Uticaj procesnih promenljivih na radni vek vatrostalnih ozida metalurških peći

Influence of process variables on endurance of refractory linings of metalurgical furnaces

Dr. Branislav Nikolić1, Mr. Vesna Vujačić1, Željko Kamberović2, Nikola Dimitrijević3

1Institut za hemiju, tehnologiju i metalurgiju, Beograd, Srbija

2Tehnološko-metalurški fakultet Univerziteta u Beogradu, Srbija

3Inovacioni centar Hemijskog fakulteta, Beograd

Izvod

U različitim tipovima peći, procesiraju se različite vrste metalurških materijala pomoću specifičnih tehnologija. Selekcija i ugradnja vatrostalnih materijala zavisi od fizčkih i hemijskih karakteristika tretiranih materijala, kao i temperaturnih uslova procesiranja. Promena tretiranih materijala i procesnih parametara zahteva kvalitetnu modifikaciju ozida peći naročito u njegovim određenim delovima.

Abstract

In the different types of furnaces, various metallurgical materials are processed by the specific technology. Selection and installation of the refractory materials depended on the physical and chemical characteristic of the treated material as well as operating temperature. Changing of the treating materials and process parameters, requires quality modification of the furnace lining especially in specify layers.

Keywords: refractory materials, furnaces, lining, pyrometallurgical process, secondary raw material

Uvod

Pri pirometalurškoj preradi raznih međuprodukata, poluproizvoda i komercijalnih proizvoda upotrebljavaju se razne vrste vatrostalnih materijala. Konstrukcije, veličine i tip metalurške peći projektuju se za konkretne procesne potrebe, zavisno od materijala koji se u njima prerađuje kao i potrebnih procesnih parametara.

Radne temperature u pirometalurškim procesima najčešće su iznad 500 °C, veoma često i iznad 1000 °C. Međutim, pored temperature i uslova rada, hemijski sastav materijala koji se prerađuje takođe utiče na izbor vatrostalnih materijala za ozid peći. Izvesni delovi peći podležu većem mehaničkom opterećenju, pa i zbog toga konstrukciona rešenja treba prilagoditi konkretnim problemima. U ovom radu biće prikazano više primera pirometalurških procesa u obojenoj metalurgiji.

  1. 1.        Postojeće stanje

Pored visokih i šahtnih peći, koje spadaju u krupne i osnovne metalurške agregate, postoji čitav niz specifičnih metalurških peći: obrtne, kratkobubnjaste, plamene, kuperacione, retortne i druge. Svaka od ovih peći je projektovana i izgrađena za konkretan proces, odnosno za definisanu preradu određenog materijala. Međutim, u metalurgiji, naročito u metalurgiji obojenih metala postoji čitav niz međuprodukata, poluproizvoda, šljaka, šlikera, prašina, pržotina, koje se stalno ili kampanjski prerađuju po specifičnim tehnološkim postupcima. U hemijskoj, a i u drugim procesnim industrijama ima izvesnih međuprodukata sa sadržajem korisnih metala koji se takođe mogu prerađivati u metalurškim pećima prema specifičnoj tehnologiji. Sa inteziviranjem prerade sekundarnih sirovina i reciklaže materijala, raste i potreba njihove prerade, samostalno ili u kombinaciji sa postojećim metalurškim procesima i u postojećim metalurškim agregatima.

Radna temperatura proizvodnog procesa ključni je parametar na osnovu kojeg se vrši izbor vatrostalnih materijala, dok hemijski sastav prerađivanih materijala, takođe, utiče na izbor vatrostalnih materijala pri konstruisanju konkretne peći. Granulometrijski sastav šarže i vrste dobijenih proizvoda takođe utiču na radne efekte peći. Svi ovi procesni parametri različito utiču na pojedine delove peći, kao što sledi: i) otvor za šaržiranje izložen je mehaničkim oštećenjima, pri šaržiranju materijala krupnije granulacije; ii) hemijski sastav šarže, a naročito hemijski sastav šljake u metalurškim pećima uslovljava hemijsku agresivnost prema ozidu, pa najčešće strada površina ozida koja je u dodiru sa šljakom. U praksi, kada šljaka nagriza i rastvara ozid peći, radnici-metalurzi obično kažu: „Šljaka pojela zid peći.“; iii) metal i šljaka pri izlivanju deluju mehanički i hemijski na levak (otvor, „lulu“) za izlivanje dobijenih proizvoda i iv) otvor za gorionik („žarni otvor“) izložen je prvenstveno visokoj temperaturi i temperaturnim promenama.

U zavisnosti od konstrukcije peći, odnosno njene namene, ozid peći može biti sačinjen od različitih materijala i konstruisan iz više slojeva. Na slici 1. prikazan je poprečni presek konstrukcije rotacione peći sa vatrostalnom ozidom izradjenom iz tri sloja. Ozid je sačinjen od izolacionog, zaštitnog i radnog sloja. Slika 2. predstavlja poprečni presek elektro-lučne peći sa prikazom ozida sačinjenog od četiri sloja, gde u ovom slučaju imamo dva izolaciona sloja, zaštitni i radni sloj. Opis slojeva dat je u tabelama ispod slika.

U toku poslovanja i nabavke novih sirovina, često se ukazuje potreba da se u nekoj peći prerađuju materijali (sirovine) koje ne odgovaraju projektovanim parametrima peći i ozida. Kratkobubnjasta peć je naročito povoljna za preradu raznih materijala, prvenstveno zbog mogućnosti mešanja materijala u toku procesa i visokih radnih temperatura. O hemijskim osobinama prerađivanih materijala nedovoljno se u praksi vodi računa, a i ima više metalurških materijala karakterističnih osobina, kao na primer: i) otpadni olovni akomulatori, a naročito pasta, jako su kiseli zbog ostatka H2SO4, zbog čega se radi neutralizacije i kao topitelj u šaržu dodaje soda, pa je šljaka jako alkalna; ii) prašine, šlikeri i šljake koji se dobijaju u rafineriji olova pri alkalnim procesima (završna rafinacija, omekšavanje, prerada bakarnih prašina), imaju visok sadržaj natrijuma i jako su alkalni; iii) talozi i muljevi elektro-metalurgije cinka, dobijaju se pri prečišćavanju sumporno-kiselih rastvora i jako su kiseli, itd.

Ovi materijali prerađuju se po specifičnim tehnologijama, na oko 1000 °C, u metalurškim pećima, uz strogo poštovanje tehnološke discipline, a naročito u pripremi šarže i redosledu dodavanja (šaržiranja) materijala u peć. Svaka promena fizičko-hemijskih osobina materijala koji se prerađuje, utiče na vatrostalni ozid i ozid procesne peći, pa bi trebalo pripremiti, obraditi za novi materijal, nove tehnološko-procesne uslove.

  1. 1.        Predlozi i rešenja

Sa sve većim potrebama prerade sekundarnih sirovina i razvojem tehnologije reciklaže, povećava se broj raznorodnih materijala koji se prerađuju. Sa razvojem proizvodnje povećava se i asortiman finalnih proizvoda, a to je sve više prisutno i u oblasti proizvodnje vatrostalnih materijala. Osim klasičnih vatrostalnih opeka, sve veća je potreba za specijalnim vatrostalnim masama, betonima, malterima, nabojnim masama i kitovima, a koji imaju raznovrsnu upotrebu: premazi žarnih mesta, oblaganje određenih delova ozida peći, brze popravke, krpljenje oštećenih mesta i sl. Reparatura određenih delova ozida peći znatno produžuje njen radni vek i bitno poboljšava ekonomičnost procesa. Tehno-ekonomika procesa je primer mnogih analiza i istraživanja, kao na primer podprojekat 6., projekta ИИИ 45001 Ministarstva nauke Republike Srbije.

Upotreba hromnih opeka je veoma rasprostranjena u procesima na visokim temperaturama, kao i pri procesima sa visokim korozivnim svojstvima. Međutim, hromne opeke čiji je radni vek istekao, klasifikuju se kao opasan otpad, i kao takve potrebno ih je podvrgnuti specijalnim tretmanima i/ili sigurnom odlaganju. Pošto do sada nije pronađeno alternativno rešenje koje bi zamenilo hromne opeke koje imaju visoka anti-korozivna svojstva, mogućnost reciklaže ovakvih opeka i njihovo ponovno korišćenje bi bilo krajnje isplativo, ali i samim tim ovakvi materijali bi se mogli okarakterisati kao ekološki prihvatljivi. Otpadna vatrostalna opeka bogata oksidima hroma (Cr2O3) se meša sa Al2O3 formirajući mešavinu (eskolite korunda) koji se zatim topi u lučnim pećima. Dobijeni materijal se ponovo može koristiti kao sirovina za izradu novih vatrostalnih opeka, čije su performanse gotovo iste, a može se reći i bolje nego konvencionalne vatrostalne hromne opeke.

Novi tehnološki pristupi izrade vatrostalnih materijala daju određena poboljšanja. Takva poboljšanja se mogu ogledati kroz: povećanu otpornost na oksidaciju, tj. poboljšana termička otpornost; smanjenje toplotnog širenja; povišena toplotna provodljivost (povećana energetska efikasnost); povećana elastičnost; povećana žilavost, tj. poboljšana otpornost materijala na delovanje mehaničkog šoka.

Izrada specifičnih rezervnih elemenata ozida peći pojednostavljuje reparaturu peći, produžuje njen radni vek i poboljšava ukupne tehno-ekonomske efekte proizvodnih pogona. U praksi je često nedovoljno povratna sprega: tehnološko-procesno znanje i konstrukciona rešenja u izradi i primeni potrebnih materijala. Tehnološko-procesne promene iziskuju i čitav niz drugih pratećih zahteva, a zajedničke aktivnosti uslov su za postizanje uspešnih poslovnih rezultata.

Zaključak

Razni metalurški materijali prerađuju se po specifičnim tehnologijama u različitim metalurškim pećima. Zavisno od fizičko-hemijskih karakteristika tretiranog materijala i radne temperature vrši se izbor i ugradnja vatrostalnog materijala. Promena tretiranog materijala i procesnih parametara iziskuje i promenu, odnosno podešavanje, kvaliteta ozida peći, naročito u izvesnim segmentima ozida.

Literatura

[1]  Overview of Refractory Materials,
http://www.mtec.or.th/images/users/78/FAQ_refractoryMetal/m158content.pdf

[2]  Peter Mullinger, Chapter 11-Furnace construction and materials, Industrial and Process Furnaces Principles, Design and Operation, 2008, 413–453

[3]  Pritibhushan Sinha, Subhash Saha Chandra, An optimum design of the lining of a medium frequency induction melting furnace, International Transactions in Operational Research, Vol 5, Issue 4, 1998, 255–259

[4]  Miroslav Sokić, Branislav Nikolić, Željko Kamberović, Prerada polimetaličnih sirovina i međuprodukata obojenih metala, SIMS, Beograd, 2009

[5]  Tatjana Volkov-Husović, Vatrostalni materijali svojstva i primena, SIMS, Beograd, 2007