Iedere operator van een elektrische vlamboogoven die ooit te maken heeft gehad met een defecte dakring, kent de gevolgen. Wanneer de dakring het begeeft, gaat alle warmte verloren. Niet alleen de warmte, maar ook het productieschema, de daaropvolgende gieterij en de walserij. Alles komt stil te liggen.
Bij MONTE INTELLIGENCE hebben we EAF-dakringen geleverd aan staalfabrieken in Azië, het Midden-Oosten en Afrika. Door deze projecten hebben we geleerd wat wel en niet werkt. In dit artikel delen we die praktijkervaring.
De dakring van de elektrische vlamboogoven bevindt zich op het kruispunt van drie extreme omstandigheden. Van onderaf wordt hij blootgesteld aan directe straling van de vlamboog – de temperaturen kunnen op de heetste plekken oplopen tot boven de 1700 °C. Van opzij draagt hij de mechanische belasting van de elektroden, die elk meerdere tonnen wegen en trillen tijdens het smelten. Van binnenuit voert hij koelwater door kanalen die lekvrij moeten blijven tijdens de thermische cycli die normaal staal zouden doen barsten.
De materiaalkeuze begint met het basisstaal. De meeste dakringen gebruiken roestvrij staal AISI 304 of 316 voor de watergekoelde panelen. De keuze tussen 304 en 316 komt neer op één vraag: hoeveel chloride zit er in uw koelwater? Als u een gesloten systeem met behandeld water gebruikt, is 304 prima. Als u gebruikmaakt van eenmalige koeling vanuit een rivier of bron met wisselende waterkwaliteit, verdient de chloridebestendigheid van 316 – met een molybdeengehalte van 2-3% – zichzelf binnen het eerste jaar terug. We hebben gezien dat dakringen van 304 binnen zes maanden lekkages vertoonden in brak koelwater, terwijl 316-ringen in dezelfde installatie drie jaar meegingen.
De vuurvaste delta – het driehoekige gedeelte tussen de drie elektrodepoorten – is de plek waar de meeste defecten aan de dakring ontstaan. Dit gebied ondervindt de meest intense stralingswarmte en de grootste temperatuurgradiënt tussen het watergekoelde staal en het vuurvaste oppervlak. De conventionele aanpak maakt gebruik van vuurvaste stenen met een hoog aluminiumoxidegehalte (85-90% Al2O3), wat een goede levensduur garandeert onder normale bedrijfsomstandigheden. Echter, wanneer de oven langdurig in bedrijf is of wanneer het schrootmengsel een hoog percentage DRI (Direct Recycled Instruction) bevat met de bijbehorende schuimende slak, wordt de vuurvaste delta zwaar belast.
Voor deze omstandigheden bevelen wij magnesiumoxide-koolstofstenen aan voor het deltagebied. MgO-C-stenen combineren de hoge vuurvastheid van magnesiumoxide (smeltpunt 2800 °C) met de slakbestendigheid van koolstof. De koolstof zorgt bovendien voor een goede thermische geleidbaarheid, waardoor de warmtebelasting gelijkmatiger wordt verdeeld en de temperatuur op hotspots met 50-80 °C daalt in vergelijking met stenen van alleen aluminiumoxide. Het nadeel is de prijs: MgO-C-stenen zijn ongeveer 40% duurder dan stenen van aluminiumoxide, maar de langere levensduur levert doorgaans een rendement van 2:1 op die extra investering.
Het ontwerp van de waterkoeling onderscheidt de degelijke dakringen van de uitstekende. De belangrijkste parameter is de watersnelheid door de koelkanalen. Bij een snelheid lager dan 1,5 meter per seconde bestaat het risico op kernvorming op de heetste plekken, waardoor stoomzakken ontstaan die het staal isoleren van het koelwater. Zodra er stoom ontstaat, kan de temperatuur van het staal binnen enkele seconden met 200 °C stijgen, wat kan leiden tot thermische vermoeidheidsscheuren. Wij ontwerpen met een minimale watersnelheid van 2,0 m/s in alle kanalen van de dakring, met hogere snelheden van 2,5-3,0 m/s bij de elektrodepoorten waar de warmteflux het hoogst is.
De stroomverdeling is net zo belangrijk als de totale stroom. Een dakring met ongelijkmatige koeling ontwikkelt thermische gradiënten in de structuur. Deze gradiënten veroorzaken differentiële thermische uitzetting, wat mechanische spanningen genereert bij de lasverbindingen – precies waar je geen spanning wilt. We gebruiken computermodellering van vloeistofdynamica (CFD) om te controleren of elk waterkanaal de ontworpen stroom krijgt voordat de ring in productie gaat.
De deltaconfiguratie – oftewel de manier waarop de elektrode-aansluitingen op het dak zijn geplaatst – beïnvloedt zowel de elektrische prestaties als de levensduur van het vuurvaste materiaal. Bij de standaard deltaconfiguratie bevinden de drie elektroden zich op de hoekpunten van een gelijkzijdige driehoek. De steekcirkeldiameter (PCD), oftewel de diameter van de cirkel die door de middelpunten van de drie elektroden loopt, is een kritische ontwerpparameter. Een te kleine PCD zorgt ervoor dat de vlambogen de zijwanden overmatig verhitten. Een te grote PCD leidt tot koude plekken tussen de elektroden, waardoor er bruggen van ongesmolten schroot ontstaan.
Voor een typische elektrische vlamboogoven (EAF) van 50 ton varieert de PCD (Peak Cut-Off Diameter) van 700 tot 900 mm, afhankelijk van het vermogen van de transformator. Een hoger vermogen betekent dat een grotere PCD kan worden gebruikt, omdat de langere vlambogen een groter stralingswarmtebereik bieden. De dakring moet de gekozen PCD kunnen accommoderen en tegelijkertijd een voldoende dikke vuurvaste laag tussen de elektrodepoorten en de buitenmantel behouden. We specificeren doorgaans een minimale vuurvaste laagdikte van 150 mm tussen elke elektrodepoort en de binnendiameter van de dakring.
De afdichtingen van de elektrodepoort verdienen aandacht. Elke opening rond de elektrodepoort is een pad waarlangs hete gassen kunnen ontsnappen en lucht kan binnendringen. Luchtinsluiting is met name problematisch omdat het koolstof van de elektroden verbrandt en stikstof aan het staal toevoegt. Een goed ontworpen dakring is voorzien van mechanische afdichtingen – ofwel grafietringen of veerbelaste roestvrijstalen ringen – die contact houden met de elektrode terwijl deze tijdens de regeling op en neer beweegt. De afdichting moet ongeveer 5 mm radiale speling voor de elektrodebeweging mogelijk maken, terwijl de gasdichtheid binnen 2-3% lekkage blijft.
Installatie en uitlijning zijn de punten waar de praktijk afwijkt van de technische theorie. Een dakring die op papier perfect is ontworpen, kan binnen enkele weken bezwijken als deze zelfs maar 3 mm scheef wordt gemonteerd. De ring moet perfect waterpas op de ovenwand liggen. Elke kanteling zorgt voor een ongelijke belasting van het vuurvaste materiaal en een ongelijke waterstroomverdeling. Wij leveren onze dakringen altijd met een machinaal bewerkt referentieoppervlak en leveren centreerpinnen die aansluiten op de flens van de ovenwand. Voordat de montagebouten worden vastgedraaid, moeten de monteurs de waterpasheid controleren met een precisiewaterpas (nauwkeurigheid 0,02 mm/m) op vier punten rondom de ring.
De onderhoudsintervallen zijn afhankelijk van de bedrijfspraktijk. Onder normale omstandigheden – 20 smeltcycli per dag, een typische schrootmix – dient de vuurvaste laag na elke 200 smeltcycli te worden geïnspecteerd. Let op erosie die meer dan 50% van de oorspronkelijke dikte van de vuurvaste laag bedraagt, scheuren die breder zijn dan 3 mm en afbrokkeling aan de randen van de elektrodepoorten. De watergekoelde panelen moeten elke 500 smeltcycli worden getest op een druk van 1,5 keer de bedrijfsdruk. Elk paneel dat een drukval van meer dan 5% vertoont binnen 15 minuten, moet worden verwijderd en gerepareerd.
De dakringen van MONTE INTELLIGENCE zijn ontworpen voor een minimale levensduur van 2000 verhittingen onder normale bedrijfsomstandigheden. De werkelijke levensduur in de praktijk varieert van 1800 tot 3500 verhittingen, afhankelijk van de toepassing. Het verschil tussen de ondergrens en de bovengrens is te wijten aan de hierboven beschreven operationele procedures: waterkwaliteit, materiaalkeuze en nauwkeurige uitlijning.
Als u een vervanging van de dakring van uw elektrische vlamboogoven (EAF) plant of een nieuw ovenproject overweegt, neem dan contact op met ons engineeringteam via helenxu@cnlymonte.com. Wij kunnen een gedetailleerd technisch voorstel opstellen, gebaseerd op uw specifieke ovenconfiguratie, schrootmix en productiedoelstellingen.
