RHI Magnesita Bulletin 2024

Apstrakt

Optimizovano upravljanje livnim loncima igra ključnu ulogu u efikasnoj i održivoj proizvodnji čelika. Kada je reč o ozidima livnih lonaca, čeličane se obično oslanjaju na dva glavna pristupa. Najzastupljeniji pristup je potpuna obloga sa ozidom od opeka, čije su prednosti otpornost na šljaku i visoke temperature, kao i pouzdani radni vek livnog lonca. Alternativa, koja je u poslednjih nekoliko godina pokazala mnoge prednosti, jeste monolitna tehnologija bazirana na aluminijumskom spinelu. Međutim, bez obzira na odabrani koncept obloge, performanse se mogu dodatno unaprediti međupopravkama visoko izloženih područja, upotrebom torketiranja betonom (shotcrete) odnosno šutkretovanjem. Ovaj članak predstavlja rezultate prikupljene tokom više godina u različitim čeličanama, koje su sve imale koristi od ove metode popravke, a ključni primer ogleda se u tome je da su zabeležena značajna uštede u količini korišćenih vatrostalnih materijala, kao i smanjenje otpada i emisije CO2.

Uvod

Tokom godina prikupljeni su brojni dokazi i argumenti da je zoniranje različitih područja livnog lonca specifičnim vatrostalnim materijalima najefikasniji i najsigurniji pristup za optimizaciju radnog veka. Trenutno se čeličane uglavnom oslanjaju na jedan od dva koncepta za vatrostalne obloge koje su izložene habanju. Dok većina koristi opeke koje obezbeđuju dobru otpornost na visoke temperature, odličnu zaštitu od šljake, lako zagrevanje i pouzdan radni vek, drugi su već prešli na monolitna rešenja bazirana na aluminijumskom spinelu, koja pružaju visoku termičku stabilnost, dobru otpornost na visoke temperature, odličnu otpornost na termičke šokove, kao i nisku apsorpciju ugljenika i smanjenu toplotnu provodljivost, što je važno za proizvodnju čelika sa ultra niskim sadržajem ugljenika i uštedu energije. Međutim, pošto oba koncepta pokazuju neujednačeno habanje vatrostalnih materijala u različitim zonama, popravka tih regija šutkretovanjem materijala, postalo je rešenje koje omogućava povećanje broja šarži pre potrebe za kompletnom zamenom ozida. 

Poređenje dva standardna koncepta ozida

Livni lonci imaju ključnu ulogu u proizvodnji čelika, služeći kao posude za transport i rafinaciju čelika kroz različite faze sekundarne metalurgije. Vatrostalne obloge ovih lonaca izložene su hemijskom, termičkom i mehaničkom habanju. Iz tih razloga, od suštinskog je značaja pažljivo odabrati vrstu vatrostalnih materijala, tehniku ugradnje i način održavanja kako bi se obezbedio što duži radni vek. Zbog različitih zahteva, ne postoji univerzalno rešenje. Menadžeri čeličana moraju uskladiti različite parametre, kao što su izdržljivost, uravnotežene performanse, niska potrošnja, otpornost na napade šljake, sigurnost, lakoća instalacije, brzo zagrevanje, optimizacija kapaciteta, izolaciona svojstva, fleksibilnost i ekonomičnost. Pronalaženje najboljeg kompromisa među ovim kompleksnim zahtevima predstavlja stalan izazov.

Dok su MgO-C opeke dugo bile favorizovane za obloge lonaca zbog svoje otpornosti na visoke temperature i pouzdanog radnog veka, industrija čelika sve više prepoznaje potencijal monolitnih vatrostalnih materijala baziranih na aluminijumskom spinelu. Na primer, istraživanja sprovedena pre više od dve decenije pokazala su da ovi monolitni proizvodi ne samo da mogu konkurisati tradicionalnim ozidima već pružaju i dodatne prednosti, poput povećanja kapaciteta lonca i smanjenja toplotnih gubitaka.^[1]

Noviji izveštaji i članci dodatno podržavaju ove nalaze, ističući prednosti monolitnih vatrostalnih materijala baziranih na aluminijumskom spinelu.^[2–5] Niži operativni troškovi i poboljšana konzistencija sadržaja ugljenika u čeliku čine ove materijale atraktivnim za čeličane koje teže ka povećanoj efikasnosti i proizvodnji čelika višeg kvaliteta. Osim toga, prelazak sa MgO-C opeka na monolitne vatrostalne materijale može doprineti smanjenju emisije CO₂, kako tokom proizvodnje vatrostalnih materijala, tako i tokom rada, čime se oni svrstavaju u ekološki održivo rešenje. Još jedna prednost monolitnih vatrostalnih materijala je njihova sposobnost da minimiziraju generisanje otpada omogućavanjem ciljanih popravki, umesto potpunog rušenja i ponovnog zidanja obloga, čime se optimizuje korišćenje resursa u procesu proizvodnje čelika.

Predstavljanje ciklične popravke šutkretovanjem

Raniji članak predstavljen na 63. međunarodnom kolokvijumu o vatrostalnim materijalima prikazao je inovativnu tehniku cikličnih popravki šutkretovanjem za upravljanje livnim loncima.^[6] Sledeći sažetak daje pregled ciklusa popravke i dugoročne analize nakon višegodišnje primene. Ciklične popravke šutkretovanjem uključuju nanošenje zaštitnih slojeva monolitne mase na postojeću oblogu od opeka na repetitivan način. Kombinovanjem prednosti monolitnih i obloga od opeka, ova metoda pruža fleksibilno i pouzdano rešenje za popravku ozida livnih lonaca.

Tehnika šutkretovanja, poznata po svojoj fleksibilnosti i sposobnosti da stvori vatrostalne obloge sa tehničkim karakteristikama sličnim tradicionalnim metodama livenja, koristi se u ovoj primeni. Šutkret beton prska se pod visokim pritiskom na površinu, gde se brzo učvršćuje, omogućavajući ciljane popravke bez potrebe za potpunim rušenjem i ponovnim zidanjem.

Poređenje tipičnog ciklusa vatrostalnog ozida od opeka sa kampanjom koja uključuje popravke šutkretovanjem, pokazuje prednosti primene šutkretovanja (Tabela I). Bez popravke zone čelika, zona šljake se može zameniti samo jednom pre nego što je potrebna potpuna zamena ozida. Međutim, šutkretovanjem u zoni čelika, zona šljake se može zameniti više puta pre nego što postane neophodna potpuna zamena ozida.

Primena šutkretovanja produžava radni vek kampanje livnog lonca, smanjuje specifičnu potrošnju i troškove, dok se i dalje koristi tradicionalna obloga od opeka. Konkretno, habanje se javlja na sloju šutkretovanog materijala, dok originalne opeke ostaju netaknute. Ova tehnologija pruža značajne prednosti, uključujući produžen radni vek kampanje lonca, lako vizuelno praćenje habanja i smanjenje otpada od vatrostalnih obloga. Kao rezultat, dolazi do značajnog smanjenja specifične potrošnje vatrostalnih materijala i operativnih troškova, bez ugrožavanja dostupnosti, pouzdanosti i sigurnosti lonca.

Analiza dugoročne ciklične popravke šutkretovanjem

Šutkretovanje je standardno rešenje za održavanje koje se primenjuje u mnogim čeličanama (Slika 1). Povećan broj lonaca popravljenih ovom metodom doveo je do optimizacije tehnika čišćenja, instalacije i grejnih kriva, što je rezultiralo pouzdanijim upravljanjem livnim loncima.

Ovaj odeljak prikazuje rezultate dugoročnih cikličnih popravki šutkretovanjem dobijene u dve čeličane. U proseku, opeke u zoni šljake u Čeličani 1 bile su zamenjene nakon otprilike 40 šarži. Lonac je zatim nastavio da radi još 40 šarži. Međutim, nakon oko 82 šarži, opeke u u zoni čelika bile su previše istrošene da bi izdržale još jedan ciklus sa zamenjenim opekama u zoni šljake, što je dovelo do rušenja lonca.

U novom životnom ciklusu kampanje, uvođenje dve popravke šutkretovanjem u zoni čelika i dve zamene opeka u zoni šljake, produžilo je radni vek kampanje lonca za 50% (Tabela II).

Uobičajeno, opeke u zoni šljake u Čeličani 2 bile su menjene nakon približno 60 šarži, a lonac bi nastavio da radi još 40 šarži. Međutim, nakon oko 100 šarži, opeke u zoni čelika bi bile veoma istrošene, što je dovodilo do rušenja i zamene ozida. U novom životnom ciklusu kampanje, primenom dve popravke u zoni čelika i dve zamene opeka u zoni šljake, radni vek kampanje lonca povećan je na prosečno 185 šarži, što predstavlja povećanje od 85% (vidi Tabelu II). Na osnovu ovih podataka izračunata je specifična potrošnja vatrostalnog materijala za ozid livnih lonca po toni proizvedenog čelika (Tabele III i IV).

Koristeći godišnju proizvodnju čelika od 3.5 miliona tona u Čeličani 2, izračunat je broj potrebnih radnih ozida lonaca na godišnjem nivou. Na osnovu ovoga, procenjena je godišnja količina vatrostalnih materijala potrebnih za ozide lonaca za standardnu praksu i uz primenu popravki šutkretovanjem. Na osnovu tih podataka izračunata je i količina otpada od vatrostalnih materijala, uz pretpostavku da se lonac ruši kada debljina cigli dostigne 30% njihove originalne debljine. Ovi brojevi ukazuju na značajne uštede u troškovima vatrostalnih materijala, povećanu dostupnost lonaca, smanjeni otpad od vatrostalnih materijala i niže emisije ekvivalenta CO₂ (CO₂e) koje potiču iz proizvodnje vatrostalnih materijala kada se koristi šutkretovanjem. Emisije CO₂e su izračunate uz pretpostavku prosečnih vrednosti emisija “od kolevke do kapije“ – (proizvod analiziran od početka proizvodnje do izlaza iz fabrike) ^[7], koje iznose 2.472 tone CO₂e/tona vatrostalnog materijala za opeke i 1.344 tone CO₂e/tona vatrostalnog materijala za monolitne materijale (Tabela V i VI).

Nova metoda instalacije—SHOTGUN

Šutkretovanje je svestrana tehnika nanošenja monolitnih materijala, gde se smeša za livenje prska na površinu pod visokim pritiskom, brzo očvršćavajući na mestu. Ova tehnika pruža izuzetnu fleksibilnost, omogućavajući njenu primenu na raznim lokacijama bez obzira na složenu geometriju. Ključna prednost šutkretovanja je što postiže vatrostalne obloge sa tehničkim karakteristikama uporedivim sa tradicionalnim metodama vibracionog livenja, posebno u pogledu mehaničkih parametara. Međutim, šutkret beton se obično ne koristi za manje popravke zbog viših troškova opreme, dužeg vremena pripreme i povećanih zahteva za čišćenjem nakon ugradnje. Ova ograničenja lako prevazilaze veće čeličane, gde je broj livnih lonaca i količina ugrađenog materijala veliki, a očekuje se vrhunski učinak. S druge strane, za manje čeličane, ova ograničenja mogu biti prepreka koja ih sprečava u modernizaciji upravljanja livnim loncima. Da bi im se pomoglo u prelasku na ekološki održiviju budućnost, razvijena je nova tehnika instalacije i materijali koji omogućavaju korišćenje mašina za šutkretovanje za nanošenje materijala sličnih performansi kao šutkret. Šema ovog SHOTGUN sistema, koji uključuje modifikovanu mašinu za šutkretovanje, pumpu za vodu pod visokim pritiskom, izvor kompresovanog vazduha, pumpu za akcelerator i specijalnu SHOTGUN diznu (Slika 2), prikazana je na Slici 3 ^[8].

Ovaj sistem eliminiše potrebu za planetarnim mikserom i šutkret pumpom za beton, koji mogu imati višu cenu i zauzimaju mnogo prostora, dok sa druge strane značajno smanjuje vreme za postavljanje i potreban broj radnika. Pošto se voda dodaje na mlaznici, nije potrebno čišćenje cevi, a materijal se ne rasipa jer ne ostaje u mikseru, pumpi i cevima. S obzirom na to da postojeći materijal za šutkret beton (npr. SEVEN SHOT 92 NR 08 Z) nije bio u potpunosti kompatibilan s novim sistemom ugradnje koji zahteva materijal koji se može suvo pumpati bez razdvajanja i koji se može brzo ovlažiti, modifikovana je granulometrijska distribucija čestica i dodatci, što je dovelo do razvoja nove porodice proizvoda SEVEN SHOTGUN.

Poređenjem fizičkih svojstava SEVEN SHOT 92 NR 08 Z i SEVEN SHOTGUN 92 NR 08 Z pokazano je da oba imaju visoke vrednosti čvrstoće na hladno sabijanje (CCS), posebno na radnim temperaturama (Slika 4). Takođe, trajna linearna promena (PLC) je relativno konstantna kod oba proizvoda i daleko je od kritične vrednosti od -1,5% (Slika 5). Iako SEVEN SHOTGUN 92 NR 08 Z ima nešto niže vrednosti CCS, one su i dalje dovoljno visoke, a manje negativan PLC smanjuje naprezanje koje materijal trpi.

Industrijska ispitivanja SHOTGUN-a u Čeličani 3

U Čeličani 3, usko grlo tokom standardne kampanje bila je istrošenost ozida u zoni čelika livnog lonca. Primena SEVEN SHOTGUN 92 NR 08 Z tokom zamene opeka u zoni šljake produžila je trajanje kampanje sve dok donja zona i zona šljake nisu postale ograničavajući faktori za životni ciklus lonca. Ovo je potvrđeno u nekoliko kampanja lonaca. Ovim rešenjem sve zone dostižu kraj svog životnog veka u isto vreme, što je ključan parametar u ekonomskim proračunima za sve vatrostalne obloge i značajno smanjuje količinu nepotrošenog materijala.

Zaključak

Popravka metodom šutkretovanja betona pokazala se kao efikasno rešenje za poboljšanje performansi livnih lonaca. Ove popravke produžavaju vek trajanja lonaca, smanjuju otpad i smanjuju potrošnju vatrostalnih materijala po toni čelika. Kao rezultat, operativni troškovi su niži, a uticaj na životnu sredinu smanjen. Pored toga, proces popravke pomaže u izjednačavanju životnog ciklusa različitih zona unutar lonaca, što dodatno smanjuje otpad od vatrostalnih materijala.

Uvođenje novog SHOTGUN rešenja učinilo je ove prednosti dostupnijim i lakšim za primenu. Laboratorijska ispitivanja pokazala su minimalna smanjenja fizičkih svojstava SEVEN SHOTGUN 92 NR 08 Z u poređenju sa standardnim materijalom za šutkret beton, čime je osiguran visok kvalitet popravki, a povratne informacije sa inicijalnih terenskih ispitivanja bile su pozitivne. Očekuje se da će ovo rešenje biti posebno korisno za manje čeličane koje žele da optimizuju performanse svojih čeličnih lonaca. RHI Magnesita je uverena da će dalja industrijska ispitivanja potvrditi SHOTGUN kao pouzdanu tehniku ugradnje, omogućavajući proizvođačima čelika prelazak ka zelenijoj i efikasnijoj budućnosti.

Reference

[1] Buhr, A. Refractories for Steel Secondary Metallurgy. CN-Refractories. 1999, 6(3), 19–30. 
[2] Vatanen, J. Monolithic Ladle Lining in a 3-Converter-Shop. Presented at Steel Academy’s 12^th International Seminar on Refractory Technology: Steel Ladle Lining, Concepts for a Complex Reactor. Bonn, Germany, September 14–16, 2022.
[3] Siebring, R. Economics in Refractory Usage. Presented at Steel Academy’s 12^th International Seminar on Refractory Technology: Steel Ladle Lining, Concepts for a Complex Reactor. Bonn, Germany, September 14–16, 2022.
[4] Buhr, A. Trends in Clean Steel Technology and Steel Ladle Lining. Presented at Steel Academy’s 12^th International Seminar on Refractory Technology: Steel Ladle Lining, Concepts for a Complex Reactor. Bonn, Germany, September 14–16, 2022. 
[5] Akselrod, L.M. and Garten, V. An Alternative Lining of Steel Ladles: Technical and Economic Aspects. Ferrous Metallurgy Bulletin of Scientific Technical and Economic Information. 2018, 12, 72–80.
[6] Copetti, G. and Folco, L. Steel Ladle Management: An Integrated View of the Challenges in Resistance, Environmental Impact, and Economic Issues. Presented at 63^rd International Colloquium on Refractories (ICR 2020). Aachen, Germany, September 16–17, 2020.
[7] Joos-Bloch, M., Rechberger, L., Haider, C., Moulin-Silva, W., Wucher, J. and Drnek, T. Product Carbon Footprint of Refractory Products. Bulletin. 2023, 39–44.
[8] European patent EP 3 858 491 A1. International publication number WO 2020/040665

Autori

Luca Folco

RHI Magnesita, Divaca, Slovenia

Alan Kranjc

RHI Magnesita, Divaca, Slovenia

Izvor: RHI Magnesita