De toepan: sleutel tot kwaliteit bij continu staalgieten

De toepan en haar rol bij continu gieten van staal

Continu gieten van staal is een wijd toegepast proces en een belangrijke stap in de productie van staal. Het aandeel van continu gegoten staal over de hele wereld is significant toegenomen sinds de introductie van het continu gietproces in de jaren 1950. Op dit moment is dit aandeel ongeveer 97%. Echter, gelijktijdig met deze toename in het gebruik van het proces, zijn strenge kwaliteitseisen cruciaal geworden in het gezicht van progressief toenemende doorvoersnelheden van de continu gietmachines en grotere afmetingen van de gegoten producten.

In het continu gietproces, voor de overdracht van het vloeibare staal van een staalgietkraan naar de kok, wordt een intermediair vat, een toepan genoemd, gebruikt. De toepan bevindt zich boven de kok, om het vloeibare staal van de staalgietkraan te ontvangen en het naar de kok te voeden met een gereguleerde snelheid. Het is nodig om het vloeibare staal gelijkmatig en met een ontworpen doorvoersnelheid en temperatuur aan de kokken te leveren zonder besmetting door inclusies. Het vloeibare staal stroomt uit de kraan in de toepan die de discontinu secundaire metallurgische processen verbindt met het continu gietproces.

De toepan gladst de stroom, reguleert de staaltoevoer aan de kok en zuivert het metaal. Metaalrestanten die binnenin een toepan achterblijven, worden toepanschedels genoemd en moeten verwijderd worden, typisch door mechanische middelen (schrapen, snijden). Op deze manier herwonnen schroot wordt normaal gerecycled in het staalproductieproces.

Belangrijke functies van de toepan

De toepan vervult de belangrijke rol van buffervat tussen het batch-kraanproces en het continu gietproces. Het is ook het laatste metallurgische vat voor continu gieten en dus speelt het een essentiële rol in het leveren van staal met de juiste samenstelling, temperatuur en kwaliteit. Deze functie is de afgelopen decennia steeds belangrijker geworden met toenemend strenge eisen aan de kwaliteit van staalproducten.

De bijdragen van de toepan in het proces van continu gieten zijn: (i) om stabiliteit van de vloeibare staalstromen die de gietkok binnenkomen te bereiken, en omgekeerd, een constante giet snelheid te bereiken, (ii) om een reeks heats te gieten, (iii) om de lege staalgietkraan te wisselen voor een volle staalgietkraan zonder de stroom van vloeibare staal in de kokken te onderbreken, (iv) om een gemengde kwaliteit te maken met staal van twee verschillende kwaliteiten van twee verschillende heats, indien nodig, (v) om de mogelijkheid te bieden om inclusies en slak te voorkomen dat ze de toepan binnengaan en dus in de kok glijden, (vi) om oxide-inclusiescheiding te verbeteren, (vii) om een constante vloeibare staalhoogte boven de mondstukken naar de kokken te handhaven, waardoor de staalstroom constant blijft en dus de giet snelheid ook constant is, en (viii) om meer stabiele stroompatronen aan de kokken te bieden.

De hoofdfunctie van de toepan is om een staalreservoir te zijn tussen de staalgietkraan en de kok, en in het geval van multi-streng continu gietmachines om het vloeibare staal te verdelen over de verschillende kokken. De toepan zorgt voor de voeding van het vloeibare staal aan de continu gietmachine tijdens de wissel van staalkranen, dus fungeert als een buffer van vloeibare staal. Aangezien de toepan fungeert als een reservoir van vloeibare staal tijdens de periode van kraanwisselperiodes en aangezien het doorgaat met het leveren van vloeibare staal aan de kokken wanneer de binnenkomende vloeibare staal is gestopt door kraanwissel, maakt het het gieten in reeks door een aantal kraan mogelijk.

Ontwerp en typen toepannen

De toepan is een vuurvaste-uitgeklede vat met een verscheidenheid aan mogelijke geometrieën. Het is een rechthoekig, groot-eind-op vuurvaste-uitgeklede open container die een vuurvaste-uitgeklede deksel op de top kan hebben. Er zijn verschillende typen en vormen van toepannen. Toepannen zijn normaal van uitgerekte en geometrisch eenvoudige vorm. De vorm van de toepan is typisch rechthoekig, maar delta- en 'T'-vormen worden ook soms gebruikt. Een veelvoorkomend toepanontwerp voor multi-streng billet en bloom continu gietmachines is een gootvorm met een gietkast verspringend op het middenpunt. Voor de platen continu gietmachines is de toepan normaal een korte doos of van een vat-vorm.

De toepan is ontworpen om het vloeibare staal met een ontworpen uitvoersnelheid te leveren zonder grote fluctuaties in de stroom. De stroomsnelheid wordt primair gecontroleerd door de diepte van de smelt. Verdere controle van de uitlaatstroom kan worden uitgevoerd door middel van stoppers of schuifkleppen. Het aantal uitlopen hangt af van het type gieten dat wordt uitgevoerd. Het aantal kokken waaraan de toepan het vloeibare staal levert, is normaal 1 tot 2 voor een platen continu gietmachine, 2 tot 6 voor een bloom continu gietmachine en 2 tot 8 voor een billet continu gietmachine.

De toepanbodem heeft een of meer gaten met schuifklep(p en) of stoppers voor het controleren van de metaalstroom. Het wordt gebruikt om vloeibare staal in de kok(s) van een continu gietmachine te voeden, om spatten te voorkomen en een gladde stroom te geven. De afgiftesnelheid van vloeibare staal in de kok wordt constant gehouden door de diepte van het vloeibare staal in de toepan constant te houden.

Een toepan wordt vaak in twee secties verdeeld. De eerste sectie heet inlaatsectie, die normaal een gietkast heeft en waar vloeibare staal uit de kraan wordt gevoerd. De tweede sectie heet uitlaatsectie, waaruit vloeibare staal in de kok wordt gevoerd. De gietstroom van de kraan wordt naar beneden gericht naar een positie in de toepanbodem die beschermd is met een slijtvast impactkussen. Deze positie is normaal zo ver mogelijk van de toepanmondstuk om turbulentie te minimaliseren. Op andere locaties is de toepan bekleed met vuurvaste bekleding.

De toepan biedt een continue stroom van vloeibare staal en fungeert als een secundair raffinageapparaat. Het stroomgedrag in de continu giet toepan domineert de kwaliteit en zuiverheid van de staalproductie. De raffinage van vloeibare staal in de toepan wordt uitgevoerd door opzwemming van niet-metallische inclusies aan het oppervlak tijdens de verblijftijd. Deze opgedreven inclusies worden van het oppervlak verwijderd. De toepanstroom speelt een essentiële rol in het controleren van de inclusieverwijdering en verblijftijdberekening. Voor het bereiken van de optimale stroomkenmerken van de toepan, worden stroomcontroleapparaten ingezet.

Verschillende stroomcontroleapparaten zoals dammen, overloopdammen, schotten met gaten etc. zijn normaal langs de lengte van de toepan gerangschikt. Een langer pad van vloeibare staal is gewenst om de verblijftijd van vloeibare staal in de toepan te verlengen om opzwemming van macro-inclusies te bevorderen. De stroomcontroleapparaten verminderen ook de nadelige effecten van turbulentie op het vloeibare staaloppervlak, de vloeibare staalstromen die de kok binnenkomen, en de dode zones.

Toepanstroomoptimalisatie is noodzakelijk met betrekking tot grootte, vorm, slijtage, en schotten en voor de voorspelling van de mengtijd. De voordelen van de toepanstroomoptimalisatie zijn: (i) verbetering van de meng- en homogenisatietijd, (ii) identificatie van inactieve stroomgebieden (dood water), (iii) gebieden van verlengde vuurvaste slijtage, (iv) scheiding van niet-metallische inclusies, en (v) controle van temperatuurschichting.

Mondstukken voor het beschermen van de gietstroom tegen re-oxidatie tussen kraan en toepan, en toepan en kok, worden tegenwoordig bijna op alle continu gietmachines gebruikt, ten minste bij het gieten van hoge-kwaliteit stalen. Ze zijn langs de bodem geplaatst voor de verdeling van vloeibare staal naar de kokken. Zowel stoppereguleerde mondstukken als schuifkleppen van diverse ontwerpen worden gebruikt om de staalstroom van de kraan naar de toepan en van de toepan naar de kok te controleren. Het vrije oppervlak van het vloeibare staal in de toepan wordt normaal bedekt met toepanflux om re-oxidatie en warmteverliezen van het vloeibare staal te voorkomen.

De afgiftesnelheid van vloeibare staal wordt gecontroleerd door de boorgaten van het mondstuk en de ferrostatische druk (hoogte van vloeibare staal in de toepan) boven het mondstuk. Verschillende boorgaten worden geselecteerd afhankelijk van de doorsnede die gegoten wordt en de benodigde giet snelheid. Stoppereguleerde mondstukken worden gebruikt voor het gieten van platen en grote profielen wanneer aluminium-gedoodde stalen geproduceerd worden. In deze toepassing wordt de afgiftesnelheid van vloeibare staal door het mondstuk handmatig of automatisch gecontroleerd door de instelling van de stopperp in verhouding tot de mondstukopening. Vroeger werden overgrote mondstukken gebruikt voor het gieten van aluminium-gedoodde stalen vanwege de opbouw van alumina, zodat de stopperp verhoogd kon worden om te compenseren voor een vermindering in stroomsnelheid.

Recente ontwikkelingen in deoxidatiepraktijken samen met het gebruik van argon-bubbeling door de stopperp en mondstuk-eenheden hebben het alumina-opbouwprobleem geminimaliseerd. Een andere ontwikkeling in het controleren van vloeibare staalstroom van de toepan is de toepassing van schuifkleppsystemen die vergelijkbaar zijn met die op kraanen toegepast. Het schuifkleppsysteem voor de toepan bestaat normaal uit drie platen en kan ook de mogelijkheid bieden om mondstukken tijdens het gieten te wisselen alsook de mondstukgrootte te veranderen. Afbeelding 1 toont een toepan in een continu gietmachine samen met zijn componenten.

Toepannen worden normaal voorverhit voor het gieten om warmteverliezen van het vloeibare staal tijdens de initiële stadia van het gieten te minimaliseren en dus metaalverstolking te voorkomen, met name in de kritieke mondstukgebieden. Toepandekselen worden ook gebruikt om stralingswarmteverliezen gedurende de gietoperatie te reduceren.

Toepanwagen wordt gebruikt voor de overdracht van een toepan. Het is een zelfgedreven wagentje dat een toepan transporteert. Elke toepan wordt op een hoge temperatuur verhit door een verhitingsapparaat op een stand-by positie en wordt naar het gietstation getransporteerd door de toepanwagen onmiddellijk voordat het gieten begint. Naast de transportfunctie, omvat de toepanwagen een tillingsfunctie voor het inbrengen van een gedompeld mondstuk gerangschikt aan de bodem van elke toepan in een kok, een centreringfunctie voor het aanpassen van de positie van het gedompelde mondstuk, en een automatische vloeibare staalniveau-controlefunctie voor het constant houden van het vloeibare staal op een constant niveau om onzuiverheden door opzwemming te scheiden. De grootte van de toepanwagen neemt normaal toe naarmate het aantal strengen toeneemt, en de interferentie met aangrenzende apparaten wordt strakker. Daarom is het vereist om een mechanisme te hebben dat mager is in termen van structuurdynamica.

De toepanwagen is normaal van half-gehangen ontwerp en gemonteerd aan het hoofdbedieningsplatform. Het is normaal hydraulisch aangedreven en wordt gebruikt om de toepan te ondersteunen en te vervoeren voor gieten of verwarmen. Een van de belangrijke apparaten van de automatische vloeibare staalniveau-controle is een weegapparaat, dat nodig is om het gewicht van het vloeibare staal in elke toepan met hoge nauwkeurigheid te meten terwijl het gewicht van tijd tot tijd verandert. De toepanwagen incorporeert het weegmechanisme voor de gewichtsmeting om het gewicht van vloeibare staal continu te laten monitoren.

Zowel vanuit het steady-state als non-steady-state perspectief, is de toepan vereist om te voorzien in: (i) voldoende volume om kraanwissels te overbruggen, (ii) een geschikte werkdiepte, (iii) uniforme stroomverdeling naar alle strengen, (iv) optimale verblijftijd voor inclusie-opzwemming, (v) een rustig oppervlak, (vi) thermische en chemische isolatie, inclusief geschikte vuurvaste materialen, en (vii) lage drainage-gewichts-capaciteit om opbrengst te optimaliseren.

De toepan als metallurgisch reactorbak

Er is een constante vraag naar staal met verbeterde eigenschappen, zoals verhoogde sterkte, duktiliteit, duurzaamheid, en corrosieweerstand, wat nodig is voor een grote verscheidenheid aan toepassingen. Er is ook de wens om het staalproductieproces meer energie- en kostenefficiënt te maken en om milieukwesties aan te pakken. Deze kwesties hebben de evolutie van de toepan naar een metallurgische reactorbak bevorderd, met de functie om de finale controle over de eigenschappen van de smelt voor het gieten uit te oefenen om een eindstaalproduct met de gewenste mechanische eigenschappen te verkrijgen.

Aangezien de toepan de finale stap is in het staalproductieproces voor het gieten, presenteert het ook de laatste kans voor de samenstellingscontrole van het vloeibare staal. De hoofdbvorm van samenstellingscontrole in de toepan is door het beperken van het aantal en de grootte van niet-metallische inclusies in het vloeibare staal wanneer het gieten plaatsvindt.

Tijdens de overdracht van vloeibare staal door de toepan, interageert vloeibare staal met de vuurvaste materialen, slak, en de atmosfeer. Met voortdurende nadruk op de kwaliteit van staal, is het nu steeds duidelijker dat de toepan een veel belangrijkere functie heeft als continue metallurgische reactor dan oorspronkelijk beoogd. Daarom is het juiste ontwerp en de bediening van een toepan belangrijk voor het leveren van staal met strikte samenstelling en kwaliteit. Een moderne toepan is ontworpen om maximale mogelijkheid te bieden voor het uitvoeren van diverse metallurgische operaties zoals inclusiescheiding, opzwemming, legering, inclusiemodificatie door calciumbehandeling, oververhittingscontrole, thermische en samenstellingshomogenisatie, wat leidt tot de ontwikkeling van een apart gebied van secundaire raffinage van staal, aangeduid als 'toepan-metallurgie'.

De afgelopen jaren hebben er dramatische veranderingen plaatsgevonden in de continu giet toepan. Van een puur reservoir en verdelingsvat, wordt de toepan vandaag de dag gezien als een staalraffinagevat. De toepan vult vandaag de dag ook bepaalde metallurgische functies in zoals het voeden van het vloeibare staal aan de kok met een gecontroleerde snelheid, en thermische en chemische homogenisatie etc. Het richt zich ook op de continue verbetering van veel kwaliteitsgerelateerde parameters zoals vloeistof-dynamica, thermische isolatie, inclusie-opzwemming en -verwijdering, en waterstof-opname etc.

De continu giet toepan heeft verschillende rollen, waaronder: (i) een kritieke schakel in de staalproductieketen van kwaliteit, (ii) een continue raffineerder, en (iii) een zender van metallurgische signalen. De kern van het proces blijft dat een onbeheerste toepan een verontreiniger wordt in plaats van een raffineerder. Het is onmiskenbaar dat de toepan evenveel deel uitmaakt van schone staalpraktijken als de kraan ervoor en de kok erna. Als de kwaliteit die in het staal is aangebracht in de primaire en secundaire staalproductieprocessen in de toepan verloren gaat, hangt de capaciteit om een kwaliteitsproduct te produceren dat de beoogde toepassing meet, volledig af van herstel in de kok. Dit is een veel moeilijkere taak, rekening houdend met de beperkte tijd dat het staal in de grenzen van de kok verblijft, wat een eindige capaciteit biedt om het staal in het laatste stadium vóór complete verstolking te zuiveren.

Het bovenoppervlak van de toepan moet beschermd worden tegen de atmosfeer. In de meeste continu gietmachines wordt dit bereikt door de toevoeging van een toepanflux-laag. De toepanflux-laag creëert een oppervlakteslak. Naast de behoefte aan inclusie-absorptie, zijn de hoofdfuncties van de toepanslaklaag thermische isolatie, chemische isolatie, en buffering van kraanslak. Toepanslakbedekkingen kunnen complexe ingenieursgewijs multi-component chemische mengsels zijn zoals basische fluxes (kalk/silica verhouding groter dan 2), of zo eenvoudig als zuivere chemische isolerende zure slakken, zoals verbrande rijsthulpassen of diatomeeënaarde, die allebei essentieel uit silica bestaan.

De toepan wordt gezien als een verontreiniger van vloeibare staal. De hoofdoorzaken van inclusievorming en verontreiniging van het vloeibare staal omvatten deoxidatieproducten, staalkraan-bekledingsslijtageproducten, invoering van kraanslak meegenomen uit de kraan, invoering van toepanslak door overmatige fluctuatie met name in de inlaatzone, re-oxidatie van het staal door lucht in de toepan, neerslag van inclusies bij lagere temperatuur zoals TiO₂-inclusies, erosie van toepanbekleding, en emulsificatie van diverse slakken in het vloeibare staal. Aanzienlijke verontreiniging treedt normaal op tijdens overgangsperioden van de sequentiële gieting, d.w.z. tijdens kraanwissel bij de overgang van twee heats.

De verontreinigingen of inclusies moeten uit het vloeibare staal opgedreven worden tijdens de stroom door de toepan voordat het vloeibare staal in de kok van de gietmachine wordt gevoerd. Inclusies kunnen verwijderd worden door de mechanismen die omvatten: (i) opwaartse dryfkracht en absorptie aan de bovenslak, (ii) vloeistofstroomtransport, (iii) argon-gasbel-opzwemming, (iv) inclusiegroei door botsing en 'Ostwald-rijping en opzwemming', en (v) inclusieabsorptie aan bekledingsvuurvaste materialen. De eindbestemming van de inclusie omvat de bovenslak, de bekleding (veilige verwijdering) en de kok (mogelijke defecten in het gegoten product indien niet in de kok verwijderd).

Het aantal en de grootte van inclusies in de smelt die de toepan verlaat, worden verminderd door de vorming en groei van inclusies in de toepan te voorkomen, alsook door inclusies die meegenomen worden van de kraan naar de toepan te verwijderen. Het is daarom ook cruciaal dat de juiste praktijken worden gevolgd tijdens de kraanoperatie om de hoeveelheid inclusies in het vloeibare staal dat aan de toepan wordt geleverd, te verlagen.

Een andere belangrijke functie van de toepan is om de temperatuur van het vloeibare staal dat aan het continu gietproces wordt geleverd, te controleren. Aangezien het gieten van het vloeibare staal uit de kraan tot een uur kan duren, verandert de temperatuur van de instroom met de tijd. Gekoppeld met de warmteverliezen in de toepan zelf, kan de temperatuur van het vloeibare staal dat gegoten wordt, dus verwacht worden te fluctueren tijdens een gietreeks. Echter, de vloeibare staaltemperatuur beïnvloedt de kwaliteit en eigenschappen van het product, gietmachine-operatie, en vuurvaste slijtage. Het is daarom gewenst om fluctuaties te beperken en de temperatuur zo dicht mogelijk bij de optimale waarde te houden. Aangezien de toepan als een buffertank werkt, kunnen fluctuaties in de temperatuur van het vloeibare staal dat aan de gietmachine wordt geleverd, aanzienlijk verminderd worden als de menging in de toepan voldoende is.

Er zijn diverse studies uitgevoerd op de toepannen om de voordelen van de beschikbare verblijftijd voor de opzwemming en assimilatie van reactieproducten van het vloeibare staal in de slakfase te maximaliseren. De reactieproducten kunnen de producten zijn van deoxidatie, re-oxidatie, neerslag, emulsificatie en/of invoering van vuurvaste componenten in het vloeibare staal, en dus zowel inheemse als exogene inclusies omvatten. Op basis van een goed keuze van toepanontwerp, moet de bediening van een toepan gericht zijn op: (i) inclusie-opzwemming te bevorderen door verblijftijd te maximaliseren, (ii) inclusie-assimilatie te garanderen door een gevangen en non-corrosieve slak, (iii) thermische en chemische verliezen van het vloeibare staal te reduceren, (iv) kortsluiting en dode gebieden te minimaliseren, en (v) de operator een optimaal ontwerp voor kwaliteit en opbrengst te bieden.

De stroom door een toepan is een hydrodynamisch fenomeen. Het omvat de enkelvoudige fase turbulente vloeistofstroom, meervoudige fase vloeistofstroom als gas geïnjiceerd wordt vanaf de kraan-schroef, verblijftijdf verdeling, groei van inclusie met zijn beweging en verwijdering, menging en kwaliteitsovergang, thermische energietransport, en vortexvorming aan het begin en het einde van het gieten. Het doel van vloeistofstroomoptimalisatie in de toepan is om het beste stroompatroon te bereiken om inclusies uit het vloeibare staal te verwijderen. Stroomoptimalisatie in de toepan kan bereikt worden door de toepanvorm en stroomcontroleapparaten zoals turbulentierekkers, impactkussens, schotten, overloopdammen en dammen. Een toepan moet zodanig ontworpen worden om een optimale stroom te realiseren en dus hogere zuiverheid door te voorzien in: (i) hoge gemiddelde verblijftijd, (ii) kleine ernstige turbulentie, dode en kortsluitingsvolumes, (iii) groot volume van laminare stroomregio, (iv) gedwongen coagulatie in geschikte turbulente zones en opzwemming van inclusies, geassimileerd door dekkslak, en (v) het vermijden van 'open (rode) oog' wat onbedekt oppervlak van vloeibare staal tegen luchtabsorptie creëert.

De basis voor het vinden van oplossingen voor de toepan-metallurgie uitdagingen, zijn er enkele basisvereisten. Deze vereisten omvatten: (i) gebruik van een toepangrootte geschikt voor de shop's pacing en overgangsvereisten, (ii) heats moeten op tijd worden gezonden met vloeibare staal op juiste temperatuur, en naar behoorde schoon, (iii) maximalizatie van kraan-vrije open prestaties, (iv) openen van de heats gedompeld en volledig afgeschermd, (v) gebruik van automatische kraanslakdetectie en afsluiting voor het vermijden van gemakkelijk reduceerbare oxiden in slakken, bekledingen en vuurvaste materialen, (vi) ontwerpen van de slakken om aan de toepassingsvereisten te voldoen, (vii) waarborgen dat de overdrachtssystemen niet lekkend of luchtaspirerend zijn, (viii) ontwerpen van de toepanstroomcontroleapparaten (inclusief impactkussens) om opzwemming te maximaliseren en overgangen te minimaliseren, (ix) draaien van de toepan op zijn maximumvolume tijdens steady-state operaties, (x) gebruik van technologieën zoals inerte gas purgering om overgangseffecten te minimaliseren, (xi) continue monitoring van de temperatuur, indien mogelijk, (xii) vermijden van grote temperatuurschommelingen om een stabiele toepanstroom te handhaven, (xiii) begrijpen en oplossen van de basale oorzaken van verstoppingproblemen, en, (xiv) maximalizeren van opbrengst en productiviteit zonder de veiligheid van mensen en de kok in gevaar te brengen.

Toepan vuurvaste bekleding

Toepanbekleding is een ander belangrijk deel van het metallurgische systeem. De bekleding moet inert zijn en niet bijdragen aan exogene inclusies in het staal. Toepanvuurvaste materialen kunnen in twee categorieën verdeeld worden: (i) bekledingsvuurvaste materialen, en (ii) stroomcontroleapparaten.

Verschillende vuurvaste materialen geassocieerd met toepan omvatten toepanbekledingsmaterialen (zowel permanente als werkbekleding), dammen en overloopdammen, impactkussen, stroomcontrolsysteem (mono-blok stopp of schuifklep), gietstroombescherming tussen toepan en kok (schroef of gedompeld inlaatmondstuk), toepanmondstuk, en zitblok. Dammen en overloopdammen zijn gemaakt van magnesia-platen of alumina-stenen. Vloeibare staal van toepan naar kok wordt gevoerd door mondstuk gedompeld in het vloeibare staal in de kok. Gedompelde inlaatmondstukken moeten bestendig zijn tegen corrosie en afspalling. Mondstukverstopping is ook belangrijk. Isostatisch geperste gedompelde inlaatmondstukken met alumina-grafiet-gefuseerde silica worden normaal gebruikt.

De vuurvaste materialen in de toepan zijn noodzakelijk voor ononderbroken, veilige, en, natuurlijk, winstgevende kwaliteitsproductie in het gietproces. Opgeofferd van aard, hebben de vuurvaste materialen een meetbare kosten- en kwaliteitsimpact op het staalproductieproces, en moeten daarom gecontroleerd worden. In het benutten van de stroom en energie van het staal in de toepan, helpen de vuurvaste materialen de toepan om te veranderen in een continue raffinagevat, zowel door hun fysieke aanwezigheid als door gecontroleerde chemische reacties.

Het toepanbekledingsmateriaal heeft een directe invloed op de kwaliteit van het vloeibare staal, aangezien het dicht bij het verstolking-stadium is. De toepan-werkbekleding blijft in contact met staal en erosie wordt geïnitieerd aan het vloeibare staal-lucht-interface met fluctuaties van het vloeibare staalniveau in de toepan. Verschillende metaaloxiden aanwezig in het vloeibare staal zijn de primaire erosieve agenten voor de toepan-vuurvaste bekleding.

De vuurvaste bekleding van een toepan heeft een gedefinieerde levensduur afhankelijk van de kwaliteiten van de bekleding en de typen toepanslak. Chemische reactie tussen de vuurvaste werkbekledingslaag en de toepanslak is heel belangrijk, vooral in het geval van hoge reeks gieten.

Het is gewenst dat de toepan-vuurvaste materialen een aantal verschillende functies vervullen, waaronder: weerstand tegen vloeibare staal (hoge solidus-temperatuur), weerstand tegen toepanslak, lage warmteleiding (goede thermische isolatie-eigenschappen), goede stabiliteit (geen erosie van vuurvaste materialen tijdens gieten), hoge weerstand tegen thermische schok, chemische inertheid, moeten na gebruik afvoerbaar zijn, en redelijk in prijs. Verder moeten toepan-vuurvaste materialen lage zuurstofpotentieel hebben, goede mechanische weerstand, makkelijk deskulling, en lage waterstof-opname door staal.

Of vuurvaste materialen in de toepan nu direct met staal in contact komen of niet, een verkeerde selectie of toepassing van deze materialen kan ramppellijke gevolgen hebben, en kan de veiligheid van het bedienend personeel beïnvloeden. Essentieel voor bescherming tegen het potentieel voor staalpenetratie en uiteindelijke toepan-uitbarsting is niet alleen het selecteren van materialen met de juiste isolatie, warmtekracht, en erosie-weerstandseigenschappen, maar ook het vermijden van recht-door-gewrichten. Trappen in de vuurvaste materialen bieden kansen voor staal om te bevriezen, in het geval het penetrateert, met het geschelpte staal die een mate van retentie van het bovengelegen vloeibare staal biedt.

De vuurvaste materialen gebruikt in de toepan moeten hoge stabiliteit en speciale eigenschappen hebben. De toepan is een van de belangrijkste gebieden van vuurvaste toepassing en dus ook een van de grootste 'kostencontrolecentra' in het continu gietproces. Verschillende vuurvaste materialen geassocieerd met toepan zijn toepanbekledingsmaterialen (permanente en werkbekleding), dammen en overloopdammen, impactkussen, stroomcontrolsysteem (mono-blok stopp of toepanschuifklep), gietstroombescherming tussen toepan en kok (schroef of gedompeld inlaatmondstuk), toepanmondstuk, en zitblok. Voor toepanbekleding zijn er een aantal verschillende bekledingpraktijken. Afbeelding 2 toont een typische toepan samen met zijn vuurvaste materialen.

De verschillende toepan-vuurvaste bekledingpraktijken kunnen in vijf grote typen gecategoriseerd worden: (i) stenen bekleding, (ii) inspuitbare bekleding, (iii) toepanplaat-bekleding, (iv) sproeibare bekleding, en (v) droge bekleding.

Stenen bekleding

Het concept van vuurvaste stenen bekleding is initieel toegepast voor toepanbekleding toen continu gieten in de jaren 1950 geïntroduceerd werd. Deze bekledingen waren van hoog-alumina stenen en waren essentieel een uitbreiding van kraan-vuurvaste praktijken naar de toepan. Er waren een aantal problemen geassocieerd met dit type bekleding wat leidde tot de ontwikkeling van alternatieve bekledingpraktijken.

Inspuitbare bekleding

Inspuitbare bekledingen zijn commercieel in Japan gestart om sommige van de problemen geassocieerd met de stenen bekleding te overwinnen. Initieel waren dit alumino-silicaat-gebaseerd en later geconverteerd naar magnesia-gebaseerd of basisch type om te helpen bij de metallurgische praktijk. Deze bekleding leverde een monolithische, gewrichtsvrije structuur en relatief verbeterde deskulling, maar weinig werd gewonnen in de vorm van voorverhittingstijden of warmteverliezen door de relatief hoge dichtheid van de inspuitbare bekledingen. Er was nog steeds een neiging voor de bekledingen om te scheuren en te spallen tijdens snelle voorverhitting. Dit sloot ook het gebruik van inspuitbare bekledingen uit voor koude-start praktijken.

Toepanplaat-bekleding

Een nieuw type toepan-slijtbekleding werd in midden jaren 1970 geïntroduceerd. Deze bekleding bestond uit platen-systemen bestaande uit lage-dichtheid, hoog-isolerende, afvoerbare, voorgevormde, en voorgehardde vuurvaste platen. Makkelijke deskulling, geen apparatuurinvestering en de lage kosten van de silica-variëteit droegen ook bij aan de vluchtende populariteit onder veel staalmakers. Initieel werden silica-gebaseerde platen gebruikt die alleen 'koude start' praktijk toestonden. Magnesia-gebaseerde platen werden in midden jaren 1980 geïntroduceerd om te voldoen aan de vereiste van voorverhitbaarheid, d.w.z. een 'warme start' praktijk voor lage waterstofoverwegingen bij de vervaardiging van hoge-legering kwaliteitsstalen. Echter, de arbeidsintensiteit, aanwezigheid van gewrichten en zand-achtervulling, en breuken etc. bleven inherente handicaps van het platen-bekledingssysteem. Echter, het platen-bekledingssysteem is populair in plaatsen waar arbeidskosten laag zijn en toepassingstechnologieën niet direct beschikbaar zijn.

Sproeibare bekleding

De ontwikkeling van sproeibare bekleding heeft plaatsgevonden om moeilijkheden geassocieerd met andere bekledingpraktijken te overwinnen en om een duw te geven naar de automatisering van het toepanbekledingssysteem. In dit sproeibaar bekledingssysteem kan dikke slurry na door middel van mengen, en uiteindelijk op de toepan worden gedeponeerd na 'atomiseren' met gecomprimeerde lucht. Het eerste robotische toepassingssysteem werd in 1982 in gebruik genomen, wat vanaf de tweede helft van de jaren 1980 breed gebruikt werd vanwege de significante voordelen van lagere plaatsingsdichtheid en betere controle van de bekledingsdikte dan inspuitbare bekledingen. Het was niet langer nodig om het droge poeder na vloeibaarmaking (zoals vereist bij inspuiten) over te dragen. Dit maakte de toevoeging van vezels en andere chemicaliën aan de massa en homogene menging en depositie een realiteit. De bekleding kon voorverhit worden en de giet in een 'warme start' modus genomen worden, of toegestaan om af te koelen tot kamertemperatuur en genomen als een 'koude start' toepan. Terwijl uitharden, moet de sproeibare bekleding gecontroleerd worden om bekledingsintegriteit te waarborgen en dit vereist dat de toepan-permanente bekleding ideaal onder de 100 °C is voor bevredigende plaatsing. Natte processen zoals sproeibare bekleding met maximaal 30% water toevoeging per gewicht en de aanwezigheid van slangen en lekkages kunnen operationele gezondheids- en veiligheidskwesties in de staalfabriek veroorzaken.zelfs toen was dit sproeibekledingssysteem in staat om veel van de voordelen van platen en inspuiten te combineren, terwijl nadelen zoals gewrichten, zand-achtervulling, terugkaatsverliezen, stofproblemen, en slechte isolatie etc. werden geëlimineerd.

Droge bekleding

Droge bekledingen voor toepan werden in Europa waarschijnlijk in 1986 geïntroduceerd. Het systeem verschilt van alle eerdere processen in de zin dat het in een droge poedervorm wordt toegepast en geen toevoeging van water vereist om de toepan-werkbekleding te vormen. Normaal gebruikt het een hars-binding (binder/katalysator-reactie) die geactiveerd wordt door relatief lage hoeveelheden warmte (rond 160 °C). Trilling kan of kan niet vereist zijn, afhankelijk van het product dat gebruikt wordt, maar het is essentieel om een vormbuis te gebruiken en het droge poeder wordt in de ruimte tussen de toepan-permanente bekleding en de vormbuis gevoerd. Hete lucht wordt bij ongeveer 400 °C geïntroduceerd en de verwarmingscyclus duurt ongeveer 45 minuten met nog eens 30 minuten voor afkoeling. Dus veel tijd kan bespaard worden. Aan de negatieve kant, heeft het droge systeem lagere isolatie door hogere dichtheid.