Vijflaags isolatiesysteem houdt 7500 ton staal warm

Geïsoleerde warmhoudkamers besparen 10 miljoen m3 gas per jaar
Isolatie is besparing. In een periode van drie jaar bespaarde Tata Steel al zo’n 30 miljoen kubieke meter gas dankzij vijflaags geïsoleerde warmhoudkamers. In drie compartimenten blijft 7.500 ton staal warm, in afwachting tot verwerking in de warmbandwalserij. Het isolatiesysteem beperkt de afkoeling tot ca. 25 °C per etmaal. De jaarlijkse besparing beloopt ongeveer 0,3 petajoule, een vol procent van het totale Nederlandse isolatiegerelateerde besparingspotentieel. Een volgende besparingsstap, vuurvaste bemetseling van de torpedowagons, bespaart nog eens 0,15 PJ. Deze besparingen neutraliseren het energiegebruik van 8.500 tot 9.000 huishoudens à 3500 kWh elektrisch vermogen plus 1.600 m3 gas.

Iedere 2,5 minuut levert de warmbandwalserij van Tata Steel in Velsen een coil staal af. Een groot deel van de 7,3 miljoen ton staal die de nationale trots jaarlijks produceert wordt in batches van 330 ton volgens dit proces verwerkt, in een geautomatiseerd systeem binnen nauw afgestelde condities. De intern gehanteerde toleranties liggen consequent scherper dan de afleveringsspecificaties. Dit garandeert probleemloze veelal automatische verwerking en optimale eindproducten die vaak tientallen jaren functioneren. Criteria als vlakheid, oppervlaktekwaliteit, sterkte en buigradii zijn bepalend voor ontwerp, productie en kwaliteit van het eindproduct en liggen dan ook al in de engineeringsfase vast.

Energie-efficiëntie
Met een snelheid van 500 meter per minuut flitsen de aanvankelijk twaalf meter lange, twee meter brede en 22,5 cm dikke staalplakken van 42 ton roodgloeiend door de warmbandwalserij. Drie minuten later verlaat het als coil de walserij, op diktes van 1,5 tot 25 mm. Een klein gedeelte wordt verwerkt via de gietwalsinstallatie die – zoals het woord doet vermoeden – gieterij en warmbandwalserij in één procesgang integreert. De koudbandwals verwerkt het warmgewalste materiaal tot diktes van bijvoorbeeld het in de isolatiesector veel toegepaste 0,8 mm of bijvoorbeeld verpakkingsmateriaal van slecht 0,12 mm dikte.

De plakken zijn voorafgaand aan de walserij batchgewijs gegoten en gecodeerd. Procestechnisch gezien sluiten gietproces en walserij op elkaar aan: de staalplak verlaat op 1.200 tot 1.300 °C de gieterij en dat is ook de starttemperatuur voor de warmbandwals. In de praktijk is echter tussenopslag gebruikelijk c.q. logistiek noodzakelijk om materiaalspecificaties, procesvariabelen en productieplanning op elkaar af te stemmen. Het staal koelt ondertussen af en moet dus weer worden verhit.

Energieverlies is Tata een doorn in het oog, in maatschappelijke en economisch opzicht. Speciale interne expertgroepen analyseren Tata-bedrijfsprocessen op energiebesparingsmogelijkheden. De afdeling Projects & Technical Consultancy – kortweg PTC – nam het traject tussen hoogoven en warmband op de korrel. Uitgangspunt was plakken staal in de wachtrij op temperatuur te houden. Dit voorkomt dat plakken helemaal opnieuw moeten worden opgewarmd en voert de zogeheten ‘warme inzet’ met vijftien procent op.

Tata bouwde drie warmhoudkamers van elk 14 bij 23 meter en 4 meter hoogte. Hierin kan in totaal zo’n 7.500 ton staal worden opgeslagen, goed voor een halve dag productie. Via verschuifbare dakluiken kan een kraan plakken in de opslag deponeren en opnemen. De staalproducent heeft 4,5 miljoen euro geïnvesteerd in de opslag, geregeld aangeduid als ‘theemuts’. Deze beperkt de afkoeling in theorie tot slechts 25 °C per etmaal, dankzij een vijflaags HT-isolatiesysteem van in totaal 250 mm dikte. De luiken zijn zo geconstrueerd dat ze per gedeelte opengaan, zodat ook tijdens laden, lossen en rangeren zo min mogelijk thermische energie verloren gaat.

Direct op de wand van de warmhoudkamers – dus aan de ‘koude kant’ – zijn drie lagen à 50 mm vormvaste steenwolplaat aangebracht. Deze wordt toegepast voor thermische en akoestische isolatie tot 680 °C. Gebruikelijke toepassingen zijn onder meer ovens en fornuizen, waarbij Tata’s warmhoudkamers goed aansluiten. De drie lagen zijn onderling verspringend aangelegd, zodat naden ontbreken en warmte de wand niet eenvoudig kan bereiken.
Aan de binnenzijde zijn op vergelijkbare wijze twee lagen van 50 mm vuurvaste deken op basis van calciummagnesiumsilicaat aangebracht, geschikt voor hogetemperatuurisolatie tot 1.300 °C. Het geheel is vastgezet met Fiberfix hittebestendig ankers, waarbij gaasbekleding het gehele isolatiepakket stabiliseert.
Het isolatieresultaat is groot: zoals gezegd blijft de afkoeling bij gesloten warmhoudkamer beperkt tot 25 °C per etmaal. Zonder warmhoudkamer zou het staal al na 48 uur tot omgevingstemperatuur zijn afgekoeld, grofweg een factor vijftien sneller.

Viermaal winst
Normaal gesproken worden staalplakken per spoor uit de staalfabriek vervoerd naar het AOV-terrein (Afwerking, Opslag en Verzending). Bij directe verwerking is de temperatuur bij aankomst gedaald van 1.200 à 1.300 °C tot ca. 700 °C. Het eerste station van de warmbandwalserij is dan ook de plakkenoven, die het materiaal weer op 1200 °C brengt. Materiaal dat niet direct kan worden verwerkt, wordt nu opgeslagen in de warmhoudkamer. In de praktijk betekent dit dat het vervolgens niet vanaf omgevingstemperatuur maar vanaf gemiddeld 500 °C moet worden opgewarmd. Een aanmerkelijk verschil, dat bij een massa van 42 ton per plak imposante energiebesparingen oplevert, mede afhankelijk van bezettingsgraad van de wamhoudkamers, de frequentie waarmee de luiken moeten worden geopend en de interne ordening: als de kraan moet rangeren om de onderste plak boven te halen, blijft het luik langer open.

Besparing
Tata Steel investeerde 4,5 miljoen euro in dit project. Bij een energiebesparing van 10 miljoen kubieke meter gas per jaar betekent dit een terugverdientijd van anderhalf tot twee jaar. Dit is gebaseerd op een industriële gasprijs van € 0,032/kWh (bron: Eurostat) en een energie-inhoud van ca. 10,3 kWh/m3 gas.

Torpedowagons
Energiebesparing was ook de reden voor een volgend omvangrijk isolatieproject, het isoleren van de 25 ruwijzermengers, de zogeheten torpedowagons. Dit bespaart op jaarbasis 42 miljoen KWh energie, ruwweg het jaarlijks elektriciteitsgebruik van zo’n 10.500 huishoudens. Dit isolatieproject speelt zich enkele fasen eerder in het staalproductieproces af. Vloeibaar ruwijzer wordt uit de hoogoven getapt in ruwijzermengers. Deze 400 ton zware torpedowagons, vervoeren dit in ladingen van 400 ton naar de staalfabriek. Het ruwijzer heeft een temperatuur van zo’n 1.500 graden Celsius. Onderweg koelt het ruwijzer af. Dit temperatuurverlies is ongewenst voor de staalproductie: met heter ruwijzer kan efficiënter staal worden geproduceerd. Hiervoor is een extra vuurvaste isolatielaag in de 25 mengers aangebracht.

600.000 stenen metselen
De voering en de isolatielaag in de mengers bestaan uit vuurvaste stenen. Die zijn binnenin de mengers door medewerkers van de Ovenbouwkundige Dienst van Tata Steel met de hand opgemetseld. En dat is geen sinecure, want doordat de mengers torpedovormig zijn en taps toelopen moet je naast cilindrisch ook conisch metselen. Dat is heel specialistisch isolatiewerk. Voor het totale project zijn zo’n 600.000 vuurvaste stenen en zo’n 400 ton aan vuurvaste mortel en beton gebruikt. Hoewel Tata Steel de investering niet prijsgeeft en de terugverdientijd formuleert als ‘binnen enkele jaren’, lijkt ca. anderhalf jaar terugverdientijd een reële schatting.
Het project is zoals gemeld uitgevoerd door de eigen Ovenbouwkundige Dienst, gespecialiseerd in hogetemperatuur- en refractaire isolatie c.q. vuurvaste bemetseling. Een staalfabriek als Tata Steel heeft vanzelfsprekend zeer veel vuurvast isolatiewerk, waaronder de gietpannen waaruit de plakken worden gegoten, de converters in de oxystaalfabriek – de fijne keuken van Tata – en de nu nieuw geïsoleerde torpedowagons.