Wymagania materia owe i konstrukcyjne dla urz dzenia do pró niowego odgazowania stali metod RH

Transkrypt

1 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 3, (2011), Wymagania materia owe i konstrukcyjne dla urz dzenia do pró niowego odgazowania stali metod RH ZBIGNIEW CZAPKA*, ANDRZEJ LIWA Zak ady Magnezytowe Ropczyce S.A. * zbigniew.czapka@ropczyce.com.pl Streszczenie Materia y ogniotrwa e przeznaczone do eksploatacji w urz dzeniu do pró niowego odgazowania stali metod RH musz by dobrane odpowiednio do warunków eksploatacji jakie panuj w poszczególnych obszarach urz dzenia. W a ciwe poznanie g ównych oddzia ywa niszcz cych w danych strefach urz dzenia oraz miejsc najbardziej obci onych pozwala na optymalne dobranie wy o enia ogniotrwa ego. Wyroby magnezjowo-chromitowe (MC) znalaz y powszechne zastosowanie w urz dzeniu RH, gdy charakteryzuj si wysok odporno- ci korozyjn na tlenki elaza oraz ciek e stopy wapniowo-krzemianowe. Odznaczaj si one równie znaczn wytrzyma o ci mechaniczn w temperaturach roboczych oraz dobr odporno ci na wahania temperatur. Dalsz popraw parametrów zykochemicznych tworzyw magnezjowo-chromitowych mo na osi gn poprzez poddanie ich dodatkowej operacji nas czania, dzi ki której mo na poprawi szereg w asno ci maj cych wp yw zarówno na odporno korozyjn, jak równie wytrzyma o mechaniczn w pewnym zakresie temperatur. W artykule przedstawiono mi dzy innymi wp yw nas czania na w asno ci tworzywa takie jak rozk ad wielko ci porów, gazoprzepuszczalno oraz wytrzyma o na zginanie w zale no ci od temperatury. Popraw trwa o ci urz dzenia RH mo na uzyska równie poprzez odpowiednie rozwi zania konstrukcyjne. S owa kluczowe: proces RH, materia y MC impregnowane, tworzywo magnezjowo-chromitowe MATERIALS AND STRUCTURAL REQUIREMENTS FOR A VACUUM DEGASSER OF MOLTEN STEEL BY THE RH METHOD Refractory materials intended for use in a steel vacuum degassing unit by the RH method have to be adjusted to the operating conditions in particular areas of the unit. Proper identi cation of major destructive effects in particular zones of the unit and the most affected areas allows optimal selection of a refractory lining. Magnesia-chromite products (MC) have been widely applied in RH units as they are characterised by high corrosive resistance to iron oxides and liquid calcium-silicate melts. They also display high mechanical strength in working temperatures and good resistance to temperature uctuations. Further improvement of physical and chemical parameters of magnesia-chromite products may be achieved by subjecting them to an additional saturation procedure with properly selected impregnants, which allows enhancing a number of properties that in uence both corrosive resistance and mechanical strength within a certain range of temperatures. The article among others presents the effect of impregnation on such material properties as: pore size distribution, gas permeability and bending strength depending on the temperature. The service life of an RH unit may be enhanced by applying adequate constructional solutions. Keywords: RH process, MC impregnated products, Magnesia-chromite refractory 1. Wprowadzenie W artykule przedstawiono wybran cz wyników bada uzyskanych w zwi zku z realizacj projektu Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, wspieranego przez Polsk Agencj Rozwoju Przedsi biorczo ci w ramach dzia ania Nowe inwestycje o wysokim potencjale innowacyjnym, zatytu owanego: Wdro enie innowacyjnej technologii produkcji kró ców urz dzenia RH. Realizatorem projektu s Zak ady Magnezytowe ROPCZYCE S.A.. Projekt realizowany jest przy wspó pracy z Instytutem Ceramiki i Materia ów Budowlanych Oddzia Materia ów Ogniotrwa ych w Gliwicach oraz Akademi Górniczo-Hutnicz im. S. Staszica Wydzia In ynierii Materia owej i Ceramiki. Jedn z metod pró niowego odgazowania stali jest proces w urz dzeniu RH (Ruhrstahl-Heraeus), gdzie odgazowanie odbywa si metod obiegow. Proces odgazowania stali w urz dzeniu RH polega na zanurzaniu kró ców w ciek ej stali, a nast pnie jej obiegu przez komor pró niow. Stal zasysana jest do komory kró cem ss cym, a wyp ywa z komory kró cem opadowym. Warunki panuj ce w komorze RH podczas eksploatacji ró ni si znacznie od warunków w innych urz dzeniach metalurgicznych. Najtrudniejsze warunki panuj w kró cach i dolnej cz ci komory RH. Jest to obszar w którym wyst puje intensywny przep yw stali; w obszarze tym wyst puje równie najwy sza temperatura. Do g ównych oddzia ywa niszcz cych w wymienionym rejonie komory RH mo na zaliczy : erozyjne oddzia ywaniu przep ywaj cego metalu, 631

2 Z. CZAPKA, A. LIWA korozj wywo an przez tlenki FeO x oraz korozj zwi zan z in ltracj faz wapniowo-krzemianowych, wysok temperatur procesu powoduj c przyspieszenie niszcz cych oddzia ywa korozyjnych i erozyjnych, gwa towne zmiany temperatur wynikaj ce z cyklicznej pracy komory RH, redukcyjne warunki wywo ane oddzia ywaniem pró ni i wysokiej temperatury. Warunki eksploatacji materia ów ogniotrwa ych w rodkowej i górnej cz ci komory RH s agodniejsze, gdy nie wyst puje tam ci g y przep yw stali jak w dolnej cz ci komory, a jedynie jej rozbryzgi wynikaj ce z intensywnego odgazowania. Temperatura pracy wy o enia ogniotrwa ego jest równie ni sza ni w dolnej cz ci komory. Ze wzgl du na zró nicowanie w intensywno ci oddzia ywa niszcz cych trwa o poszczególnych stref komory RH jest ró na. Typowe zakresy trwa o ci g ównych obszarów urz dzenia RH przedstawiono na Rys. 1. O trwa o ci eksploatacyjnej urz dzenia RH decyduje trwa o wewn trznego wy o enia ogniotrwa ego kró ców i dolnej cz ci komory. W opisanych warunkach eksploatacji najlepsze trwa o ci wykazuj wyroby magnezjowo-chromitowe (MC) o mikrostrukturze zrostowej. Charakteryzuj si one wysok odporno ci na korozyjne oddzia ywanie tlenków elaza oraz u li stalowniczych, posiadaj wysok ogniotrwa o i dobre w asno ci mechaniczne w temperaturze eksploatacji [1, 2]. powoduj tzw. uszczenie strukturalne czyli odpadanie warstwy wyrobu, która zosta a wcze niej nas czona zarówno sk adnikami u la jak i produktami odtleniania stali (Rys. 3). Rys. 2. Wy o enie ogniotrwa e komory dolnej RH po eksploatacji. Fig. 2. The refractory lining of an RH lower chamber after service. Rys. 3. Przekrój kszta tki ze ciany komory RH z widocznym zjawiskiem uszczenia strukturalnego. Fig. 3. The cross-section of a sample taken from an RH chamber wall showing the phenomenon of structural spalling. Rys. 1. Schemat komory RH podczas pracy z zaznaczonymi typowymi trwa o ciami stref wy o enia ogniotrwa ego. Fig. 1. The diagram of an RH chamber during work, with typical service lives of refractory lining zones marked in the drawing. Na Rys. 4 przedstawiono przeci t kszta tk magnezjowo-chromitow pobran z dna komory RH i poddan badaniu sk adu chemicznego w postaci tlenkowej przy u yciu spektrometru uorescencji rentgenowskiej XRFX Uniquant II. Analizy chemiczne wykonano na siedmiu równoleg ych do powierzchni pracuj cej warstwach ró ni cych si odleg o ci od roboczej powierzchni. Wyniki analiz przedstawiono w Tabeli G ówne zjawiska niszcz ce wy o enie ogniotrwa e w urz dzeniu RH Wykonane analizy wyrobów magnezjowo-chromitowych pobranych z komory RH po pracy pozwoli y okre li g ówne zjawiska niszcz ce wy o enie ogniotrwa e. Jednym z g ównych czynników niszcz cych jest korozja wywo ana in ltracj ciek ych sk adników u la w g b materia u ogniotrwa- ego, która wynika z obecno ci porów otwartych w wypalanym materiale ogniotrwa ym. Widok wy o enia ogniotrwa ego komory dolnej RH po eksploatacji przedstawiono na Rys. 2. Wyst puj ce zjawiska korozji w po czeniu z cyklicznymi wahaniami temperatury wyst puj cymi podczas pracy, Rys. 4. Kszta tka magnezjowo-chromitowa pobrana z dna komory RH po eksploatacji. Fig. 4. A magnesia-chromite sample taken from the bottom of an RH chamber after service. 632 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 3, (2011)

3 WYMAGANIA MATERIA OWE I KONSTRUKCYJNE DLA URZ DZENIA DO PRÓ NIOWEGO ODGAZOWANIA STALI METOD RH Tabela 1. Wyniki analiz chemicznych z poszczególnych warstw kszta tki z dna komory RH. Table 1. The results of chemical analyses of particular layers of the sample taken from the RH chamber bottom. rednia odleg o od powierzchni Zawarto sk adnika [%] roboczej [cm] MgO Cr 2 O 3 Fe 2 O 3 Al 2 O 3 CaO SiO ,49 19,33 7,19 3,89 3,15 2, ,44 19,49 6,57 3,77 2,82 2, ,05 19,53 6,57 3,76 2,22 1, ,05 19,66 6,59 3,72 2,17 1, ,88 19,63 6,54 3,77 2,62 2, ,60 20,59 6,8 3,87 0,94 0, ,82 20,57 7,64 3,87 0,91 0,91 Tworzywo przed prac 65,82 20,57 7,64 3,87 0,91 0,91 Rys. 5. Wykres zawarto ci tlenków CaO i SiO 2 w kszta tce magnezjowo-chromitowej w funkcji odleg o ci od powierzchni roboczej. Fig. 5. A chart of CaO and SiO 2 contents in the magnesia-chromite samples versus distance from the working surface. Wyniki analiz chemicznych pokazuj g bok in ltracj stopu wapniowo-krzemianowego w g b tworzywa ogniotrwa- ego. Na Rys. 5 przedstawiono zmiany zawarto ci tlenków CaO i SiO 2 wraz z odleg o ci od strony roboczej. W celu okre lenia wp ywu zmiany sk adu chemicznego tworzywa wywo anej in ltracj obu tlenków na ilo powstaj cej w materiale ogniotrwa ym fazy ciek ej, dokonano kalkulacji przy u yciu specjalistycznego oprogramowania FactSage, przeznaczonego do oblicze termodynamicznych. Wykonano porównawcze obliczenia zmian ilo ci fazy ciek ej w funkcji temperatury w przypadku warstwy materia u o sk adzie chemicznym tworzywa w odleg o ci 9 cm od powierzchni roboczej oraz dla tworzywa o sk adzie pocz tkowym (nie zmienionym). Wyniki oblicze ilo ci fazy ciek ej przedstawiono na Rys. 6. W kolejnym kroku obliczono sk ad fazy ciek ej Rys. 6. Wykres zale no ci ilo ci fazy ciek ej od temperatury w badanym tworzywie MC. Fig. 6. A chart of dependence of the liquid phase amount versus temperature inside the examined MC material. dla obu badanych przypadków w kilku temperaturach. Wyniki oblicze sk adu fazy ciek ej przedstawiono w Tabeli Mody kacja mikrostruktury tworzyw magnezjowo-chromitowych poprzez impregnacj roztworami prekursorów tlenkowych i spinelowych Wyniki oblicze sk adu fazy ciek ej zamieszczone w Tabeli 2 pokazuj, e w stanie równowagi termodynamicznej rozpuszcza si w niej oko o % wag. tlenku magnezu w zale no ci od temperatury. Faza ciek a d c do nasycenia b dzie rozpuszcza MgO pochodz cy z tworzywa ogniotrwa ego. Ograniczenie ilo ci rozpuszczanego MgO pochodz cego z tworzywa ogniotrwa ego postanowiono uzyska poprzez zastosowanie operacji impregnacji pró niowej roz- Tabela 2. Obliczony sk ad fazy ciek ej dla dwóch okre lonych sk adów tworzywa MC w trzech wybranych temperaturach. Table 2. The liquid phase computational composition for two particular compositions of the MC material at three selected temperatures. Zawarto sk adnika Materia o sk adzie pocz tkowym Materia o sk adzie w odleg o ci 9 cm od strony roboczej [% mas.] 1400 C 1500 C 1600 C 1400 C 1500 C 1600 C CaO 32,5 34,2 31,5 32,6 37,1 34,1 SiO 2 37,5 34,8 32,5 37,4 34,0 31,5 MgO 23,1 20,2 20,9 22,9 17,9 18,8 Al 2 O 3 4,9 6,7 8,8 5,1 6,8 9,0 Fe 2 O 3 1,7 3,2 4,7 1,6 4,0 5,0 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 3, (2011) 633

4 Z. CZAPKA, A. LIWA tworami wprowadzaj cymi w pory materia u ogniotrwa ego zwi zki magnezu. Operacj t przeprowadzono z wykorzystaniem roztworów soli spe niaj cych rol prekursorów tlenkowych b d spinelowych. W wyniku oddzia ywania wysokiej temperatury prekursory przechodz w form tlenku lub spinelu, które mog dalej reagowa z fazami obecnymi ju w materiale oraz z innymi fazami tlenkowymi zin ltrowanymi w g b materia u, takimi jak np. u le. Zastosowanie operacji nasycania w odniesieniu do materia ów magnezjowo-chromitowych prowadzi do korzystnych zmian mikrostrukturalnych, których przejawem jest uzyskanie korzystniejszego rozk adu wielko ci porów (w tym zmniejszenie redniej rednicy porów oraz zmniejszenie gazoprzepuszczalno ci materia u). Na skutek tych korzystnych zmian dochodzi tak e do poprawy odporno ci korozyjnej materia u poprzez ograniczenie g boko ci penetracji u la w materia ogniotrwa y. Korzystnym zmianom ulegaj równie w asno ci mechaniczne tworzyw Materia y i metody bada wp ywu impregnacji na w asno ci tworzywa ogniotrwa ego W badaniach porównawczych wp ywu impregnacji na w asno ci zyczne tworzywa wykorzystano materia magnezjowo-chromitowy wysokowypalany, na bazie kruszywa topionego MC, stosowany w kró cach urz dzenia RH. Podstawowe w asno ci materia u u ytego do bada przedstawiono w Tabeli 3. W celu okre lenia wp ywu procesu nasycania roztworami prekursora tlenkowego (PT) i prekursora spinelowego (PS) na odpowiednie w asno ci materia ów zrealizowano impregnacj próbek materia u. W zale no ci od wymaga metody badawczej, próbki przygotowano w formie walców o rednicy równej wysoko ci = h = 50 mm lub belek o wymiarach 25 x 25 x 150 mm. Program bada obejmowa nast puj ce oznaczenia i metody badawcze: odporno na wstrz sy cieplne badano po rozgrzaniu próbek do temperatury 950 C/25 min i ch odzeniu w wodzie w ci gu 5 min., wytrzyma o na zginanie w zakresie temperatur C zgodnie z norm PN-EN 993-7:2001, gazoprzepuszczalno zgodnie z instrukcj badawcz, badania porozymetryczne obejmuj ce badania porowato ci oraz rozk adu wielko ci porów wykonano za pomoc porozymetru rt ciowego Autopore IV9500 rmy Micromeritics. Próbki do bada przygotowano w formie walców o rednicy 24 mm i wysoko ci 24 mm, które uzyskano przez wyci cie z walców o wymiarach = h = 50 mm. Badania wszystkich materia ów przeprowadzono zak adaj c jednakowy kat zwil ania przez rt równy 130 C, badania odporno ci korozyjnej zrealizowano metod tyglow w temperaturze 1500 C w ci gu 8 godzin, wykorzystuj c próbki o wymiarach 80 x 100 x 70 mm z nawierconym otworem o rednicy 50 mm i g boko ci 25 mm. W charakterze czynnika korozyjnego zastosowano u el stalowniczy w ilo ci 30 g, o sk adzie chemicznym podanym w Tabeli Opis rezultatów bada wp ywu impregnacji na w asno ci tworzywa ogniotrwa ego Wyniki bada odporno ci na wstrz sy cieplne badanych tworzyw zestawiono w Tabeli 5. Równolegle prowadzono badania wytrzyma o ci na zginanie w zakresie temperatur C i gazoprzepuszczalno ci po wypaleniu w temperaturach 500, 1000 i 1500 C, a tak e dodatkowe szczegó owe badania opisywanego parametru dla próbek nasy- Tabela 3. Typowe w asno ci tworzywa magnezjowo-chromitowego u ytego do bada Table 3. Typical properties of a magnesia-chromite material used in the investigations. Zawarto sk adnika/parametr Warto MgO [%] 66 Cr 2 O 3 [%] 16,8 Al 2 O 3 [%] 4,7 Fe 2 O 3 [%] 10 SiO 2 [%] 0,8 CaO [%] 1 Porowato otwarta [%] 14,5 G sto pozorna [g/cm 3 ] 3,24 Wytrzyma o na ciskanie [MPa] 80 Ogniotrwa o pod obci eniem [T 0,5 ] >1700 Rys. 7. Zale no wytrzyma o ci na zginanie tworzywa magnezjowo-chromitowego nas czanego roztworami prekursorów PT i PS od temperatury wypalania. Fig. 7. The dependence of the bending strength of the magnesiachromite material impregnated with solutions of PT and PS precursors on the temperature of ring. Tabela 4. Sk ad chemiczny u la stalowniczego u ytego do bada. Table 4. The chemical composition of steel slag used in the investigations. Zawarto [%] SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 TiO 2 CaO MgO K 2 O Na 2 O MnO P 2 O 5 Cr 2 O 3 12,60 14,29 24,72 0,27 37,47 5,61 0,12 <0,01 3,59 0,55 0, MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 3, (2011)

5 WYMAGANIA MATERIA OWE I KONSTRUKCYJNE DLA URZ DZENIA DO PRÓ NIOWEGO ODGAZOWANIA STALI METOD RH Tabela 5. Wyniki odporno ci na wstrz sy cieplne materia u nienasyconego oraz materia ów nasycanych. Table 5. The results of the thermal shock resistance of the nonimpregnated material and impregnated materials. Tabela 8. Wyniki analizy porozymetrycznej wyrobów magnezjowo-chromitowych bez impregnacji. Table 8. The results of a porosimetric analysis of the magnesia-chromite products without impregnation. Nr pomiaru Warto rednia Odporno na wstrz sy cieplne: 950 C woda o temperaturze pokojowej [liczba cykli] Nienasycane Nasycane PT Nasycane PS ,0 10,6 12,6 Tabela 6. rednie wyniki wytrzyma o ci na zginanie próbek nienasycanych i nasycanych w zakresie temperatur C Table 6. The average results of the bending strength of nonimpregnated and impregnated samples within the temperature range of C. Temperatura Wytrzyma o na zginanie [MPa] [ C] Nienasycane Nasycane PT Nasycane PS 150 9,5 19,8 18, ,9 20,4 19, ,3 14, ,1 13, ,8 14,1 13, ,1 14,8 14, ,8 8, ,6 - - Badany parametr Warto Obj to intruzji rt ci [ml/g] 0,0485 Ca kowite pole powierzchni [m 2 /g] 0,053 Mediana obj to ciowa rednicy porów [ m] 15,80 rednia rednica wg modelu walcowego [ m] 3,62 Porowato [%] 15,50 Przepuszczalno [mdarcy] 71,32 Kr to porów 5,97 Przybli ony rozk ad wielko ci porów Zakres wielko ci porów [ m] Udzia [%] > 90 5, , , , ,09 < 1 4,35 Suma 100 canych roztworem prekursora PT w zakresie temperatur C. Warto ci opisywanych parametrów zestawiono odpowiednio w Tabelach 6, 7 i na Rys. 7. W dalszej cz - ci przedstawiono wyniki bada porozymetrycznych próbek, obejmuj ce wyznaczenie nast puj cych parametrów mikrostruktury: obj to porów, ich powierzchnia, obj to ciowa mediana rednicy, rednia rednica porów dla modelu walcowego, a ponadto porowato otwarta, przepuszczalno, kr to oraz rozk ad wielko ci porów. Wyniki tych bada przedstawiono w Tabeli 8, 9 i 10, natomiast wyniki rozk adu wielko ci porów w zakresach poni ej 6 m oraz 6-30 m na Rys. 8, 9 i 10. Rezultaty bada odporno ci korozyjnej powalaj cych na ocen trwa o ci badanych materia ów w kontakcie z ciek ym u lem przedstawiono w Tabeli 11 i na Rys Wp yw termicznych warunków eksploatacji na rozk ad temperatur w ró nych obszarach wy o enia ogniotrwa ego kró ca RH Opis termicznych warunków eksploatacji Kró ce RH podczas eksploatacji poddawane s zmiennym obci eniom termicznym. Zmienno tych obci e wynika ze sposobu pracy kró ców polegaj cej na okresowym zanurzaniu dolnej cz ci kró ców w ciek ej stali w czasie trwania sekwencji kolejnych odgazowa. Na Rys. 12 przedstawiono schemat budowy kró ca RH opracowanego w Zak adach Magnezytowych Ropczyce S.A, na którym zaznaczono podstawowe elementy sk adowe. Czas zanurzenia dolnej cz ci kró ców w trakcie trwania procesu odgazowania, gdzie odbywa si ci g y obieg stali przez ko- Tabela 7. rednie wyniki gazoprzepuszczalno ci próbek przed nasycaniem oraz po nasycaniu prekursorem PT i po wygrzaniu w 150, 300, 600, 800,1000 i 1200 C przez 2 h. Table 7. The average results of the gas permeability of the samples before and after impregnation with a PT precursor and heating at 150, 300, 600, 800,1000 and 1200 C for 2 h. Temperatura wygrzewania próbki [ C] Gazoprzepuszczalno (G) [nperm] Wzgl dna zmiana gazoprzepuszczalno ci G=((G 0 -G N )/G 0 ) 100 [%] Przed nasycaniem PT (G 0 ) Po nasycaniu PT (G N ) 150 2,91 0,11 96, ,66 0,12 95, ,69 0,19 92, ,50 0,11 95, ,62 0,43 83, ,82 1,13 59,2 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 3, (2011) 635

6 Z. CZAPKA, A. LIWA Rys. 8. Udzia porów o rozmiarach rednic 6-30 m i poni ej 6 m w materiale nienasycanym wypalonym w 1500 C. Fig. 8. The fraction of pores having a diameter of 6-30 m and below 6 m in the non-impregnated material red at 1500 C. Rys. 9. Udzia porów o rozmiarach rednic 6-30 m i poni ej 6 m w materiale nasycanym roztworem prekursora PT po wypaleniu w zakresie temperatur C. Fig. 9. The fraction of pores having a diameter of 6-30 m and below 6 m in the material impregnated with a PT precursor solution, after ring at o C. Tabela 9. Wyniki analizy porozymetrycznej tworzywa magnezjowo-chromitowego po nasycaniu roztworem PT i wygrzaniu w 300, 600, 800,1000 i 1500 C. Table 9. The results of a porosimetric analysis of the magnesia-chromite material subjected to impregnation with a PT solution, followed by heating at 300, 600, 800,1000 and 1500 C. Temperatura wygrzewania [ C] Badany parametr Obj to intruzji rt ci [ml/g] 0,0246 0,0350 0,0393 0,0380 0,0486 Ca kowite pole powierzchni [m 2 /g] 0,355 1,006 0,428 0,075 0,054 Mediana obj to ciowa rednicy porów [mm] 0,58 1,23 1,79 3,80 12,35 rednia rednica wg modelu walcowego [mm] 0,27 0,13 0,36 2,02 3,59 Porowato [%] 8,18 11,58 12,83 12,45 15,53 Przepuszczalno [mdarcy] 2,06 2,07 5,24 6,94 38,05 Kr to porów 22,59 20,38 14,89 13,82 7,47 Przybli ony rozk ad wielko ci porów Zakres wielko ci porów [ m] Udzia [%] > ,3 4,02 4,7 4, ,71 1,16 0,81 0,6 0, ,05 1,7 6,04 11,62 62, ,31 9,66 16,56 20,87 25, ,25 40,09 42,27 56,24 3,37 < 1 59,68 44,09 30,3 5,97 3,82 Suma mor pró niow i gdzie nast puje jej odgazowanie wynosi najcz ciej od 15 do 35 minut. W tym czasie kró ce ulegaj ci g emu nagrzewaniu. Po zako czeniu odgazowania kró ce wraz z urz dzeniem RH s unoszone i oczekuj na kolejny wytop. W tym czasie ulegaj one studzeniu, gdy oddaj ciep o do otoczenia poprzez promieniowanie i konwekcj. Eksploatacja urz dzenia RH prowadzona jest w sekwencjach kilku lub kilkunastu kolejnych odgazowa. Przerwy mi dzy kolejnymi odgazowaniami, w których kró ce s wynurzone i podlegaj studzeniu mog trwa od kilku do kilkudziesi ciu minut. W przypadku d ugich czasów obróbki stali w urz dzeniu RH oraz krótkich odst pów czasowych mi dzy kolejnymi odgazowaniami, przyrosty temperatur pancerza stalowego kró ca po ka dym odgazowaniu mog si cz ciowo sumowa. Prowadzi to do znacznego podniesienia temperatury stalowego pancerza. Rozszerzaj cy si nadmiernie na skutek wysokiej temperatury pancerz powoduje powstawanie p kni zewn trznego ogniotrwa ego wy o enia monolitycznego. Na skutek cyklicznych zmian temperatury p kni cia te mog si powi ksza stwarzaj c niebezpiecze stwo penetracji ciek ej stali do pancerza oraz mo liwo odpadania fragmentów betonowej cz ci wy o- enia. Nadmierne przegrzanie pancerza stalowego wp ywa równie negatywnie na wewn trzne wy o enie robocze gdy pancerz stalowy podtrzymuje wewn trzn cz wy o enia roboczego kró ca. Wywo ana wysok temperatur deformacja pancerza stalowego powoduje rozlu nienie wymurówki wyrobów magnezjowo-chromitowych, co przyspiesza erozj na czeniach kszta tek i ca ych z o onych z nich pier cieni. 636 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 3, (2011)

7 WYMAGANIA MATERIA OWE I KONSTRUKCYJNE DLA URZ DZENIA DO PRÓ NIOWEGO ODGAZOWANIA STALI METOD RH Tabela 10. Wyniki analizy porozymetrycznej wyrobów magnezjowo-chromitowych po nasycaniu roztworem PS. Table 10. The results of a porosimetric analysis of the magnesia-chromite products impregnated with a PS solution. Temperatura wygrzewania [ C] Badany parametr Obj to intruzji rt ci [ml/g] 0,0325 0,0360 0,0358 0,0397 0,0481 Ca kowite pole powierzchni [m 2 /g] 0,201 0,757 0,223 0,071 0,049 Mediana obj to ciowa rednicy porów [ m] 4,19 1,73 3,78 8,71 13,84 rednia rednica wg modelu walcowego [ m] 0,64 0,19 0,64 2,24 3,91 Porowato [%] 10,67 11,91 11,74 12,96 15,37 Przepuszczalno [mdarcy] 3,93 0,94 4,66 12,71 47,02 Kr to porów 18,00 38,32 16,86 10,64 7,04 Przybli ony rozk ad wielko ci porów Zakres wielko ci porów [ m] Udzia [%] > 90 5,45 5,7 5,05 4,36 5, ,78 0,41 0,9 0,81 0, ,31 0,13 1,04 16,67 71, ,04 5,17 31,06 57,95 14, ,31 50,2 42,84 14,22 4,8715 < 1 17,11 38,39 19,11 5,99 3,4295 Suma Za o enia do oblicze rozk adu temperatur w wy o eniu ogniotrwa ym kró ca RH Rys. 10. Udzia porów o rozmiarach rednic 6-30 m i poni ej 6 m w materiale nasycanym roztworem prekursora PS po wypaleniu w zakresie temperatur C. Fig. 10. The fraction of pores having a diameter of 6-30 m and below 6 m in the material impregnated with a PS precursor solution, after ring at o C. W celu okre lenia rozk adu temperatur w przekroju kró ca RH oraz w trakcie eksploatacji, a w szczególno ci temperatury stalowego pancerza kró ca, dokonano oblicze przy u yciu programu komputerowego Comsol Multiphysics opartego na metodzie elementów sko czonych (MES). Obliczenia rozk adu temperatur wykonywano dla stanów nieustalonych, gdy rzeczywiste warunki temperatur otoczenia kró ców podczas eksploatacji podlegaj cyklicznym zmianom i nie pozwalaj na ustalenie si stabilnego w czasie rozk adu temperatury w wy o eniu ogniotrwa ym kró ca RH. Obliczenia wykonano dla fragmentu przekroju kró ca i dolnej komory RH zaznaczonej na Rys. 13. Na Rys. 14 przedstawiono przekrój wzd u ny wybranego fragmentu kró ca ss cego u ytego do oblicze z zaznaczonymi obszarami ró nych typów tworzyw ogniotrwa ych. Tabela 11. Odporno korozyjna tworzywa nienasycanego oraz tworzyw nasycanych na dzia anie u la stalowniczego. Table 11. The corrosion resistance of the non-saturated material and impregnated materials to the attack of steel slag. Rodzaj materia u Tworzywo bez impregnacji Tworzywo impregnowane roztworem PT Tworzywo impregnowane roztworem PS Pole powierzchni obszaru próbki in ltrowanego u lem, S [%] 47,5 42,4 36,6 26,4 30,6 33,9 31,0 42,4 36,6 Zmiana powierzchni in ltracji S=((S 0 -S N )/S 0 ) 100 [%] r. 42,2 - r. 30,3 28,2 r. 36,6 13,3 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 3, (2011) 637

8 Z. CZAPKA, A. LIWA a) b) c) Rys. 11. Wygl d próbek po korozji tyglowej: a) tworzywo bez impregnacji, b) tworzywo impregnowane roztworem PT, c) tworzywo impregnowane roztworem PS. Fig. 11. The samples after corrosion cup tests: a) the material non-impregnated, b) the material impregnated with a PT precursor solution, c) the material impregnated with a PS precursorsolution. Rys. 13. Fragment urz dzenia RH podczas odgazowania z zaznaczonym obszarem kró ca ss cego, który zosta wybrany do oblicze. Fig. 13. A fragment of an RH unit in the process of degassing, with the marked suction stub pipe area selected for calculations. Rys. 12. Schemat budowy kró ca RH w przekroju wzd u nym. Fig. 12. The diagram of an RH stub pipe construction in a longitudinal section. W asno ci zyczne przedstawionych tworzyw niezb dne do oblicze, takie jak g sto, ciep o w a ciwe, wspó czynniki przewodno ci cieplnej, zosta y uzyskane na podstawie przeprowadzonych bada poszczególnych tworzyw oraz z danych katalogowych. Do oblicze przyj to zmienn w czasie temperatur otoczenia kró ca oraz zmienne wspó czynniki konwekcji na okre lonych powierzchniach granicznych kró ca. Obliczenia rozk adu temperatur w przekroju kró ca RH wykonano dla sekwencji czternastu odgazowa. Przyj to czas pojedynczego odgazowania 20 minut, czas przerwy mi dzy odgazowaniami 5 minut i temperatur stali podczas odgazowania 1600 C. Obliczono zmiany temperatur w funkcji czasu w wybranych punktach wy o enia ogniotrwa- ego kró ca, punkty te przedstawiono na Rys. 15. Na Rys. 16 przedstawiono przyj te do oblicze zmiany temperatury otoczenia kró ca ss cego w funkcji czasu odpowiadaj ce za o onej czternastowytopowej sekwencji odgazowa Opis wyników oblicze rozk adu temperatur w wy o eniu ogniotrwa ym kró ca RH Wyniki oblicze, w postaci gra cznego rozk adu temperatur, w przekroju kró ca przedstawiono na Rys 17. Rysunek ten przedstawia porównawczy rozk ad temperatury w kró cu ss cym po wykonaniu kolejno 4. oraz 14. odgazowa. Wyniki oblicze zmian temperatur w funkcji czasu w wybranych punktach wy o enia ogniotrwa ego kró ca w trakcie za o onej sekwencji 14. odgazowa przedstawiono na Rys MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 3, (2011)

9 WYMAGANIA MATERIA OWE I KONSTRUKCYJNE DLA URZ DZENIA DO PRÓ NIOWEGO ODGAZOWANIA STALI METOD RH Rys. 14. Przekrój wzd u ny wybranego fragmentu kró ca ss cego u ytego do oblicze z zaznaczonymi obszarami ró nych typów tworzyw ogniotrwa ych. Fig. 14. The longitudinal section of a selected fragment of an RH suction stub pipe, with the areas of refractory materials used. Rys. 16. Zmiany temperatur otoczenia kró ca ss cego RH w obszarze kontaktu z ciek stal w trakcie cyklów eksploatacji. Fig. 16. Changes in the temperatures of the RH suction stub pipe environment in the area of contact with liquid steel during operating cycles. a) Rys. 15. Rozmieszczenie punktów na przekroju kró ca ss cego, w których okre lono zmiany temperatur podczas za o onych warunków eksploatacji. Fig. 15. The location of points on the suction stub pipe section in which temperature changes under the assumed operating conditions were identi ed. Wyniki oblicze porównano z wynikami dokonanych wcze niej pomiarów rzeczywistej temperatury pancerza kró ca RH. Pomiarów dokonano poprzez umieszczenie termopary na zewn trznej powierzchni pancerza kró ca RH (Rys. 19 i 20). Wyniki dokonanych pomiarów zmian temperatury w czasie sekwencji odgazowa przestawiono na Rys Omówienie wyników 5.1. Wp yw impregnacji na w asno ci tworzywa magnezjowo-chromitowego b) Rys.17. Obliczony rozk ad temperatur w przekroju wzd u nym kró ca ss cego dla dwóch ró nych ilo ci kolejnych odgazowa : a) króciec ss cy po 4. cyklach, b) króciec ss cy po 14. cyklach. Fig. 17. The computational distribution of temperatures in the longitudinal section of a suction stub pipe for two different amounts of subsequent degassings: a) the suction stub pipe after 4 cycles, b) the suction stub pipe after 14 cycles. MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 3, (2011) 639

10 Z. CZAPKA, A. LIWA Rys. 18. Zmiany temperatury w funkcji czasu w wybranych miejscach kró ca RH (Rys. 15) podczas sekwencji 14. wytopów. Fig. 18. Temperature changes at selected points of an RH stub pipe (Fig. 15) during a sequence of 14 heats versus time. Rys. 19. Pancerz kró ca z umieszczon termopar. Fig. 19. The stub pipe casing with a thermocouple. Rys. 20. Króciec RH z zamontowanym czujnikiem temperatury. Fig. 20. The RH stub pipe with a mounted temperature sensor. Analiza porównawcza wybranych w asno ci tworzywa nasycanego roztworami prekursorów PT i PS prowadzi do wniosku, e zastosowanie procesu nasycania w odniesieniu do materia u bazowego wp ywa na popraw odporno ci na wstrz sy cieplne, gazoprzepuszczalno ci, parametrów mikrostrukturalnych w tym rozk adu wielko ci porów oraz odporno ci korozyjnej. W przypadku pierwszej z opisywanych w asno ci, tj. odporno ci na wstrz sy cieplne, uzyskano znaczne (ponad dwukrotne) zwi kszenie jej warto ci dla materia u nasycanego prekursorem PT i PS odpowiednio o 112 i 152 % (Tabela 5). Równolegle realizowane badania gazprzepuszczalno ci wykaza y, e impregnacja roztworami prekursorów prowadzi do efektywnego zmniejszenia warto ci tego parametru, który nawet po wypaleniu materia u w temperaturze 1000 C osi ga warto ci o ponad 80 % mniejsze w stosunku do warto ci, które stwierdzano pocz tkowo (Tabela 7). Szczegó owe badania gazoprzepuszczalno ci zrealizowane dla materia u nasycanego prekursorem PT wypalanego w zakresie temperatur C wykaza y, e do temperatury 800 C mo liwe jest uzyskanie redukcji tego parametru o ponad 90 %, a po wypaleniu materia u w temperaturze 1200 C warto tej redukcji zmniej- Rys. 21. Wykres zmian temperatury pancerza stalowego kró ca RH na podstawie wykonanych pomiarów podczas sekwencji odgazowa. Fig. 21. A chart of changes in the RH steel stub pipe casing based on measurements taken during subsequent degassing operations. sza si tylko do ok. 60 % (Tabela 7). Uzyskane warto ci redukcji gazoprzepuszczalno ci materia ów znajduj równie potwierdzenie w zmianach mikrostruktury stwierdzonych w badaniach porozymetrycznych, gdzie równie wyst puje podobna zale no w zakresie zmian przepuszczalno ci materia ów nasycanych prekursorem PT i PS w zale no ci od temperatury wypalania. Dodatkowo dla materia ów poddanych impregnacji w miar wzrostu temperatury wygrzewania, obserwuje si zmiany warto ci powierzchni porów oraz obj to ciowej mediany rednicy porów, przy czym s one ci le powi zane z etapami przekszta cania si prekursorów w ostateczne produkty rozk adu termicznego oraz ich reakcjami ze sk adnikami materia u wyj ciowego. Dobrym przyk adem s w tym przypadku warto ci odno nych parametrów uzyskane po wygrzewaniu próbek w 600 C, gdzie obserwuje si znacz ce, bo oko o 3-4 krotne wzrosty warto ci powierzchni w a ciwej oraz spadki warto ci redniej rednicy porów w porównaniu do tych uzyskanych dla próbek wy- 640 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 3, (2011)

11 WYMAGANIA MATERIA OWE I KONSTRUKCYJNE DLA URZ DZENIA DO PRÓ NIOWEGO ODGAZOWANIA STALI METOD RH grzanych w 300 C (Tabela 9 i 10). Rozk ad wielko ci porów w zakresach rednic poni ej 6 m i 6-30 m, przedstawiony na Rys. 8, 9 i 10, wskazuje na fundamentalne ró nice mikrostrukturalne pomi dzy materia ami nasycanymi prekursorami PT i PS, a materia em nienasycanym. Warto ci tych ró nic zale zdecydowanie od temperatury i s najmniejsze dla próbek wypalonych w temperaturze 1500 C. Jednocze nie zwraca uwag fakt, e zmiany mikrostrukturalne zwi zane z nasycaniem prekursorami s bardziej trwa e w przypadku materia u nasycanego prekursorem PT, o czym wiadczy znacz co ni szy spadek udzia u porów o rednicach mniejszych ni 6 m w przedziale temperatury 300 do 1000 C. Podsumowuj c nasycanie materia u z wykorzystaniem roztworu prekursora PT prowadzi do bardziej efektywnej mody kacji mikrostruktury materia u, która jest równie znacz co bardziej odporna na dzia anie czynników korozyjnych, takich jak na przyk ad u le, czego przyk adem mog by uzyskane wyniki bada odporno ci korozyjnej. W wyniku tych bada stwierdzono w przypadku zastosowania prekursora PT ok. 28-procentowy wzrost odporno ci korozyjnej materia u magnezjowo-chromitowego, przy jednocze nie ok. 13-procentowym wzro cie opisywanego parametru dla tego materia u nasycanego roztworem prekursora PS (Tabela 11 i Rys. 11). W celu poznania wp ywu nasycania materia u MC roztworami prekursorów na w asno- ci wytrzyma o ciowe materia u zrealizowano równie cykl bada porównawczych wytrzyma o ci na zginanie w funkcji temperatury. Badania zrealizowano w zakresie temperatury C. Uzyskane wyniki wskazuj na nieco wy sze warto ci opisywanego parametru dla materia u impregnowanego roztworem prekursora PT w zakresie temperatur C, natomiast w temperaturze 1450 C stwierdzono znacz cy spadek warto ci opisywanego parametru niezale nie od zastosowanego roztworu prekursora, przy czym materia nasycany roztworem prekursora PS charakteryzowa si wy sz o ok. 0,35 MPa warto ci wytrzyma o ci na zginanie. Reasumuj c materia nasycany roztworem prekursora PT charakteryzowa si korzystniejszymi warto ciami wytrzyma o ci na zginanie w szerokim przedziale temperatury C, jak równie inne badane parametry wskazuj na to, e w celu osi gni cia znacz cej poprawy parametrów u ytkowych materia u MC montowanego w kró cach RH do nasycania nale y u ywa roztworu prekursora PT Wp yw termicznych warunków eksploatacji na rozk ad temperatur wy o enia ogniotrwa ego kró ca RH Przeprowadzone obliczenia z u yciem programu wykorzystuj cego metod elementów sko czonych (MES), wykaza y wyra ny wp yw d ugo ci sekwencji wytopów na rozk ad temperatur wewn trz kró ca RH. Obliczenia wykaza y sta y wzrost temperatury wewn trznych obszarów kró ca RH, jak równie wykaza y znaczne wahania temperatur wy o enia ogniotrwa ego w strefach wewn trznych po o onych blisko powierzchni roboczych szczególnie w s siedztwie kraw dzi na styku dwóch powierzchni kró ca, gdzie oddawanie ciep a jest najszybsze. Przyk adowo wy o enie ogniotrwa e w punkcie nr 1 wg Rys. 18 oddalone od powierzchni roboczej o 20 mm oraz w s siedztwie kraw dzi kró ca ulega podczas eksploatacji cyklicznym wahaniom temperatury przekraczaj cym 400 C. Obliczenia pozwoli y okre li zale no temperatury stalowego pancerza od ilo ci przeprowadzonych odgazowa w przyj tej sekwencji wytopów. Uzyskane wyniki oblicze wykaza y du zgodno z przeprowadzonymi wcze niej pomiarami rzeczywistych temperatur pancerza kró ca podczas eksploatacji. 6. Wnioski Przeprowadzone badania, analiza wyników oraz obliczenia pozwalaj na sformu owanie nast puj cych wniosków: Zastosowanie procesu impregnacji roztworami prekursorów PT i PS wp ywa na popraw w asno ci materia- u magnezjowo-chromitowego takich jak odporno na wstrz sy cieplne, gazoprzepuszczalno, rozk ad wielko ci porów oraz odporno korozyjn. Nasycanie materia u MC z wykorzystaniem roztworu prekursora PT jest korzystniejsze ze wzgl du na bardziej odporne na wzrost temperatury korzystne zmiany mikrostruktury oraz wy sz odporno korozyjn materia u. Zaprezentowana metodyka oceny materia ów mo e by stosowana zarówno w badaniach materia owych, jak i w okre laniu potencjalnych obszarów stosowania znanych i nowych materia ów, redukuj c ryzyko wyboru nietrafnych rozwi za. Przeprowadzone obliczenia rozk adu temperatur w wy- o eniu ogniotrwa ym kró ca RH przy u yciu specjalistycznego oprogramowania umo liwiaj okre lenie dla danych warunków eksploatacji maksymalnej bezpiecznej liczby odgazowa, która nie spowoduje nadmiernego przegrzania pancerza stalowego kró ca RH i nie poci gnie za sob szeregu opisanych niekorzystnych zjawisk. Uzyskane wyniki oblicze rozk adu temperatur oraz wyniki bada wp ywu impregnacji na w asno ci tworzywa MC pozwol na prowadzenie dalszych prac zwi zanych z ci g ym ulepszaniem konstrukcyjno-materia owym kró ca w celu wyd u enia trwa o ci eksploatacyjnej urz dzenia RH. Literatura [1] Paw owski S., Serkowski S.: Materia y ogniotrwa e, tom I, Gliwice, (1996). [2] Nadachowski F., Kloska A.: Refractory wear processes, Wyd. AGH, Kraków, (1997). Otrzymano 5 sierpnia 2011; zaakceptowano 21 wrze nia 2011 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 3, (2011) 641