Počas recyklovania sme použili aplikáciu kyslíkového obohacovania, prostredníctvom kyslíkovej trysky. Súčasťou tejto práce sú informácie ohľadom testovania materiálu MgO-C v technologickom kompetenčnom centre pre metalurgiu v spoločnosti Messer v Rakúsku, úpravy vsádzkového materiálu, výroby materiálu na reálnej rotačnej peci, kvality získaného produktu, ekonomiky procesu a jeho opätovného použitia.
Pri výrobe surového železa a ocele v oceliarňach sa používajú rôzne druhy žiaruvzdorných materiálov pre taviace pece, rafináciu a prepravné zariadenia. Žiaruvzdorné materiály sú vyrobené z bohatých priemyselných minerálov ako SiO2, Al2O3, MgO, CaO, Cr2O3 a ZrO2. Tieto materiály boli navrhnuté tak aby splnili rôzne náročné požiadavky ako vysokoteplotná odolnosť, dlhá životnosť, odolnosť voči tečeniu a ekonomická úspornosť. Väčšina žiaruvzdorných materiálov sa radí medzi spotrebné materiály, pričom ich životnosť je rôzna v závislosti na prevádzkových podmienkach a odolnosti použitých materiálov.
MgO+C a MgO sú materiály používané pre elektrické oblúkové pece a panvy. Spoločnosti Intocast Slovakia a Messer Tatragas sa dohodli spolu analyzovať a vyvinúť nový proces. Táto práca popisuje recyklovanie žiaruvzdorného materiálu MgO-C od laboratórnych testov až po reálnu výrobu na rotačnej peci v spoločnosti Intocast Slovakia.

Laboratórne testovanie žiaruvzdorného materiálu MgO-C
Ako testovaný materiál sme použili magnéziouhlíkaté stavivo MgO-C. Ide o opotrebovanú výmurovku získanú z elektrickej oblúkovej pece, liacej panvy a z kyslíkového konvertora zo spoločnosti SSM Strážske. Priemerná využiteľnosť materiálu po vybúraní a triedení je približne 30 % (Obr. 1). Chemické zloženie materiálu 90 % MgO – 10 % C.

Obr. 1 Materiál MgO-C

Laboratórne testovanie materiálu MgO-C sa uskutočnilo v technologickom kompetenčnom centre pre metalurgiu v spoločnosti Messer v Rakúsku. Pre pokus bola použitá skúšobná pec s troma kyslíkovo-vzduchovými horákmi so zapaľovaním, kontrolou plameňa a automatickou reguláciou (Obr. 2). Pec je vybavená termočlánkami v strope, v bočných stenách a jeden termočlánok bol umiestnený v materiáli. V priebehu testovania sme analyzovali spaliny CxHy, CO, CO2, O2 a NOx.

Obr. 2 Materiál MgO-C a skúšobné zariadenie

Pred samotným experimentom bol materiál ručne podrvený na frakciu 3 ÷ 25 mm a zvážený. Takto pripravený materiál sme vložili do pece pri teplote spalín 515°C (Obr. 3). Počas testovania bola použitá technológia kyslíkového obohacovania, pričom hodnota obohacovania bola 50 %. Vyššia hodnota kyslíkového obohacovania bola zvolená aj kvôli tomu, aby sme zamedzili vzniku sadzí a CO pri oxidácii uhlíka zo vsádzkového materiálu. Celý experiment trval 123 minút, max. teplota materiálu bola 1 069°C a max. teplota spalín bola 1131°C.

Obr. 3 Teplota spalín a materiálu MgO-C

Výsledky laboratórneho testovania žiaruvzdorného materiálu MgO-C
Základné údaje o procese sú uvedené v tabuľke 1. Uhlík v recyklovanom materiáli je pevným palivom, pričom celý čas bolo možné vytvoriť podmienky pre úplné spaľovanie dodatočného uhlíka zo vsádzkového materiálu. V spalinách nevznikali CxHy, CO a sadze. Váhové straty 0,5 kg a analýza CO2 a O2 poukazujú na to, že proces vyhorievania uhlíka je možný bez tvorenia nespálených CxHy.

Tabuľka 1. Základné údaje o procese v laboratórnych podmienkach

Detailná analýza dosiahnutých výsledkov:

A … O2 maximum v dôsledku otvorenia dverí na peci
B … odchýlky O2 a CO2 v dôsledku zmeny výkonu pece

Z dosiahnutých výsledkov (Obr. 4) je zrejmé, že reakcia dodatočného uhlíka začína pri teplote cca 800°C. Priemerný obsah O2 na začiatku a na konci oxidácie uhlíka je cca 14,5 %. Priemerný obsah CO2 na začiatku a na konci oxidácie uhlíka je cca 13 %.

Obr. 4 Analýza spalín materiálu MgO-C

V spalinách obsah CO2 na začiatku oxidácie uhlíka rastie, zatiaľ čo obsah O2 klesá pri teplote 800°C. Ak budeme sledovať zvýšenie CO2 a zníženie O2 z priemerných hodnôt O2 a CO2 vznikajúcich pri spaľovaní zemného plynu, proces spaľovania C z materiálu trvá cca 70 minút, kým sa opäť nedosiahnu priemerné hodnoty CO2 a O2 v spalinách.
Po úspešnom testovaní materiálu v laboratórnych podmienkach sme začali pripravovať prevádzkový pokus v reálnych podmienkach na rotačnej peci v spoločnosti Intocast Slovakia, prevádzka Hačava.

Recyklovanie žiaruvzdorného materiálu MgO-C v reálnych podmienkach na rotačnej peci
Podobne ako pri laboratórnom testovaní aj v procese recyklovania materiálu v reálnych podmienkach na rotačnej peci, sme použili magnéziouhlíkaté stavivo MgO-C zo spoločnosti SSM Strážske. Materiál pred dávkovaním do rotačnej pece bol mechanicky drvený na drviči na veľkosť zrna 1 ÷ 12 mm. Vsádzkový materiál je potrebné pred dávkovaním do rotačnej pece podrviť, z dôvodu vytvorenia dostatočne veľkého reakčného povrchu, pre efektívnu oxidáciu dodatočného uhlíka prítomného v materiáli (Obr. 5).

Obr. 5 Oduhličená vrstva na vzorke MgO-C

Základné údaje o rotačnej peci a o procese počas spracovania materiálu MgO-C sú uvedené v tabuľke 2.

Tabuľka 2. Základné údaje o rotačnej peci a procese v reálnych podmienkach

Počas spracovania materiálu MgO-C v rotačnej peci sme použili podobne ako pri laboratórnom testovaní aplikáciu kyslíkového obohacovania. Na pokus bolo použité mobilné zásobovacie zariadenie na kvapalný kyslík so sústavou atmosférických odparovačov a redukčný panel na plynný kyslík (Obr. 6).

Obr. 6 Mobilné zásobovacie zariadenie O2 + redukčný panel

Do rotačnej pece môžeme kyslík pridávať priamo do primárneho vzduchu (riadiálna alebo axiálna časť), prípadne môžeme kyslík pridávať prostredníctvom kyslíkovej trysky, tak ako tomu bolo v našom prípade. Dávkovanie kyslíka prostredníctvom trysky sme zvolili z dôvodu zabezpečenia oxidačnej atmosféry v rotačnej peci. Kyslíkovú trysku sme umiestnili vedľa hlavného horáka, pričom sme sa snažili prúd kyslíka usmerniť na povrch materiálu v peci a tým zamedziť spotrebovaniu, pridávaného kyslíka v procese spaľovania so zemným plynom.

Z Budoardovej reakcie vieme určiť teoretické množstvo kyslíka, ktoré je potrebné na reakciu s dodatočným uhlíkom vo vsádzke za vzniku CO2:

Pričom na 100 kg C potrebujeme 266 kg O2 (190 Nm3/h).

Vyššie uvedený výpočet je teoretický a v podmienkach spracovania na rotačnej peci nezahŕňa množstvo pridávaného primárneho a sekundárneho vzduchu potrebného pre spracovanie materiálu v rotačnej peci. Priemerná spotreba dodatočného kyslíka pridávaného do rotačnej pece počas recyklovania materiálu bola 109 Nm3/h. Množstvo pridávaného kyslíka sme upravovali priebežne, na základe meraní spalín CO, CO2 a zvyškového O2.

Výsledky spracovania materiálu MgO-C v reálnych podmienkach na rotačnej peci
Počas spracovania použitého žiaruvzdorného materiálu MgO-C sme priebežne upravovali spotrebu zemného plynu, z dôvodu udržať približne rovnakú teplotu procesu. Prítomný C v materiáli je pevným palivom, pričom spaľovanie dodatočného C je exotermická reakcia.

C = 36 000 kJ/kg = 10 kWh/kg

Na základe týchto údajov môžeme určiť, že 100 kg/h C prítomného v materiáli MgO-C predstavuje dodatočný 1 MW energie, dodaný do pece. To znamená, že je nevyhnutné upraviť výkon horáka, aby nedošlo k prehriatiu pece.
Rotačná pec je vybavená termočlánkom v oblasti nad horákom. Táto teplota je uvedená ako teplota na hlave pece (Obr. 7). Keďže je termočlánok umiestnený vo výmurovke, z dôvodu jeho ochrany a predĺženia životnosti, nepovažovali sme túto teplotu za dostatočný údaj, podľa ktorého by sme riadili proces a následne aj menili spotrebu zemného plynu, z dôvodu pomalej odozvy pri zmene parametrov. Z toho dôvodu sme priebežne merali teplotu na povrchu materiálu v páliacom pásme optickým pyrometrom a na základe týchto meraní sme upravovali parametre rotačnej pece. Reakciu vyhorievania dodatočného uhlíka z materiálu MgO-C sme sa snažili udržať počas celého pokusu v jednej oblasti rotačnej pece, približne v páliacom pásme. O tom, v ktorej oblasti rotačnej pece sa nachádza oblasť vyhorievania uhlíka z materiálu nám napovedia teploty na termočlánkoch ako napr. teplota na hlave pece a za pecou. Zároveň, vyhorievanie dodatočného uhlíka je viditeľné na povrchu materiálu v rotačnej peci.

Obr. 7 Teplotné závislosti počas spracovania materiálu

A … porucha pece
B … porucha pece

Povrchová teplota materiálu v páliacom pásme, meraná optickým pyrometrom, sa počas pokusu pohybovala v rozmedzí 1150°C ÷ 1 250°C. Z nasledujúceho obrázka môžeme vidieť, že priemerná hodinová spotreba zemného plynu nebola konštantná (Obr. 8), z dôvodu obmedzenej funkčnosti dávkovacieho ventilu, prípadne bola spôsobená poruchou pece.

Obr. 8 Teplotné závislosti počas spracovania materiálu

A … porucha pece
B … porucha pece
C ... pokus o zníženie a udržanie spotreby ZP a následne zvýšenie spotreby O2, z dôvodu sledovania zmien v spalinách
D ... nebolo možné udržať konštantný prietok ZP

Nedostatočná regulácia ZP mohla byť jednou z príčin vzniku CO v spalinách a to z dôvodu nemožnosti udržať konštantnú hodnotu pridávaného ZP počas celej dĺžky pokusu (Obr. 9). Ďalšia príčina, ktorá môže spôsobiť vznik CO v spalinách, je zmena otáčok rotačnej pece a tým následné zvýšenie dávkovania materiálu do rotačnej pece. Vo všeobecnosti nie je jednoduché udržať pod kontrolou naštartovanú exotermickú reakciu vyhorievania dodatočného uhlíka z materiálu MgO-C. Vzniknuté CO v spalinách sa nepodarilo znížiť ani pri zvýšenom dávkovaní kyslíka do rotačnej pece.

Obr. 9 Analýza spalín

Produkt MgO získaný recyklovaním materiálu MgO-C, bol každé dve hodiny podrobený analýze – strata žiarom, tzn. váhová strata pre 100 g MgO pri teplote 1000°C a výdrži 2 hodiny. Výsledok skúšky strata žiarom by sa mal pohybovať v rozmedzí 0 ÷ 1 %. Z nasledujúceho obrázku môžeme konštatovať, že získaný produkt z recyklovaného materiálu MgO-C má dostatočnú kvalitu (Obr. 10).

Obr. 10 Strata žiarom

Dosiahnuté úspory pri spracovaní materiálu MgO-C, boli stanovené porovnaním údajov získaných zo spracovania materiálu MgCO3 a materiálu MgO-C. Priemerná hodinová spotreba zemného plynu pri spracovaní materiálu MgO-C sa znížila o 30 %, spotreba primárneho vzduchu sa znížila o 22 % a spotreba sekundárneho vzduchu sa znížila o 7,4 %. V uvedených úsporách nie je zahrnuté dodatočné pridávanie kyslíka z mobilnej zásobovacej stanice. Takto spracovaný materiál, je možné použiť ako vhodnú náhradu magnezitových slinkov.

TEXT/ FOTO Ing. Jozef Šuška, Messer Tatragas spol. s r. o., Dipl.-Ing. Burkhardt Holleis, Messer Austria GmbH, Ing. Milan Filipiak, INTOCAST Slovakia a. s.
Odborný príspevok recenzoval: Ing. Pavol Radič, PhD., ZSVTS