebo dusíkem přez porézní tvárnice ve dně konvertoru. Alternativně se porézní tvárnice na dně pouţívají v průběhu fází foukání k injektáţi čistého kyslíku nebo jiných plynů. Dochází k intenzivnější cirkulaci roztavené oceli a zlepšují se reakce mezi kyslíkem a roztaveným kovem. U elektrické obloukové pece (EOP) dosáhneme homogenizace dmýcháním inertního plynu pomocí dmýchacích tvárnic nebo indukčním mícháním. 1.2 DMÝCHÁNÍ INERTNÍHO PLYNU DNEM EOP DMÝCHACÍ TVÁRNICE Základní způsoby umístění dmýchacích tvárnic ve dně EOP je zobrazeno na obr. 1. Základní provedení dmýchacích tvárnic ve dně EOP je zobrazeno na obr. 2. Základní provedení dmýchacích tvárnic ve dně EOP: - jednootvorová tryska nevýhodou je zatékání tekutého kovu, trysky musí být pořád pod přetlakem plynu - víceotvorová (např. štěrbinová) tvárnice usměrněná porezita (DPP directional porezity plug) - porézní tvárnice neusměrněná porezita, moţnost přerušení dmýchání Mezi metalurgické a ekonomické účinky použití dmýchacích tvárnic ve dně EOP patří: sníţení obsahu ţeleza ve strusce o průměrně 4 %, lázeň je blíţe rovnováţnému stavu C- O, nejsou pozorovány tzv. závary, niţší obsah uhlíku na konci rafinační fáze (oxidace), menší ztráty manganu ve strusce (následek niţšího obsahu ţeleza ve strusce), vyšší výtěţky legur, dosaţení niţších obsahů fosforu, síry a dusíku v oceli (o 20 ppm N), zlepšená teplotní homogenita lázně, niţší spotřeba elektrické energie, zkrácení doby tavby. 2

4 Obr. 1: Základní způsoby umístění dmýchacích tvárnic ve dně EOP EBT = bezstruskový odpich 3

5 Obr. 2: Základní provedení dmýchacích tvárnic ve dně EOP 1.3 INDUKČNÍ MÍCHÁNÍ TAVENINY V EOP Z konstrukčního hlediska míchač představuje elektrický motor, jehoţ stator je pevně zabudován pod dnem pece a rotor představuje roztavený kov v nístěji. Míchač pracuje tak, ţe v elektrickém vinutí statoru vzniká elektromagnetické pole, které proniká ocelovým pláštěm a vyzdívkou do kovové lázně. Kov se pak pohybuje ve směru magnetických siločar. Statory jsou povětšinou dvoufázové a změna v zapojení cívek umoţňuje změnu v pohybu kovu. Plášť dna pece musí být vyroben z nemagnetické oceli Osádce pece je nutno předepsat způsob práce s indukčním míchačem, doporučeným režimem práce míchače. Tak např. při pouţití indukčního míchače po přísadách legur či desoxidovadel do lázně musí doporučovaný reţim jeho práce zaručovat s dostatečnou provozní jistotou rychlé vytvoření podmínek pro odběr reprezentativních vzorků z lázně, aniţ by došlo k nadměrnému opotřebení vyzdívky nístěje pece apod. Doporučený reţim práce míchače musí obsahovat délku časového intervalu mezi přísadou legur či desoxidovadel a okamţikem zapnutí míchače, potřebnou minimální délku chodu míchače, pouţitou frekvenci a intenzitu proudu ve vinutí statoru míchače, směr a případně charakter míchání daný moţnostmi propojení sekcí vinutí statoru. 4

6 K dosaţení maximálního průniku magnetického pole se pouţívá proudu o nízké frekvenci (do 1 Hz). V současné době jiţ pracují i míchače na síťovou frekvenci. Dále je ţádoucí, aby vzdálenost kovu od míchače byla co nejmenší a taktéţ, aby ztráty indukcí v ocelové konstrukci pece byly minimální. Měrná spotřeba elektrické energie se však při pouţití míchače zvyšuje. Mezi přínos indukčního míchání patří: zvyšuje se koncentrační homogenita po legování, zejména těţkými prvky jako je např. wolfram nebo vanad, zvyšuje se teplotní homogenita lázně, urychlují se probíhající difúzní pochody mezi struskou a kovem (např. difúzní desoxidace a odsíření), usnadňuje se vyplouvání vměstků, ulehčuje se stahování strusky, pouţívá se v redukčním údobí tavby. 5

7 2 ZAŘÍZENÍ PRO HOMOGENIZACI TAVENINY V SEKUNDÁRNÍ METALURGII 2.1 ÚVOD Míchání oceli v licí pánvi je základní pracovní postup pánvové metalurgie a vyuţívá se v širokém spektru metod zpracování a konfigurací licí pánve. Mezi nejdůleţitější cíle míchání patří podpora a intenzifikace reakcí odsíření a odfosfoření při pouţití syntetických strusek, intenzifikace desoxidačních reakcí v objemu taveniny, zvyšování čistoty oceli vyplavováním vměstků vznikajících jako zplodiny reakcí při dezoxidaci, injektáţním odsíření a odfosfoření, urychlení rozpouštění přidávaných legur, desoxidovadel a chladícího šrotu a teplotní a chemická homogenizace v celém objemu taveniny. Míchání oceli lze provést dmýcháním inertních plynů do lázně v pánvi pomocí upravené zátkové tyče nebo prodyšnými tvárnicemi ve dně pece, případně ve stěně pece nebo přes otvor šoupátkového uzávěru nebo indukčním mícháním. Různé typy míchání taveniny v pánvi je zobrazeno na obr. 3. Dmýchání inertního plynu do oceli se nejčastěji uskutečňuje přes pórovité žáruvzdorné hmoty. Poţadavky na vlastnosti těchto hmot jsou: vysoká poréznost, pevnost a odolnost proti mechanickému působení kovu, teplotní stálost při teplotách C, chemická odolnost vůči roztaveným kovům či struskám. K materiálům, které splňují uvedené poţadavky patří korund, spinel, korundový mullit, zirkonsilikát a magnezit. K zajištění dobré průchodnosti ţáruvzdorných tvárnic plynem se vyţaduje % pórovitost. Pórovitost je ovlivňována chemickým sloţením pouţitého materiálu, jeho strukturou a způsobem zpracování. Z hrubozrnějšího materiálu lze zhotovit prodyšnější ţáruvzdornou tvárnici. Pórovitější tvárnice má niţší hustotu, niţší tlakovou ztrátu při průchodu plynu, ale obvykle také i niţší pevnost. a) b) c) Obr. 3: Míchání taveniny v pánvi a) zhora pomocí trysky, b) zdola pomocí porézní tvárnice, c) indukční míchání 6

8 2.2 DMÝCHÁNÍ INERTNÍHO PLYNU DO PÁNVE Během dmýchání inertního plynu (argonu) dochází k nárustu obsahu vodíku a dusíku, k vyššímu opotřebení výdusky pánve a také k vyšší spotřebě dezoxidačních přísad. Z těchto důvodů se pouhé dmýchání argonu zpravidla pouţívá pouze krátkodobě po dobu cca 1-2 min. Tlak argonu v systému nesmí být menší neţ součet ferostatického tlaku kovu a strusky v pánvi, atmosférického tlaku a ztrát tlaku v potrubí a prodyšných kamenech FALEŠNÁ ZÁTKOVÁ TYČ K nejjednodušším způsobům zavádění plynu do roztaveného kovu náleţí dmýchání plynu pod hladinu lázně ocelovou trubkou chráněnou keramickým pláštěm. Tento způsob dmýchání poskytuje malé mnoţství velkých bublin a také pro nízké vyuţití plynu roste neúměrně i jeho spotřeba. Proto byly trubky opatřovány otvory, jejichţ počet se pohyboval od 3 do několika desítek. Odtud byl jiţ jen krok k pouţití tzv. falešné zátkové tyče ocelové trubky chráněné podobně jako zátková tyč a na konci opatřené porézní keramickou zátkou. Na obr. 4 je zobrazen způsob vhánění argonu do pánve pomocí falešné zátkové tyče. Na obr. 5 je schéma upevnění keramického bloku k nosné trubce. I kdyţ tento způsob dává jiţ poměrně jemné bublinky plynu, má ještě řadu nevýhod, zejména pak malý výkon, nízkou ţivotnost a i z hlediska dmýchání není tento způsob nejlepší. Mnohdy dochází i k prohnutí zátkové tyče a tím k nevhodnému usměrnění proudu dmýchaného plynu. Dmýchací soustava můţe být pouţita pouze jednorázově, navíc plyn je rozdělen nerovnoměrně a jeho mnoţství je do jisté míry omezeno účinnou plochou dmýchání, V současné době se vyrábí monolitické trysky, jejich ţivotnost je na úrovni minut práce v tavenině. Obr. 4: Způsob vhánění argonu do pánve pomocí falešné zátkové tyče 7

9 Obr. 5: Schéma upevnění keramického bloku k nosné kovové trubce 1 přívod argonu, 2 zpevňující kovový kruh, 3 otvor v kruhu pro vývod argonu, 4 dutina zaplněná ţáruvzdorným materiálem, 5 matrice upevňující keramický blok, 6 keramický pórovitý blok KERAMICKÁ TVÁRNICE Dmýchání plynu na lázeň keramickou tvárnicí (prodyšným kamenem) umístěnou ve dně pánve je principem pochodu Gazal. Podstata pochodu spočívá v tom, ţe plyn se pod tlakem dmýchá přes průlinčité ţáruvzdorné tvárnice zabudované do dna pánve. Porézní tvárnice můţou být s otevřenou porezitou nebo s uzavřenou porezitou. Uspořádání keramických prodyšných tvárnic je buď ve tvaru komolého kuţele nebo ve tvaru válce. Kuželovité tvárnice se pouţívají při vhánění inertního plynu dnem nebo stěnou pánve, zatím co válcovité tvárnice slouţí pro přívod plynu zátkovou tyčí. Na obr. 6 je zobrazeno uspořádání kuţelovité tvárnice. Aby se zabránilo unikání plynu bočními stěnami tvárnice, jsou tyto stěny uzavřeny obvykle do ocelového pláště nebo jsou opatřeny ţáruvzdorným tmelem. Způsob vestavění keramické tvárnice do dna pánve je zobrazeno na obr. 7. Na obr. 8 je zobrazeno další schéma umístění prodyšného kamene ve dně pánve. Obr. 6: Uspořádání kuţelovité tvárnice 8

10 Obr. 7: Způsob vestavění keramické tvárnice do dna pánve 1 - pórovitá tvárnice, 2 zpevňující ţáruvzdorný blok, 3 kovový obal tvárnice, 4 opěrný disk s otvory, 5 přítlačný disk, 6 - kryt Obr. 8: Umístění prodyšného kamene ve dně pánve V případě potřeby zvýšit intenzitu dmýchání plynu do lázně je moţno do dna pánve pouţít i více tvárnic (2 aţ 3), resp. celé dno vyzdít porézními bloky. Schématické znázornění umístění 3 tvárnic ve dně pánve a provedení pánve s dvojitým dnem nutným při celkovém jeho vyzdění tvárnicemi je znázorněno na obr. 9 a 10. 9

11 Obr. 9: Schéma umístění tří keramických tvárnic ve dně pánve Obr. 10: Celkové vyzdění dna pánve keramickými tvárnicemi 1 tavenina kovu, 2 ţáruvzdorná hmota výtokového otvoru, 3 plášť pánve, 4 komora rozdělující argon ve dně pánve, 5 přívod argonu, 6 výtokový otvor, 7 stojan pánve, 8 opěrné spojky, 9 základní dno pánve, 10 dno pánve s otvory, 11 upevnění keramických tvárnic, 12 keramická tvárnice Uspořádání typu Gazal vytváří vhodné podmínky rozdělení plynu v lázni, umoţňuje upravovat pracovní plochu dmýchání a má poměrně vysokou ţivotnost při sladění jakosti materiálu tvárnic s materiálem vyzdívky. Optimálního rozdělení dmýchaného plynu v lázni se dosahuje tehdy, je-li porézní tvárnice ve dně umístěna v poloviční vzdálenosti od středu pánve a posunuta vůči výlevce o 90. Tím se sníţí moţnost znehodnocení tvárnic zbytkem oceli po jejím odlití. V některých případech bývá porézní tvárnice umístěna ve spodním prstenci vyzdívky stěn pánve, jindy bývají tvárnice nahrazeny ocelovými tryskami ve dně nebo stěně 10

12 pánve. Pochod Gazal je moţno kombinovat se současným pouţitím vakua, kdy je pánev umístěna ve vakuovém kesonu. Schématické znázornění stanice homogenizace inertním plynem (SHIP) je na obr. 11. Obr. 11: Schématické uspořádání při vhánění argonu do roztavené oceli 1 prodyšná tvárnice, 2 licí pánev, 3 regulátor tlaku, 4 redukční ventil, 5 měření spotřeby argonu, 6 tlakové láhve s argonem KOMBINACE TRYSKY A OHŘEVU Jednoduchý způsob odplynění oceli inertním plynem je označovaný jako pochod Jet Degassing. Proud inertního plynu je dmýchán sedmi až devatenáctiotvorovou tryskou na povrch lázně, kde odtlačuje vrstvu strusky ke stěnám a rozpuštěný plyn pak můţe přecházet na volném povrchu kovu z oceli do inertního plynu. Metoda je účinná tehdy, je-li lázeň intenzivně promíchávána indukovanými vířivými proudy a proudem plynu, event. i vyuţitím moţnosti přívodu plynu spodem. Na obr. 12 je zobrazeno schéma zařízení pro tryskové odplynění oceli. Obr. 12: Schéma zařízení pro tryskové odplynění oceli Účinnost rafinace oceli argonem značně závisí na konstrukčním provedení přívodu argonu do pánve a na reţimu probublávání. Nejlepších rafinačních účinků je dosaţeno 11

13 dmýcháním plynu do lázně porézní tvárnicí ve dně pánve. Pouţití porézní tvárnice ve dně pánve bez dostatečného utěsnění vede ke zvýšení spotřeby argonu a ke sníţení účinnosti rafinace. 2.3 INDUKČNÍ MÍCHÁNÍ TAVENINY V PÁNVI Míchání se dosahuje aplikací pohyblivého elektromagnetického pole, které na taveninu působí přez kovový plášť pánve. Míchání není závislé na gravitaci. Směr míchání je reverzibilní a je ho moţné regulovat od %. Plášť pánve musí být vyrobený z nemagnetického materiálu austenitické legované oceli. Mezi výhody indukčního míchání taveniny patří např. klidná hladina oceli, regulace míchání, moţnost změny směru míchání, moţnost pouţívat ţáromateriály jako u jiných pánví, nízké provozní náklady. Mezi nevýhody patří pouţití speciálních licích pánví. 12

14 Použitá literatura: [1] Adolf, Z. Mimopecní rafinace oceli. VŠB-TU Ostrava, 1988, 1. vydání, 130 s. [2] Parma, V. Ocelářství II. VŠB-TU Ostrava, 1980, 1. vydání, 186 s. [3] Parma, V. Ocelářství III. VŠB-TU Ostrava, 1981, 1. vydání, 192 s. [4] Chocholáč, M., Rozum K., Mikolajek J. aj. Algoritmizace hutní výroby. VŠB-TU Ostrava, 1980, 1. vydání, 342 s. [5] Michalek, K. Elektrometalurgie a výroba feroslitin. Studijní opora. VŠB-TU Ostrava, 2008, 185 s. Dostupné z: ( Elektrometalurgie-a-vyroba-feroslitin.pdf.pdf) [6] Kepka, M., Kletečka, Z., Larionov, V. Rafinace legované oceli argonem. Sborník vědeckých prací VŠB v Ostravě, 1974-číslo 2, s Dostupné z: ( [7] Benda, M. Vliv frekvence a intenzity proudu statoru indukčního míchače na jeho homogenizační účinky. Sborník vědeckých prací VŠB v Ostravě, 1974-číslo 2, s Dostupné z: ( [8] Vroţina, M., David, J., Garzinová, R. Automatizace technologických procesů Řízení technologických procesů v metalurgii. Studijní opora. VŠB-TU Ostrava, 2008, 83 s. Dostupné z: ( [9] Šenberger, J., Záděra, A. Metalurgie oceli na odlitky. Studijní opora. VUT, Brno. Dostupné z: ( [10] Mimopecné spracovanie ocele, Studijní texty. Technická univerzita Košice. Dostupné z: ( 13