POUŽITÍ AUTOMATICKÝCH SPOJEK PRO HOMOGENIZACI OCELI V PÁNVÍCH PŘI VYSOKÝCH TEPLOTÁCH Petr ŠPALEK PAUL WURTH, a.s., Na Spojce 1897/6, 702 00 Ostrava Moravská Ostrava, Česká Republika, EU, pwcz@paulwurth.com Abstrakt Automatické spojky vyvinuté firmou PAUL WURTH jsou koncipovány pro automatické napojení přívodu inertního plynu za účelem homogenizace oceli v pánvích. Spojení je provedeno mezi pánví na jedné straně a stojanem, pánvovým vozem, vakuovací nádobou nebo otočným stojanem kontinuálního lití na straně druhé a to automaticky bez jakéhokoliv pohonu. Zvláště v uzavřené vakuovací nádobě jsou okolní pracovní teploty velmi vysoké, což zvyšuje nároky na použité materiály. Na základě požadavku předního dodavatele trubek Vallourec & Mannesmann Tubes, závod Sain-Saulve (Francie) jsme ověřili teplotní odolnost používaných materiálů, navrhli zvláštní podmínky, za kterých bude zařízení spolehlivě pracovat, a provedli zkoušky v případě poškození těsnících prvků. Následně byla realizována dodávka testovacích kusů pro instalaci ve VOD (Vacuum Oxygen Degasser/Decarbonisation) a provedeny zkoušky v pracovním prostředí. Klíčová slova: spojka, homogenizace, teplota, VOD 1. ÚVOD V oblasti pánvové metalurgie se používá pro míchání roztavené oceli a její homogenizace probublávání inertního plynu. Injektáž plynu se v dnešní době provádí zejména dnem pánve. Pro tuto technologii je potřeba zajistit přívod a zapojení technologického plynu. Dle požadavku je zařízení schopno spojit jeden, dva nebo tři nezávislé proudy technologického plynu. Nejkritičtějším místem instalace zařízení je vakuovací nádoba z důvodu zajištění těsnosti spoje v prostředí velmi vysokých teplot. V ocelárně Vallourec & Mannesmann Tubes, závod Sain-Saulve (Francie) je používána technologie VOD. Provozní teplota uvnitř VOD při zpracování vysokolegované oceli dosahuje až 600 C. Naším úkolem bylo prokázat a pomocí testů ověřit, že automatické spojky jsou schopny pracovat i v takto nepříznivých teplotních podmínkách s požadovanou spolehlivostí. 2. TECHNICKÝ POPIS Systém se skládá ze spodní části s vnějším kuželem (obr. 1), jenž je nainstalována na zařízení, které přijímá pánev, a dále z horní části s vnitřním kuželem (obr. 2) připevněné na pánvi. Během pokládání pánve dojde ke kontaktu vnitřního kužele s vnějším a vystředění obou částí (obr. 3a a 3b). Těsné spojení mezi kužely zajišťuje O-kroužek. Vnitřní kužel v horní části je posuvný a instalovaná tlačná pružina vytváří potřebný přítlak na těsnící plochu vnějšího kužele spodní části.
Obr. 1 Spodní část spojky ve VD Obr. 2 Horní část spojky na pánvi Obr. 3a Horní a spodní část před spojením Obr. 3b Spojka po zapojení TECHNICKÁ DATA: Systém: Používané plyny Max. tlak: Max. průtok: Max. prac teplota: MONO - FLOW DOUBLE - FLOW TRIPLE - FLOW Argon, Dusík 20 bar 1200 Nl/min 210 C (325 C se speciálním těsněním) 3. ZKUŠENOSTI V APLIKACÍCH S VYSOKÝMI TEPLOTAMI Již v minulosti jsme realizovali několik projektů s umístěním spojek ve vakuovací nádobě (VD). Před a během těchto instalací byla provedena různá měření za účelem určení aktuální pracovní teploty. Zjišťována byla teplota okolí během zpracování oceli ve VD v místě umístění spojky. Teploty se různily podle typu vyráběné oceli. Nejvyšší teplota byla zjištěna během dodávání hliníkových přísad a mírně přesáhla 400 C (obr. 4).
Obr. 4 Maximální teplota ve VD během zpracování Také jsme měřili povrchovou teplotu pánve pomocí termokamery ihned (nejpozději 15 min) po vytažení z VD. Maximální teplota povrchu pláště pánve se pohybovala okolo 400 C. Povrchová teplota spojky byla cca 200 C (obr. 5). V minulosti jsme však také měli instalaci, kde byla naměřena teplota větší než 550 C (obr. 6). I v takto nepříznivých teplotních podmínkách pracuje automatická spojka se spolehlivostí vyšší než 90%. Obr. 5 Teplota pánve 400 C Obr. 6 Teplota pánve 550 C
4. POUŽÍVANÉ MATERIÁLY Vysoké pracovní teploty vyžadují použití speciálních materiálů. Nejnáchylnější částí spojky vzhledem k teplotě jsou těsnící materiály a pružiny. Pro tyto aplikace byly proto vybrány materiály s nejvyšší teplotní odolností. U plochých těsnících spojů nebyl problém nalézt adekvátní materiál. Na trhu existuje mnoho grafitových i jiných plochých těsnění pro použití při teplotě 450 C. O-kroužky již ale takovou teplotní odolnost nemají, V minulosti byly používány materiály jako silikon (VMQ) nebo fluorkaučuk (FPM). Ty mohou pracovat do teploty maximálně 250 C. Momentálně nejodolnější dostupný elastomer je perfluorkaučuk (FFPM). Vyniká výbornou odolností většině chemických látek a také jejich kombinacím či sloučeninám. Jeho další vlastností, díky které je na samé špičce mezi elastomery, je odolnost i velmi vysokým teplotám. Některé směsi dokáží trvale odolávat i teplotám přes 320 C. Jeho typické materiálové vlastnosti jsou na obr. 7. Teplota pracovního prostředí ovlivňuje relaxaci pružiny, projevující se snížením síly vyvíjené pružinou při její deformaci. Jako nejlepší materiál odolávající vysokým teplotám byl vybrán INCONEL X-750. Je oxidaci a korozi odolný, vhodný pro provoz v extrémních prostředích vystavených vysokému tlaku, teplotě a kinetické energii. Je běžně používaný v lopatkách plynových turbín, spalovacích komor stejně jako turbodmychadel rotorů. U pružin a spojovacích součástí se používá do teploty 650 C. Obr. 7 Vlastnosti perfluorkaučuku FFPM 5. ZKOUŠKA BEZ TĚSNÍCÍCH ELEMENTŮ Těsné spojení mezi kužely horní a spodní částí automatické spojky zabezpečují O-kroužky. Jejich stálá maximální pracovní teplota je 325 C. Během standardního provozu kolem nich proudí technologický plyn, který je ochlazuje a tím je chrání před nepříznivými vlivy teploty. Proto doporučujeme ponechat vždy alespoň minimální průtok, i v době kdy to technologie zpracování oceli ve VD/VOD nevyžaduje. Přesto jsme chtěli ověřit spolehlivost a těsnost spoje v případě, že těsnící funkce O-kroužku bude narušena, případně bude zcela zničen. Na testovacím stojanu (obr. 8) jsme simulovali zapojení. Použili jsme stlačený vzduch a jeho parametry nastavili tak, aby odpovídaly technologickému plynu pro mísení. Tlak 6 bar, průtok 500 Nl/min. Spojení bylo provedeno přímo mezi kužely kov-kov bez těsnícího O-kroužku. Na obr. 9 je znázorněno zapojení měřících a regulačních přístrojů. Obr. 8 Testovací stojan
Obr. 9 Zapojení měřících a regulačních přístrojů při testu Provedli jsme tři zkoušky, při nichž jsme mírou otevření výstupního kulového ventilu simulovali různou průchodnost porézní tvárnice. Ventil 0% otevřen tvárnice zcela zablokovaná. Při testu s uzavřeným výstupním ventilem jsme měření průtoku provedli na vstupu. Další dva testy s otevřeným ventilem na výstupu. Výsledné hodnoty jsou uvedené v tab. 1. Tab. 1 Výsledky zkoušky těsnosti bez O-kroužků Test č. Otevření ventilu Tlak [bar] Průtok [Nl/min] 1 0% 5,8 135 165 2 50% 5,6 400 435 3 100% 5,5 435 465 Jak je zřejmé z tab. 1, netěsnost spojky bez O-kroužku a zcela zavřeném výstupu je 135 165 Nl/min. Při 50% otevření výstupu přes něj stále proudilo 400 435 Nl/min. Zbylý průtok 65 100 Nl/min je netěsnost. Během standardního provozu se zcela funkčními těsnícími elementy je lekáž nulová. Avšak i v případě jejich poškození je zjištěný tlak a průtok stále schopen zajistit řádné probublání ocelovou lázní. 6. ZKOUŠKA V PRACOVNÍM PROSTŘEDÍ Následně byla realizována dodávka testovacích kusů pro instalaci ve VOD a provedeny zkoušky v pracovním prostředí. Kromě samotné zkoušky mechanického spojení byla také testována teplotní
odolnost. Test byl rozdělen do čtyř stupňů se zvyšující se pracovní teplotou v závislosti na jakosti zpracovávané oceli. Uživatel specifikoval podmínky takto: 1. Běžná tavba ocel je zpracovávána v uzavřeném VD, vakuování se neprovádí 2. Vakuovaná tavba provádí se vakuování 3. Dekarbonizovaná tavba jakost H9 / H91 (VOD) 4. Dekarbonizovaná tavba jakost H1262A (VOD) Pro každý stupeň byla provedena jedna tavba, při níž byl inertní plyn napojen k pánvi pomocí automatických spojek. Ve všech případech proběhlo spojení bez problémů a splnilo požadavky technologie. Nebyla zjištěna žádná netěsnost, ani poškození či degradace těsnících prvků vlivem vysoké teploty. Po ukončení zkoušek byly horní i spodní části spojek demontovány. V další fázi budou všechny pánve a pozice, kde je požadováno napojení inertního plynu, vybaveny automatickými spojkami. Uvedení kompletní instalace do provozu je plánováno na 3. kvartál roku 2014. 7. ZÁVĚR Již v minulosti byly provedeny instalace automatických spojek ve VD a ověřena jejich spolehlivost a teplotní odolnost při pracovní teplotě 400 500 C. Provozní podmínky v Vallourec & Mannesmann Tubes, závod Sain-Saulve však tyto hodnoty překračují. Je to první aplikace ve VOD s provozní teplotou 600 C. Nejkritičtějším místem celého zařízení vzhledem k teplotě jsou O-kroužky zajišťující těsné spojení. Provedené zkoušky prokázaly, že i v případě jejich poškození je spojka schopna zajistit dodávku inertního plynu v požadovaném množství a tlaku. Pro prodloužení jejich životnosti doporučujeme ponechat vždy alespoň minimální průtok, i v době kdy to technologie zpracování oceli ve VD/VOD nevyžaduje.