OPERATIONAL TESTING OF NEW SORTS OF REFRACTORIES FOR LADLE LINING PROVOZNÍ ZKOUŠKY NOVÝCH DRUHŮ ŽÁROVZDORNÝCH MATERIÁLŮ PRO VYZDÍVKY PÁNVÍ Pavel Hašek VŠB - TU, Katedra tepelné techniky - Ústav průmyslové keramiky, tř.17.listopadu 15, 708 33 Ostrava - Poruba, Česká republika Abstract Technical conditions of operation of the ladle linings. New sorts of refractory materials for extra-furnace treatment of liquid steel: dolomite bricks and self-flowing corundum-spinel refractory concrete. Comparison of thermal loss through ladle lining. Operational research of thermal work of ladles at secondary metallurgical treatment and continuous casting of steel. The present-day technological systems of ladle metallurgy and of continuous casting of steel are imposing ever more stringent requirements for the refractory lining of ladles. The characteristic data on the conditions of ladle operation are listed in Table 1. The technology of extra - furnace treatment run in a ladle furnace and the continuous casting under conditions adopted at the NOVÁ HUŤ, a.s. Ostrava makes use of two sorts of refractories, namely the dolomite bricks and the corundum-spinel refractory concrete. The dependence of the thermal conductivity and thermal diffusivity of the two refractories on temperature is shown in Table 2. The performance of ladle lining is given in Tables 3 and 4. In the course of solution of the research tasks [ 2 ] and [ 3 ] the temperature field of lining has been measured during the operational testing. For example, Fig. 1 shows the course of temperature at five heats scanned in several points situated in half the height of the side wall. At the same time there is given the course of steel temperature in ladle t oc and the temperature of the lining surface t[0], this two parameters were calculated by means of the mathematical model [ 1 ]. Comparison of thermal loss through lining with application of the two refractories is made in Table 6 showing the dependence of the t vyzd ( Eq.2 ) parameter on the preheating temperature of the lining. 1. ÚVOD Současné technologie mimopecního zpracování oceli a plynulého odlévání se vyznačují vysokými nároky na žárovzdornou vyzdívku licích pánví. Zvýšené namáhání vyzdívek je způsobeno použitím vyšších odpichových teplot, prodloužením doby setrvání oceli v pánvi o dobu potřebnou k průběhu metalurgických operací, odběru zkoušek a transportu pánve mezi jednotlivými pracovišti. Při homogenizaci oceli dmýcháním inertního plynu, při chemickém ohřevu oceli a při zpracování v pánvové peci dochází ke zvýšenému koroznímu a eroznímu působení oceli a strusky na vyzdívku pánve. Rostoucí požadavky na vyzdívky licích pánví vedou k použití nových druhů žárovzdorných materiálů, které se vyznačují mimo jiné vyššími hodnotami součinitelů tepelné a teplotní vodivosti a tím i zvýšeným odvodem tepla z tekuté oceli do vyzdívky pánve. Ke snížení tepelných ztrát vyzdívkou se nejčastěji používají dva způsoby, jednak dochází ke změně konstrukce vyzdívky použitím tepelně izolačních materiálů a jednak se provádí předehřev před odpichem. Při návrhu vyzdívek se využívá metod optimalizace. Snížení tepelných ztrát tekuté oceli je možno docílit i jinými způsoby, např. zakrytím pánve víkem při transportu a odlévání. - 1 -
2. TECHNOLOGICKÉ PODMÍNKY PROVOZU VYZDÍVEK PÁNVÍ Parametry, které charakterizují podmínky provozu vyzdívek pánví jsou sestaveny v tabulce 1 pro oba druhy žárovzdorných materiálů použitých pro pracovní vrstvu vyzdívky. Pracovní režim vyzdívky je charakterizován: - vysokými odpichovými teplotami oceli, - teplota oceli je po dlouhou dobu udržována ohřevem v pánvové peci ( LF ) na vysokých hodnotách, v průběhu ohřevu narůstá teplota oceli u některých taveb až téměř k 1600 C, - doba setrvání oceli v pánvi je průměrně 3,5 h, - intervaly mezi odpichy oceli do pánve se pohybují v širokém rozmezí, prům. mezi 6 a 7 h, - příznivé pro omezení tepelných ztrát oceli je nasazení víka na pánev při odlévání na ZPO, doba nasazení víka je asi o 20 až 30 min delší než doba lití, - pro životnost použitých druhů žárovzdorných materiálů je výhodná i vysoká bazicita strusky v pánvi. Tab. 1 Charakteristické údaje o podmínkách provozu pánví druh vyzdívky dolomitová korundo-spinelová PARAMETR jedn. MIN MAX PRŮM MIN MAX PRŮM odpichová teplota oceli C 1617 1670 1646 1626 1678 1645 teplota v pánvi po odpichu C 1570 1649 1597 1579 1610 1592 teplota po zpracování v LF C 1552 1573 1562 1558 1586 1571 teplota v mezipánvi C 1525 1548 1536 1535 1547 1540 doba pobytu oceli v pánvi h 2,6 4,2 3,5 3,1 3,8 3,5 zpracování v pánvové peci min 43 74 58 53 77 58 doba ohřevu oceli v LF min 17 35 26 23 33 27 doba lití min 55 94 78 71 99 83 doba mezi odpichy do pánve h 4,1 9,3 6,3 4,5 15,3 7,5 bazicita strusky po LF 1 2,3 3,2 2,7 2,0 4,4 3,3 MgO ve strusce po LF % 7,9 10,7 8,8 4,3 7,2 5,6 CaO ve strusce po LF % 50 56 53,6 52 62 54,2 3. ŽÁROVZDORNÉ MATERIÁLY PRO MIMOPECNÍ RAFINACI OCELI Požadavky na vlastnosti žárovzdorných materiálů používaných pro vyzdívání ocelářských pánví určených pro náročné podmínky současných technologií mimopecního zpracování oceli v pánvi a lití na ZPO jsou velmi vysoké. V závislosti na konkrétních podmínkách dané ocelárny se v těchto případech používají vysocejakostní žárovzdorné materiály, např.: - tvarová staviva s vyšším obsahem Al 2 O 3, např. andaluzitová s 52 až 60 % Al 2 O 3, - magnezitchromová staviva s přímou vazbou, - dolomitové nebo magnezitouhlíkaté materiály, - 2 -
- žárobetony s velmi nízkým obsahem cementu ( ULCC ) na bázi bauxitu nebo s nízkým obsahem cementu ( LCC ) na bázi tabulárního korundu a spinelu. Pro technologii mimopecního zpracování prováděného především v pánvové peci a plynulé odlévání se v ocelárně NOVÉ HUTI, a. s. Ostrava používají 2 druhy žárovzdorných materiálů, a sice dolomitová staviva a korundo-spinelový žárobeton. K provozním zkouškám vyzdívek licích pánví, při kterých bylo provedeno detailní sledování tepelných pochodů v pánvi, byly vybrány materiály dvou výrobců, a to dolomitové stavivo firmy DOLOMITE FRANCHI a korundo-spinelový žárobeton fy. VEITSCH-RADEX. 3.1 Dolomitové stavivo fy. DOLOMITE FRANCHI Pro vyzdívku stěny i dna 225 t pánve byly použity tvarovky jakosti PENTABRICK T1. Jedná se o temperované, smolou pojené tvarovky určené pro náročné podmínky mimopecního zpracování oceli. Jejich chemické složení (po kalcinaci) je následující: < 59 % CaO; > 38,5 % MgO; < 1 % SiO 2 ; < 1 % Fe 2 O 3 ; < 1 % Al 2 O 3. Celkový obsah uhlíku je 3,8 %, po temperování při teplotě 800 C je zbytkový uhlík 2,2 %. Objemová hmotnost staviva je 2870 kg.m -3, pórovitost 6 %, pevnost v tlaku za studena je vyšší než 45 MPa. Poměrná teplotní délková roztažnost v intervalu teplot 0 až 1000 C je 1,30 až 1,35 % a v intervalu 0 až 1500 C je 1,95 až 2,00 %. Pro vyzdívku stěny pánve byly použity semiuniverzální tvarovky formátu SU 660, pro zesílení vyzdívky stěny v dopadové oblasti tvarovky SU 760 a pro vyzdívku dna tvarovky 5P 0. Jako podsyp nebo výduska byla použita dolomitická dusací hmota s organickým pojivem PENTAMIX E. Její chemické složení je shodné se stavivem PENTABRICK T1. 3.2 Korundo-spinelový samotekoucí žárobeton fy. VEITSCH-RADEX Druhý typ pracovní vyzdívky stěny a dna pánve byl zhotoven z materiálu ANKOFLO -V002 dodaného firmou VEITSCH - RADEX. Charakteristické údaje tohoto samotekoucího žárobetonu vyrobeného z korundu a spinelu jsou podle materiálového listu výrobce následující: chemické složení: 95 % Al 2 O 3 ; 3,2 % MgO; 0,2 % Fe 2 O 3 ; 0,3 % SiO 2, objemová hmotnost 3060 kg.m -3, dodatečné lineární změny v žáru +0,2 % při teplotě 1500 C, pevnost v tlaku 50 MPa při teplotě 110 C a 110 MPa při teplotě 1500 C, poměrná teplotní délková roztažnost v rozmezí teplot 0 až 1000 C je 0,75 %. Tab.2 Závislost součinitele tepelné a teplotní vodivosti žárovzdorných materiálů na teplotě Materiál PENTABRICK T1 ANKOFLO - V002 Teplota ( C ) λ ( W. m -1. K -1 ) a ( m 2. s -1 ) λ ( W. m -1. K -1 ) a ( m 2. s -1 ) 20 400 800 1200 1400 8,24 5,02 3,06 2,37 2,50 0,0022 0,0013 0,0008 0,0006 0,0006 4,19 2,81 2,15 2,19 2,48 0,0010 0,0007 0,0005 0,0005 0,0006-3 -
Tepelné pochody ve vyzdívce pánve jsou závislé mimo jiné na tepelných vlastnostech použitých materiálů. Závislosti součinitele tepelné vodivosti λ a součinitele teplotní vodivosti a obou použitých materiálů na teplotě jsou uvedeny v tabulce 2. Ze závislostí je patrno, že hodnoty součinitelů tepelné i teplotní vodivosti se při vyšších teplotách k sobě přibližují, přitom hodnoty obou parametrů jsou vždy vyšší u dolomitového staviva než u korundospinelového žárobetonu. 4. POPIS DOLOMITOVÉ A KORUNDO-SPINELOVÉ VYZDÍVKY PÁNVE Popis vyzdívek pánví s dolomitovou a korundo-spinelovou pracovní vrstvou je uveden v tabulkách 3 a 4. U dolomitové vyzdívky je v dopadové oblasti stěny pracovní vrstva zesílena na 178 mm, t.zn. celková tloušťka vyzdívky stěny je 283 mm. U obou typů vyzdívek jsou stěny izolovány vláknitými deskami objemové hmotnosti 250 kg.m -3, použity byly materiály Duraboard 1260 fy. Beier Technik nebo Pyronap 50 fy. Frings Werke. Tloušťka izolace však byla u korundo-spinelové vyzdívky větší. Vyzdívka struskového pásma byla u obou pánví zhotovena z magnezitouhlíkatých staviv, a to: LIUB10 ( Slovmag ) o tloušťce 250 mm nebo ANCARBON-SL 32 o tloušťce 220 mm ( Veitsch-Radex ). Vyzdívka struskového pásma není izolována vláknitou izolací. Tab. 3 Vyzdívka pánve s dolomitovou pracovní vrstvou stěna pánve dno pánve vrstva druh materiálu tloušťka (mm) druh materiálu tloušťka (mm) 1. Pentabrick T1 152 Pentabrick T1 250 2. Pentamix E 20 Pentamix E 20 3. šamot SNK1 80 šamot SNK1 70 4. Duraboard 1260 5 žárobeton ŽO 1200 150 celkem 257 celkem 490 Tab. 4 Vyzdívka pánve s korundo-spinelovou pracovní vrstvou stěna pánve dno pánve vrstva druh materiálu tloušťka (mm) druh materiálu tloušťka (mm) 1. beton ANKOFLO 220 beton ANKOFLO 250 2. šamot SNK1 80 šamot SNK1 65 3. Pyronap 50 10 žárobeton ŽO 1200 180 celkem 310 celkem 495-4 -
5. PROVOZNÍ MĚŘENÍ TEPLOTNÍHO POLE VYZDÍVKY LICÍCH PÁNVÍ Vzhledem k tomu, že mezi hlavní cíle výzkumných úkolů [ 2 ] a [ 3 ] náleželo stanovení tepelných ztrát tekuté oceli, bylo v rámci provozních zkoušek provedeno proměření teplotního pole ve vybraných pásmech stěny i dna pánve. Měřicí roviny ve vyzdívce stěny byly zvoleny v 1/6, 1/2 a 5/6 výšky hladiny oceli při průměrné hmotnosti oceli v pánvi. Horní rovina ( 5/6 výšky hladiny ) byla ve struskovém pásmu vyzdívky. Pro zápis teplot ve zvolených měřicích místech byla použita měřicí ústředna Grant Squirell 1203, která byla umístěna v chlazeném boxu přímo na pánvi. Tímto uspořádáním bylo umožněno kontinuální měření teplot v průběhu všech technologických operací, kterými pánev prochází. V každé měřicí rovině byly teploty měřeny termočlánky zabudovanými tak, aby výsledky měření popsaly co nejdokonaleji teplotní pole. Největší množství měřicích míst bylo umístěno v blízkosti pracovního povrchu stěny, kde v pracovním cyklu pánve dochází k největším změnám teplot. Do vzdálenosti 80 mm od povrchu byly teploty měřeny vždy po 20 mm. Další měřicí místa byla umístěna na hranicích jednotlivých vrstev vyzdívky a na ocelovém plášti pánve. Jako příklad tepelných pochodů ve vyzdívce je na obr. 1 uveden pro prvých pět taveb po vyzdění pánve průběh teplot ve vybraných měřicích místech pracovní korundo-spinelové vrstvy vyzdívky stěny pánve v měřicí rovině v 1/2 výšky hladiny oceli. Z celého souboru naměřených údajů byly vybrány teploty naměřené ve vzdálenosti 40, 80 a 220 mm od pracovního povrchu, přitom poslední z těchto měřicích míst je na styku 1. a 2. vrstvy vyzdívky, t.zn. žárobetonu a šamotových tvarovek. Současně jsou na obrázku vyznačeny časové úseky od odpichu do konce lití, označené pořadovým číslem tavby, a úseky předehřevu pánve před odpichem. Obr. 1 Průběh teplot ve vyzdívce stěny pánve Materiál : korundo-spinelový žárobeton ANKOFLO-V002 fy. VEITSCH-RADEX - 5 -
K rozboru provozního měření teplotního pole vyzdívek byl využit matematický model tepelných pochodů v pánvi [ 1 ]. Jako vstupní údaje modelu, kromě dalších údajů charakterizujících technologické postupy prováděné v průběhu provozních zkoušek vyzdívek v době od odpichu do konce odlévání, byly v rámci podmínek jednoznačnosti řešení teplotního pole vyzdívky zadány naměřené průběhy teplot. Z výsledků řešení matematického modelu tepelných pochodů v pánvi byla při ověřování různých typů vyzdívek využita zejména: - časová závislost teploty oceli v pánvi pro zadaný technologický postup mimopecního zpracování a odlévání oceli, - tepelná bilance vyzdívky pánve. Závislosti teploty oceli v pánvi a teploty povrchu vyzdívky t[0] na čase jsou pro úsek pěti taveb uvedeny na obr. 1. Na křivkách teploty oceli jsou vyznačeny svislými úsečkami začátky a konce lití taveb. V důsledku tepelných ztrát tekuté oceli má teplota oceli v pánvi v době od odpichu do konce lití sestupnou tendenci, ke vzrůstu teploty oceli dochází pouze při ohřevu oceli v pánvové peci. Pro detailní rozbor průběhu teploty v pánvi u taveb č. 1 až 4 je možno použít závislosti na obr. 2. Průběh teploty oceli u jednotlivých taveb je ovlivněn průběhem celého technologického pochodu mimopecní rafinace a odlévání. Obr. 2 Průběh teploty oceli v pánvi s korundo-spinelovou pracovní vrstvou u tavby č. 1 až 4 Z průběhu teplot ve vyzdívce pracovní vrstvy stěny pánve ( obr. 1 ) vyplývá, že se vyzdívka postupně prohřívá na vyšší teploty. Přitom v době mezi odpichem a koncem lití jednotlivých taveb dochází k nárůstu entalpie vyzdívky. V tabulce 5 jsou uvedeny jednak počáteční entalpie vyzdívky I o při odpichu oceli a pokles teploty oceli způsobený tepelnými - 6 -
ztrátami vyzdívkou t vyzd za 210 min od odpichu. Uvedené dva parametry jsou definovány vztahy: = počáteční entalpie vyzdívky Io,celk Io = S ( J. m-2 ) (1) = pokles teploty oceli způsobený tepelnými ztrátami vyzdívkou t vyzd Q vyzd = ( C ) (2) moc coc kde: I o,celk celková entalpie vyzdívky pánve ( J ), S.povrch vyzdívky ( m 2 ), Q vyzd tepelné ztráty vyzdívkou ( J ), m oc..hmotnost oceli v pánvi ( kg ), c oc...měrná tepelná kapacita oceli ( J. kg -1. K -1 ). Tab.5 Pokles teploty oceli u tavby č. 1 až 4 u pánve s korundo spinelovou vyzdívkou za 210 min od odpichu Číslo tavby 1 2 3 4 Počáteční entalpie vyzdívky I o ( MJ. m -2 ) 689 814 888 941 Pokles teploty oceli způsobený tepelnými ztrátami vyzdívkou t vyzd ( C ) 70,8 59,2 52,3 47,2 Pro pracovní cyklus pánve je významné postupné prohřívání vyzdívky na vyšší teploty, při kterém dochází i ke zvyšování entalpie vyzdívky. Pro využití tepla akumulovaného ve vyzdívce pánve v průběhu mimopecního zpracování a odlévání oceli je nutno zajistit pravidelný oběh pánví v ocelárně, při kterém má být pánev použita k odpichu další tavby v co nejkratší době po ukončení odlévání předcházející tavby. Pro snížení tepelných ztrát z pracovního povrchu vyzdívky a tím zpomalení ochlazování pánve je možno použít kromě ohřevu vyzdívky pánve mezi tavbami též jiných opatření, např. zakrytí pánve víkem. - 7 -
6. SROVNÁNÍ TEPELNÝCH ZTRÁT VYZDÍVKOU S DOLOMITOVOU A KORUNDO-SPINELOVOU PRACOVNÍ VRSTVOU Jako parametr pro hodnocení tepelných ztrát vyzdívkou byl zvolen pokles teploty oceli způsobený tepelnými ztrátami vyzdívkou t vyzd, který byl definován rovnicí (2). V grafech je tento parametr označen zkratkou DTVYZD. S ohledem na rozdílné podmínky provozu pánví s dolomitovou a korundo-spinelovou vyzdívkou je porovnání tepelných ztrát poměrně obtížné. Pracovní podmínky se liší např. režimem ohřevu nově vyzděné pánve, kdy průběh sušení žárobetonové vyzdívky je mnohem delší než poměrně rychlý ohřev dolomitové vyzdívky. Další rozdíly byly způsobeny změnami technologie mimopecního zpracování a postupnou inovací automatizovaného systému řízení výroby, ke kterým došlo v období mezi provozními zkouškami obou typů vyzdívek. Z těchto důvodů bylo pro srovnání tepelných ztrát vyzdívkou využito matematické simulace tepelných pochodů v pánvi. Tab.6 Závislost celkového poklesu teploty oceli v pánvi na teplotě předehřátí vyzdívky před odpichem Teplota předehřátí vyzdívky ( C ) 800 1000 1200 Vyzdívka: dolomitové stavivo PENTABRICK T1 72,0 58,1 46,5 Vyzdívka: korundo-spinelový žárobeton ANKOFLO V002 72,2 58,5 44,5 Simulace změny teploty oceli v pánvi při použití obou typů vyzdívek byla provedena pro technologické podmínky shodné s 1. tavbou v pánvi s korundo-spinelovou vyzdívkou. Celková doba setrvání oceli v pánvi byla 214 min ( viz obr. 1 ). Alternativně byl řešen vliv předehřátí vyzdívky před odpichem, a to na teplotu 800, 1000 a 1200 C. Závislost celkového poklesu teploty oceli způsobeného tepelnými ztrátami vyzdívkou na teplotě předehřátí je uvedena v tab.6. I když jsou hodnoty poklesu teploty oceli u dolomitové vyzdívky vyšší než u korundo spinelového žárobetonu, jsou rozdíly z praktického hlediska zanedbatelné a je možno konstatovat, že za uvedených podmínek se oba typy vyzdívek projevují shodně. LITERATURA [ 1 ] HAŠEK,P.: Stanovení provozních charakteristik pánví pro rafinaci taveb z malých EOP na zařízení VOD - VAKUVIT v Ocelárně II a.s. Vítkovice. [Výzkumná zpráva.] VŠB Ostrava, 1993, 83 s. [ 2 ] HAŠEK,P. a.j.: Provozní zkouška dolomitové vyzdívky licí pánve určené pro tavby zpracované v pánvové peci a odlévané na ZPO. [Výzkumná zpráva] VŠB-TU Ostrava, 1995, 105 s. [ 3 ] HAŠEK,P. - MOLÍNEK,J. - VESELÝ,K. - VÁCLAVÍK,L.: Licí pánev s vyzdívkou z korundo-spinelového samotekoucího betonu ANKOFLO -V002 fy. VEITSCH - RADEX. [Výzkumná zpráva.] VŠB-TU Ostrava, 1997, 148 s. - 8 -