METAL 2003 20.-22.5.2003, Hradec nad Moravicí VLIV PROVOZNÍCH FAKTORŮ NA OPOTŘEBNÍ VYZDÍVKY LICÍCH PÁNVÍ 1. ÚVOD JANČAR, D., HAŠEK, P.* TVARDEK,P.** *.VŠB - TU Ostrava **. NOVÁ HUŤ, a.s. Současná doba je charakterizována zvýšenými požadavky na výrobu vysoce jakostních ocelí při co možná nejnižší energetické a materiálové náročnosti. Z tohoto hlediska je důležité udržovat výrobní agregáty dlouhodobě v provozuschopném stavu. Tohoto stavu lze dosáhnout dostatečnou životností žárovzdorné vyzdívky. Proto je hlavně v posledních letech kladen vysoký důraz na měrnou spotřebu žárovzdorného materiálu. Opatření která vedou k prodloužení životnosti vyzdívky můžeme podle jejich charakteru rozdělit do dvou skupin : opatření technologická související s průběhem metalurgických procesů, opatření materiálová související s jakostí a druhem použitých žárovzdorných materiálů. Mezi technologické vlivy řadíme především způsob a intenzitu zkujňovacího procesu i fyzikálně-chemické parametry strusky, regulaci tahotlakových a u tandemových pecí i dospalovacích poměrů. Vedle erozivního účinku v důsledku rozstřiku tekuté lázně, působí na životnost vyzdívky výše dosahované teploty a zejména střídání teplot. Každé přerušení výrobního procesu, ať již z důvodů organizačních, anebo provozních poruch aj., má také nepříznivý vliv na spotřebu žárovzdorného materiálu. Jakost, vhodný typ žárovzdorných materiálů dle charakteru místního namáhání, optimalizace konstrukčních parametrů agregátů, vhodný způsob cyklování velkých oprav, způsob udržování vyzdívky během provozu jsou faktory, které lze zařadit do druhé skupiny tzv. materiálových opatření. Experiment byl zaměřen na jednotlivé faktory ovlivňující spotřebu žárovzdorných materiálů v oblasti pánvové metalurgie [1]. 2. LICÍ PÁNVE V OCELÁRNÉ NOVÉ HUTI, a.s. Vyzdívky většiny licích pánví, určených pro sekundární metalurgii a následné plynulé lití v ocelárně NOVÁ HUŤ, a.s. Ostrava, jsou v převážné míře zhotoveny z dolomitu, pouze struskové pásmo je vyzděno magnezito-uhlíkem. Je známo, že dolomitové žárovzdorné výrobky jsou poškoditelné vlhkostí. Jestliže oxid vápenatý CaO v dolomitu je vystaven vlivu vlhkého vzduchu, reaguje s atmosférickou vlhkostí za vzniku hydroxidu vápenatého Ca(OH) 2, který deformuje tvarovky a dochází k jejich rozpadu. Rychlost, kterou tato reakce probíhá, závisí na teplotě a vlhkosti vzduchu. S ohledem na tuto nevýhodu dolomitu je nutné pánve po vyzdění okamžitě vyhřát na požadovanou teplotu a podle možností je zařadit do pracovního cyklu. Ten by měl být organizován tak, aby prodlevy mezi jednotlivými naplněními pánve ocelí byly co nejkratší a teplota pracovní vyzdívky by v těchto časových úsecích neměla klesnout pod 800 C. S ohledem na sekundární metalurgii a plynulé lití se doba kontaktu oceli se žárovzdorným materiálem neustále prodlužuje. Hlavním problémem je tedy vyvážení oblastí vystavených předčasnému opotřebení použitím různých druhů materiálů. 1
Specifičnost ocelárny NOVÁ HUŤ, a.s. Ostrava je v tom, že dopadová oblast proudu oceli při odpichu se nachází zčásti na půdě pánve, ale zasahuje i její stěnu téměř po celé výšce až po struskovou čáru. Erozivní účinek oceli, a z toho vyplývající opotřebení vyzdívky v této oblasti, je eliminován zvětšením tloušťky vyzdívky a použitím materiálu vyšší jakosti. Při zkouškách odolnosti vůči struskám se ukázalo, že nejúčinnějším způsobem snížení opotřebení vyzdívky v oblasti struskové čáry je použití magnezito-uhlíku. Tvarový sortiment staviva používaného ve vyzdívkách stěn je složen převážně ze semiuniverzálních tvarů, doplněný o P-klíny různých rozměrů. Půdu tvoří opět P-tvary. Dolomitová vyzdívka je budována zcela nasucho (malta je nahrazena dolomitovými jemnými částicemi pro vyrovnání cihlového podkladu. Aby se zabránilo jakékoliv možnosti hydratace studeného pracovního povrchu, je nutné před kladením dolomitových cihel úplně vysušit izolační a ochrannou vrstvu vyzdívku [2]. 2.1 Vliv strusky na vyzdívku licí pánve Chemické narušení dolomitových cihel závisí na reakci složek strusky FeO, Fe 2 O 3, SiO 2, Al 2 O 3, MnO, Cr 2 O 3 aj. s vápenatou základní hmotou dolomitu. Obsah MgO zjištěný ve strusce je považován za produkt opotřebení dolomitové vyzdívky a je tedy brán jako ukazatel opotřebení žárovzdorného zdiva. Je zřejmé, že opotřebení se zmenšuje se zvyšováním obsahu CaO ve strusce. Nezbytného snížení opotřebení dolomitové vyzdívky tedy dosáhneme nejprve přídavkem přiměřeného množství vápna, aby se struska nasytila CaO. Poté by měl být přidán další podíl vápna (asi 15 až 25 % z celkového množství vápna), aby se struska nasytila vzhledem k obsahu MgO ve strusce. Správně nasycená struska obsahuje velké množství nasycených fází CaO : 3CaO.Al 2 O 3 a 3CaO.SiO 2 bez ztráty metalurgických vlastností. Dalším důležitým praktickým pravidlem je stažení pecní strusky, aby se minimalizoval obsah FeO ve strusce. Je dobře známo, že FeO nejen narušuje CaO v dolomitu, ale také snižuje účinnost odsíření [2]. 3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Z mnoha provozních faktorů, které působí na životnost vyzdívky licí pánve jako jsou chemické složení oceli, chemické složení strusky, bazicita strusky, teplota oceli v různých fázích zpracování, množství přísad přidávaných do pánve, doba mimopecního zpracování, intenzita a doba ohřevu oceli na pánvové peci, intenzita a doba argonování, doba vysokoteplotního ohřevu, doba čekání prázdné pánve na odpich následující tavby aj. byly v rámci této práce sledovány tyto provozní faktory: - značka oceli, - doba vysokoteplotního ohřevu, - doba od konce vysokoteplotního ohřevu do odpichu, - doba toku oceli z pece do pánve, - doba od konce odpichu do začátku lití, - doba od konce odpichu do konce lití, - doba lití, - doba zpracování na pánvové peci, - doba od konce lití do začátku vysokoteplotního ohřevu, - doba mezi jednotlivými odpichy, - teplota v peci před odpichem, - teplota v pánvi po odpichu, - první a poslední teplota při zpracování v pánvové peci,
- průměrná teplota v mezipánvi, - hmotnost tavby, - spotřeba elektrické energie k ohřevu oceli, - spotřeba argonu, - chemické složení oceli (obsah C, Si a S ), - chemické složení a bazicita strusky. Dále jsou zde zahrnuty celkové náklady na vyzdění a opravy, které jsou rozděleny na náklady a opravy na vyzdění půdy se stěnami a na vyzdění a opravy struskového pásma. Statistické vyhodnocení vychází z výběru údajů, o nichž se předpokládá, že mohou mít vliv na opotřebení vyzdívky během provozování pánve. Pro hodnocení vlivu technologických faktorů na životnost vyzdívky bylo vybráno 45 kampaní licích pánví s dolomitovou vyzdívkou, u kterých se počet lití pohyboval v rozmezí od 36 do 51 lití. Dále byla vybrána pánev s nejnižším počtem lití (pánev číslo 11) a pánev s nejvyšším počtem lití (pánev číslo 14) a vzájemně se porovnávaly faktory působící na jejich opotřebení. Srovnání opotřebení vyzdívky pánve bylo provedeno pro prvních 36 lití v dané kampani pánve. Na základě tohoto srovnání je možno zjistit, v čem se lišily podmínky provozování pánve, která byla již po tak nízkém počtu lití vyřazena z provozu, od provozních podmínek pánve s maximálním počtem lití. 3.1 Provozní faktory ovlivňující opotřebení vyzdívky licí pánve 1. Vliv značky oceli Značka vyráběné oceli v sobě zahrnuje největší množství údajů ovlivňujících životnost vyzdívky licí pánve. V technologických předpisech ocelárny je pro každou značku oceli stanoven způsob její výroby, ve kterém jsou obsaženy předem dané parametry, jako jsou chemické složení oceli, odpichová teplota, množství legovacích a struskotvorných přísad přidávaných do pánve, teplota oceli v pánvi po odpichu a teplota oceli na konci zpracování v pánvové peci. Proto je možno vliv všech výše uvedených parametrů na opotřebení vyzdívky licí pánve vyjádřit jedním údajem, a to značkou oceli. Sortiment vyráběných značek porovnávaných pánví s nejvyšším a nejnižším počtem lití byl velmi rozmanitý. Vliv značky oceli na opotřebení vyzdívky tedy nebyl v našem případě prokázán. 2. Vliv odpichové teploty Protože v technologických předpisech ocelárny je stanoveno rozmezí doporučené odpichové teploty vyráběné značky oceli, nemá určitá značka vždy stejnou hodnotu teploty před odpichem, ale tato teplota kolísá v určitém intervalu. Ovšem tento interval je z hlediska statistiky tak malý, že v konečném výsledku statistického vyhodnocení by se vliv odpichové teploty na životnost vyzdívky licí pánve neprojevil, a proto se od vyhodnocování upustilo. 3. Vliv doby od konce odpichu do konce lití Jedná se tedy o stav, kdy je pánev plná (resp. hladina oceli klesá v průběhu lití). Statistika se prováděla z průměrných údajů. V grafu 1 lze pozorovat, že s rostoucí dobou pobytu oceli v pánvi se počet lití snižuje tzn. že opotřebení vyzdívky je vyšší. Pro ověření správnosti statistických výsledků byla odvozena závislost celkových nákladů na ocelářskou pánev na průměrné době od konce odpichu do konce lití. V položce celkové náklady se rozumí nejenom náklady na vyzdění licí pánve, ale i náklady na opravy během provozu
Graf 1. Závislost životnosti pánví na průměrné době pobytu oceli v pánvi Počet lití 53 51 49 47 45 43 41 39 37 35 3,3 3,5 3,8 4,0 4,3 4,5 4,8 5,0 5,3 Průměrná doba od odpichu do konce lití [h] pánve. Statistika je zpracována v grafu 2, kde lze vidět, že s rostoucí dobou pobytu oceli v pánvi se celkové náklady zvyšují, čímž se správnost výsledků potvrdila. Graf 2. Závislost celkových nákladů na vyzdívku na průměrné době pobytu oceli v pánvi Celkové náklady na vyzdívku [Kč] 950000 910000 870000 830000 790000 750000 710000 670000 630000 590000 3,2 3,5 3,8 4,1 4,4 4,7 5,0 5,3 Průměrná doba od odpichu do konce lití [h]
4. Vliv doby od konce lití do začátku odpichu Toto je doba prázdné pánve a je zde zahrnuta doba od konce lití do začátku vysokoteplotního ohřevu, doba vysokoteplotního ohřevu a doba od konce vysokoteplotního ohřevu do odpichu. Statistické vyhodnocení je uvedeno v grafu 3 a opět lze pozorovat, že s rostoucí dobou se snižuje počet lití. Ovšem tato doba už má menší vliv na opotřebení vyzdívky licí pánve než setrvání oceli v pánvi. Počet lití Graf 3. Závislost životnosti pánví na průměrné době od konce lití do následujícího odpichu 53 51 49 47 45 43 41 39 37 35 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Průměrná doba od konce lití do následujícího odpichu [h] 5.Vliv spotřeby elektrické energie Vliv spotřeby elektrické energie k ohřevu oceli v pánvové peci znázorňují grafy 4 a 5. Graf 4 je vyhodnocen ze všech 45 kampaní a je možno v něm sledovat klesající charakter regresní křivky což značí, že s rostoucí spotřebou elektrické energie se bude zvyšovat opotřebení vyzdívky. Při srovnání pánví s nejvyšším a s nejnižším počtem lití bylo zjištěno, že pánev s nižším počtem lití měla vyšší spotřebu elektrické energie. Graf 5 vykazuje závislost celkových nákladů na spotřebě elektrické energie. Z grafu vyplývá, že s rostoucí spotřebou elektrické energie rostou celkové náklady na vyzdění a opravy pánve. 6.Vliv spotřeby argonu Graf 6 znázorňuje jak se podílí spotřeba argonu na životnosti vyzdívek licích pánví. Graf 7 zobrazuje závislost celkových nákladů na vyzdívku na průměrné spotřebě argonu. Překvapivě můžeme z grafů vyčíst, že s rostoucí spotřebou argonu se opotřebení vyzdívky nezvyšuje, ale snižuje. Taktéž náklady klesají s rostoucí spotřebou argonu (viz graf 7). Domníváme se, že při vyšší spotřebě argonu dochází k lepší teplotní a chemické homogenizaci oceli. V důsledku větší teplotní homogenity oceli se snížilo lokální opotřebení
vyzdívky vysoce namáhaných míst, které je důvodem k opravě nebo vyřazení pánve z provozu. Graf 4. Závislost životnosti pánví na průměrné spotřebě elektrické energie Počet lití 53 51 49 47 45 43 41 39 37 35 5800 6000 6200 6400 6600 6800 7000 7200 7400 7600 7800 Průměrná spotřeba el. energie [kwh] Graf 5. Závislost celkových nákladů na vyzdívku na průměrné spotřebě elektrické energie Celkové náklady na vyzdívku [Kč] 950000 910000 870000 830000 790000 750000 710000 670000 630000 590000 5800 6000 6200 6400 6600 6800 7000 7200 7400 7600 7800 Průměrná spotřeba el. energie [kwh]
Graf 6. Závislost životnosti pánví na průměrné spotřebě argonu Počet lití 53 51 49 47 45 43 41 39 37 35 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Průměrná spotřeba argonu [m 3 ] Graf 7. Závislost celkových nákladů na vyzdívku na průměrné spotřebě argonu Celkové náklady na vyzdívku [Kč] 950000 910000 870000 830000 790000 750000 710000 670000 630000 590000 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Průměrná spotřeba argonu [m 3 ]
4. ZÁVĚR Z hodnocených parametrů prokázaly největší vliv spotřeba elektrické energie a doba od konce odpichu do konce lití, tedy doba pobytu oceli v licí pánvi. Překvapením bylo zjištění, že s rostoucí spotřebou argonu se opotřebení vyzdívky nezvyšuje. Při srovnání pánví s nejvyšším a nejnižším počtem lití je dokonce u pánve s vyšším počtem lití spotřeba argonu mnohem vyšší. Vliv značky oceli na životnost vyzdívky licí pánve nebyl v našem případě prokázán. Z hodnocení vyplývá, že zkrácením časových prodlev, tedy sladěním jednotlivých pracovních úseků ocelárny by bylo opotřebení vyzdívky licí pánve mnohem nižší a tedy i náklady na vyzdívku by byly nižší. LITERATURA [1] Jančar, D.: Vliv technologických faktorů na opotřebení vyzdívek licích pánví. Diplomová práce. FMMI VŠB TU Ostrava, 2000. [2] Tvardek, P.: Zařazení licí pánve s dolomitovou vyzdívkou do ASŘ ocelárny.hutnické listy, 1997, roč. LII, č. 7/8, s. 23-28. ISSN 0018-8069.