stanovení průběhu entalpie vyzdívky pro modelování

stanovení průběhu entalpie vyzdívky pro modelování

METAL 2005
24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí
STANOVENÍ PRŮBĚHU ENTALPIE VYZDÍVKY PRO MODELOVÁNÍ
OBĚHU LICÍCH PÁNVÍ V PODMÍNKÁCH OCELÁRNY
MITTAL STEEL OSTRAVA
DETERMINATION OF THE COURSE OF ENTHALPY OF LINING
FOR MODELLING OF CIRCULATION OF POURING LADLES AT
MITTAL STEEL OSTRAVA
Pavel Hašeka - Petr Tvardekb - Dalibor Jančara
a
b
FMMI VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava, ČR, [email protected]
ISPAT NOVÁ HUŤ. a.s., Vratimovská 689, 707 02 Ostrava, ČR, [email protected]
Abstrakt
Do automatizovaného systému řízení ocelárny společnosti MITTAL STEEL
OSTRAVA (dříve ISPAT NOVÁ HUŤ) byl začleněn „model tepelného stavu vyzdívky licí
pánve“. Model je schopen pracovat s jakýmkoliv typem vyzdívky pánve, pokud jsou známy
konstanty v příslušných algoritmech. Parametry pro konkrétní typ vyzdívky lze určit
proměřením teplotního profilu vyzdívky pánve přímo v provozních podmínkách. Hodnoty
parametrů (konstant) modelu pro dolomiovou a monolitickou vyzdívku, které jsou používány
v současné době ve společnosti MITTAL STEEL OSTRAVA vedle vyzdívky typu KOMEX
a ORIND pro sekundární metalurgii a následné kontinuální odlévání oceli, byly získány na
základě provozního měření změn teplotního pole vyzdívky a sledování tepelné práce pánve
v technologickém toku: tandemová pec – pánvová pec – plynulé odlévání včetně předehřevu
vyzdívky pánve po ukončení odlévání.
Abstract
The model of the thermal state of ladle lining was integrated into the automatized
control system of our steel plant. Model is able to work with any sort of refractory if constants
of right algorithms are known. Parametres for the right sort of the refractory lining can be
determined by measuring of the temperature field of lining during the operational testing.
Values of parametres of models for the dolomite and the concrete linings which are now used
in the MITTAL STEEL OSTRAVA company beside KOMEX and ORIND linings were
taken by the the plant measurements of the thermal field changes in the ladle lining and the
monitoring of the thermal processes in a ladle throughout the technological flow: tandem
furnace – ladle furnace – continuous casting and during preheating of the ladle lining after
steel casting.
1
METAL 2005
24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí
1. ÚVOD
V automatizovaném systému řízení ocelárny pracují dílčí technologické modely, které
jsou zaměřeny na sledování vlastního oběhu licích pánví a určení tepelného stavu jejich
vyzdívek v celém pracovním cyklu. Současné technologické podmínky ocelárny jsou
charakterizovány především provozem tří zařízení pro plynulé odlévání oceli, včetně
pánvových pecí, a použitím nových zařízení k předehřevu vyzdívek pánví. Uvedením do
provozu zařízení pro plynulé odlévání č. 2 a 3 vznikly v oběhu pánví nové technologické
úseky, které bylo nutno zahrnout do modelů řízení ocelárny. Na základě provozního sledování
oběhu pánve byly tyto nové úseky specifikovány, odvozeny algoritmy pro řešení změn
tepelného stavu vyzdívky pánve a vypočteny soubory konstant pro dva typy žárovzdorných
materiálů, korundo-spinelového žárobetonu a dolomitových staviv [1], [2], [4]. Rovněž byly
vytvořeny funkce pro řízení vysokoteplotního ohřevu pánví [3]. Funkce předehřevu vyzdívek
pánví zaznamenala v nových podmínkách ocelárny některé změny, které jsou dány dlouhou
dobou pobytu tekuté oceli v pánvi a tím i vysokou entalpií vyzdívky na konci lití. Souhrn
uvedených prací zajišťuje podmínky pro optimalizaci tepelné práce licích pánví v návaznosti
na zajištění vysoké kvality oceli odlévané na ZPO.
Pro návrh a optimalizaci vyzdívek pecí, pánví a jiných tepelných zařízení se rovněž
využívají matematické modely a počítačové programy zaměřené na minimalizaci tepelných
ztrát vyzdívek [9],[10].
V práci jsou uvedeny výsledky provozního měření teplotního pole vyzdívky a určení
průběhu entalpie obou výše uvedených typů vyzdívek (monolitické a zděné) pro řízení oběhu
licích pánví.
2. PROVOZNÍ MĚŘENÍ
Provozní měření spočívalo v instalaci termočlánků do jednotlivých vrstev vyzdívky
pomocí nichž bylo určeno teplotní pole vyzdívky licí pánve během celého provozu licí pánve.
Na základě těchto údajů byla vypočítána entalpie vyzdívky a soubory konstant.
Jelikož entalpie vyzdívky závisí na druhu a tloušťce používaných žárovzdorných
a izolačních materiálů, kterými je licí pánev vyzděna, je nutno provést provozní měření zvlášť
pro každý typ licí pánve. K provoznímu měření byla vybrána licí pánev s vyzdívkou
z korundo-spinelového samotekoucího betonu firmy VEITSCH – RADEX (dále jen betonová
pánev) a licí pánev vyzděna převážně dolomiovým stavivem (dále jen dolomiová pánev).
2.1 Vyzdívka betonové pánve
Pracovní vrstva vyzdívky stěny a dna pánve byla zhotovena z materiálu značky
ANKOFLO - V002. Pracovní vyzdívka struskového pásma byla zhotovena z magnezitouhlíkatého staviva značky ANCARBON - SL 32 vyrobeného firmou Veitsch - Radex. Pro
izolaci stěny pánve byly použity desky z keramického vlákna. Označení materiálu:
PYRONAP 50 firmy Frings Werke. Vyzdívka není zesílena v pásmu dopadu oceli při
odpichu.
•
vyzdívka dna
1. kříž
2. parket
3. půda
žárobeton ŽO 1200
šamot SNKI
beton ANKOFLO - V002
2
METAL 2005
24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí
•
vyzdívka stěny
1. pracovní vrstva beton ANKOFLO - V002
2. šamotová izolace šamot SNKI
3. vláknitá izolace PYRONAP-50
•
struskové pásmo
1. pracovní vrstva
2. výduska
3. izolace
ANCARBON-SL 32
PENTARAM (Dolomite Franchi)
šamot SNKI [5].
2.2 Vyzdívka dolomiové licí pánve
K provoznímu experimentu byla použita 230 tunová licí pánev s vyzdívkou navrženou
pro nové technologické podmínky ocelárny. Vyzdívka pánve je pásmová s pracovní vrstvou
z dolomiových staviv a magneziohlíkového staviva ve struskové zóně. Vyzdívka je zesílena
v oblasti dopadu proudu oceli po odpichu. V oblasti nad argonovací dmyšnou je v horní části
stěny vložena zóna z magneziouhlíkového staviva. Konstrukce jednotlivých pásem vyzdívky
je následující:
•
vyzdívka dna
1. kříž
2. parket
3. podsyp
4. půda
žárobeton ŽO 1200
šamotové normálky C30 SP35
dolomiová zásypová hmota
dolomiové tvarovky SINDOFORM T, tvar 5P0
• vyzdívka stěny
1. vláknitá izolace ASFILBOARD 120 ZK
2. šamotové tvarovky 16 N – K
3. dolomiová dusací hmota PENTARAM
4. dolomiové tvarovky PENTABRICK T1, tvar SU660
• dopadová oblast stěny - dolomiové tvarovky PENTABRICK HR27, tvar SU960
• struskové pásmo – MgO-C tvarovky KOMEX 96 MGP-12T, klíny 25/30 a 25/8
•
zesílení vyzdívky stěny v oblasti nad argonovací dmyšnou je zhotoveno
z magnezitouhlíkového staviva LOVINIT LIUB10, tvar SU760 [6].
2.3. Sledování teplotního pole vyzdívky
Provozní měření zahrnovalo celý cyklus oběhu licí pánve od ohřevu nové vyzdívky
a navazující technologický úsek „odpich tavby – sekundární zpracování oceli v pánvové peci
– odlévání na ZPO.“ Čidla pro měření teploty vyzdívky byla zhotovena z termočlánků typů B
a plášťových termočlánků typu K a byla rozmístěna tak, aby bylo možno získat co nejúplnější
údaje charakterizující teplotní pole vyzdívky v průběhu celého provozního cyklu pánve.
Vzhledem k tomu, že teplotní pole vyzdívky je rozhodujícím způsobem ovlivněno tepelnými
pochody v pracovním prostoru pánve, bylo nutno největší množství měřicích míst umístit
v blízkosti pracovního povrchu vyzdívky. Jak byly rozmístěny termočlánky v dolomiové licí
pánvi je znázorněno na Obr. 1. V betonové pánvi bylo rozmístění termočlánků velmi
podobné a pro obě pánve platí, že nejvíce měřících míst bylo umístěno ve střední rovině. [7].
Pro záznam teplot naměřených ve zvolených měřících místech byly použity měřící
ústředny Grant Squirell. Ústředna byla uložena v chlazeném tepelně izolovaném boxu
3
METAL 2005
24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí
navařeném na plášti pánve. Toto uspořádání umožnilo kontinuální záznam teplot vyzdívky
v průběhu všech technologických operací, kterými pánev prochází, včetně transportu pánve.
dolomitová výduska
magnezito-uhlík
hladina oceli
18 19
6
20
40
12 13 14 15
5
16
17
20
3120
40
60
80
152
1820
254
4
10 11
720
20
dolomitová
dusací
hmota
dolomit
460
310
7
3
2
220
1
40
šamot
8
žárobeton
9
Obr. 1. Rozmístění termočlánků na povrchu a uvnitř vyzdívky licí pánve.
4
vláknitá
izolace
ocelový
plášť
METAL 2005
24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí
3 VÝSLEDKY PROVOZNÍCH MĚŘENÍ
Výsledky provozního měření (především naměřené průběhy teplot ve zvolených
měřících místech, ale i další sledované údaje) byly využity, jak už bylo výše řečeno, ke
stanovení parametrů modelu hodnocení tepelného stavu licí pánve a následnému určení
tepelných ztrát vyzdívkou pánve a změny teploty oceli způsobené těmito ztrátami.
3.1 Model tepelného stavu vyzdívky licí pánve
Při určování tepelného stavu vyzdívky licí pánve byl pro současné podmínky přípravy
oceli v pánvi a kontinuální odlévání oceli pracovní cyklus sledované pánve rozdělen do těchto
dílčích časových úseků:
1. Sušení nově vyzděné pánve
2. Předehřev pánve před 1. tavbou
3. Chladnutí vyzdívky pánve:
a) po sušení nebo předehřevu před 1. tavbou
b) pod víkem ZPO
c) po ukončení lití (a zvednutí víka v případě ZPO)
d) pod víkem zařízení pro vysokoteplotní ohřev
e) po ohřevu mezi tavbami
4. Úsek od odpichu do konce lití
5. Ohřev pánve mezi tavbami:
a) po chladnutí vyzdívky pánve bez víka
b) po chladnutí pánve zakryté víkem
Jako nejvhodnější parametr pro definici tepelného stavu pánve byla zvolena entalpie
vyzdívky:
n
(
Ι = ∑ S i ⋅ si ⋅ ρ v i ⋅ c p i ⋅ t i
)
(J)
(1)
i =1
V našem případě byla k hodnocení tepelného stavu vyzdívky pánve zvolena entalpie
vyzdívky pánve vztažená na 1 m2 pracovního povrchu vyzdívky:
Ι vyzd = Ι S p
kde:
n
i
s
ρv
cp
t
S
Sp
(J . m-2)
– počet materiálů vyzdívky
– pořadové číslo materiálu
– tloušťka vrstvy (m)
– objemová hmotnost materiálu (kg . m-3)
– střední měrná tepelná kapacita (J. kg-1.K-1)
– průměrná teplota vrstvy (°C)
– povrch jednotlivých vrstev vyzdívky (m2)
– pracovní povrch vyzdívky (m2)
5
(2)
METAL 2005
24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí
Model tepelného stavu vyzdívky licích pánví, spolu se subsystémem ASŘ
oběhu pánví, musí v systému ON-LINE zabezpečovat tyto úkoly:
v každém okamžiku pracovního cyklu pánve určit tepelný stav ( entalpii) vyzdívky,
stanovit dobu ohřevu tak, aby při odpichu měla pánev požadovanou entalpii,
umožnit komplexní sledování oběhu pánví od vyzdění až po vybourání vyzdívky
a zaznamenávání všech údajů, umožňujících zpětně získat přehled o historii pánve,
umožnit komplexní sledování oběhu pánví od vyzdění až po vybourání vyzdívky
a zaznamenávání všech údajů, umožňujících zpětně získat přehled o historii pánve,
racionalizovat oběh pánví tak, aby byly minimalizovány tepelné ztráty pánví
a současně splněny tepelné podmínky pro provozování bazických vyzdívek.
Model obsahuje několik programových modulů (výpočet entalpie při chladnutí
prázdné pánve – s víkem nebo bez víka, výpočet entalpie při vysokoteplotním ohřevu pánve,
výpočet entalpie vyzdívky pánve naplněné ocelí), z nichž každý popisuje změnu entalpie
pánve v daném provozním stavu. Jednotlivé moduly na sebe navazují, to znamená, že
entalpie, která je vypočtena v rámci jednoho modulu, je vstupní (počáteční) hodnotou pro
následující stav pánve (modul). Na základě rozboru a fyzikální podstaty děje byly jako
algoritmy modelu zvoleny jednoduché rovnice (polynomy a exponenciály), které
s dostatečnou přesností charakterizují entalpii pánve v různých provozních podmínkách.
Pomocí odvozených rovnic je možné v systému ON-LINE vypočítat entalpii vyzdívky pánve
a určit dobu ohřevu potřebnou pro dosažení žádané hodnoty entalpie pánve před odpichem
[8].
3.2 Výsledky provozního měření
Průběh teploty vyzdívky betonové pánve a z něho odvozený nárůst (rychlost změny)
entalpie v technologickém úseku od odpichu 1. tavby do konce lití 5. tavby je znázorněn
graficky na obr. 2 a 3.
Časy odpichu a konce lití taveb jsou na časové ose označeny kosočtvercovými body.
V posloupnosti od 1. do 4. tavby se zvyšuje entalpie vyzdívky při odpichu. V posloupnosti od
1. do 4. tavby se zvyšuje entalpie vyzdívky při odpichu. Z obr. 3 je rovněž patrné, že přírůstek
entalpie v údobí odpich - konec lití se však s rostoucí počáteční entalpií snižuje.
Jako příklad výsledků měření teplotního pole vyzdívky dolomitové licí pánve jsou na
obrázcích 4 a 5 uvedeny průběhy teplot naměřených v 6 měřicích místech v měřicí rovině II
stěny pánve, a to pro prvých 7 taveb po vyzdění pánve. Tavby byly odlévány na ZPO č. 2.
Jednotlivé teploty jsou označeny vzdáleností měřicího místa od povrchu vyzdívky, např.
tS[20]…teplota stěny ve vzdálenosti 20 mm od povrchu. Měřící místo 5 bylo umístěno ve
vzdálenosti 152 mm od povrchu, tzn. na styku dolomitové tvarovky a výdusky. Měřicí místo
6 bylo ve vzdálenosti 254 mm od povrchu vyzdívky na styku šamotových tvarovek a izolační
desky.
Současně je v grafech na obr. 4 a 5 uveden vypočtený průběh entalpie vyzdívky stěny
pánve v rovině II. Entalpie je vztažena na objem vyzdívky, který má na pracovní straně
vyzdívky povrch 1 m2. Entalpie vyzdívky I0 v době odpichu tavby do pánve jsou zvýrazněny
bodem.
6
METAL 2005
24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí
Ohřev pánve:
1800
Teplota (
0
C)
1600
t. oceli
t [0]
1400
t [40]
1200
t [80]
1000
800
Číslo tavby:
600
1.
5.
4.
3.
2.
t [220]
400
0
6
12
18
24
30
36
Čas od odpichu 1. tavby ( h )
Obr. 2. Průběh teploty oceli v pánvi a teplot naměřených ve vyzdívce stěny pánve
Teplo Q, entalpie I ( MJ/m2 )
1200
Ohřev pánve:
1000
Ivyzd … entalpie vyzdívky
Io … počáteční entalpie
800
600
Číslo tavby:
400
1.
200
2.
Qpřiv
3.
4.
5.
Qodv
0
0
6
12
18
24
30
36
Čas od odpichu 1. tavby ( h )
Obr. 3. Průběh entalpie vyzdívky pánve
Svislými čarami jsou vyznačeny časy odpichu taveb (označené číslem tavby) a časy
konce lití oceli z pánve do mezipánve. Doby setrvání oceli v pánvi od odpichu do konce lití
byly u sledovaných 7 taveb velmi dlouhé, pohybovaly se v rozmezí 3,3 až 4,4 h a entalpie
vyzdívky dosahovaly vysokých hodnot. S výjimkou 1. tavby byly u následujících 6 taveb
entalpie na konci lití nad hodnotou 700 MJ . m-2 (702 až 731 MJ . m-2). U 1. tavby dosáhla
entalpie na konci lití z důvodu nízké odpichové entalpie (I0 = 467 MJ . m-2) hodnoty pouze
675 MJ . m-2.
7
METAL 2005
24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí
Číslo tavby :
1500
2
1
3
4
1050
1400
1000
1300
950
1200
900
1100
850
1000
800
900
750
800
700
700
650
600
600
500
550
Entalpie (MJ)
Teplota (°C)
1 tS[20]
2 tS[40]
3 tS[60]
4 tS[80]
5 tS[152]
6 tS[254]
7 Entalpie
Entalpie Io
400
500
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Čas od odpichu 1. tavby (h)
Obr. 4. Průběh teplot a entalpie vyzdívky dolomitové licí pánve v časovém úseku 1. až 4.
tavby
Číslo tavby :
5
6
1500
7
1000
1400
950
1300
900
1200
850
1100
800
1000
750
900
700
800
650
700
600
600
550
500
500
Entalpie (MJ)
Teplota (°C)
1 tS[20]
2 tS[40]
3 tS[60]
4 tS[80]
5 tS[152]
6 tS[254]
7 Entalpie
Entalpie Io
400
450
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
Čas od odpichu 1. tavby (h)
Obr. 5. Průběh teplot a entalpie vyzdívky dolomitové licí pánve v časovém úseku 5. až 7.
tavby
8
METAL 2005
4
24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí
ZÁVĚR
Cílem optimalizace tepelné práce vyzdívky licí pánve v nových provozních
a technologických podmínkách ocelárny bylo v co nejvyšší míře využít tepla akumulovaného
ve vyzdívce pánve v době od odpichu do konce odlévání taveb. Při dlouhých dobách setrvání
tekuté oceli v pánvi dosahuje akumulované teplo vysokých hodnot. Získané výsledky
a následné řešení dané situace v ocelárně MITTAL STEEL OSTRAVA lze shrnout do těchto
bodů:
Po ukončení lití určit entalpii vyzdívky licí pánve pomocí algoritmů získaných
provozním měřením.
Z takto zjištěné entalpie rozhodnout, kdy je nutno začít s vysokoteplotním ohřevem.
Licí pánev v každém možném okamžiku přiklápět víkem, aby nedocházelo k odvodu
tepla.
Licí pánev nechat co nejvíce cyklovat bez zařazení vysokoteplotního ohřevu,
umožňuje-li to daná provozní situace ocelárny a splňuje-li vyzdívka licí pánve
minimální entalpii po odpichu.
Prostředkem pro optimalizaci tepelné práce vyzdívky licí pánve je model hodnocení
tepelného stavu licích pánví, jehož konstanty byly pro nové provozní podmínky ocelárny
odvozeny z výsledků provozního experimentu.
V nejbližší době bude provedeno nové provozní měření na licí pánvi vyzděné novou
žárovzdornou vyzdívkou typu KOMEX a následně odvozeny algoritmy pro výpočet entalpie.
5 LITERATURA
[1]
HAŠEK, P. aj. Modely pro automatizovaný systém řízení ocelárny a optimalizace
tepelné práce lící pánve. 13. Mezinárodní konference metalurgie a materiálů – METAL
2004, 18. – 20.5. 2004, Hradec nad Moravicí. ISBN 80-85988-95-X.
[2]
HAŠEK, P. aj. Provozní výzkum pánve v nových technologických podmínkách
ocelárny. 13. Mezinárodní konference metalurgie a materiálů – METAL 2004, 18. –
20.5. 2004, Hradec nad Moravicí. ISBN 80-85988-95-X.
[3]
TVARDEK, P. Zařazení automatických vstupů z VTO do modelu výpočtu entalpie licí
pánve. [Výzkumná zpráva]. NH, a.s., Ostrava – VZÚ, 1997.
[4]
TVARDEK, P.: Specifikace výpočetních konstant pro oběh pánví určených pro ZPO2 a
ZPO3. [Výzkumná zpráva]. ISPAT NOVÁ HUŤ a. s., Ostrava, 2003.
[5]
TVARDEK, P., HAŠEK, P.: Tepelná práce licí pánve s korundo - spinelovou
vyzdívkou. Sborník přednášek z konference Teorie a praxe výroby zpracování oceli.
2002, Rožnov pod Radhoštěm. Ostrava: Tanger.
[6]
HAŠEK, P. aj. Optimalizace tepelné práce 230 t licí pánve s pásmovou vyzdívkou
z dolomitového a magnezitouhlíkového staviva v nových technologických podmínkách
ocelárny ISPAT NOVÁ HUŤ a.s. v Ostravě : Výzkumná zpráva VŠB-Technická
univerzita Ostrava. Ostrava, 05/2003.
9
METAL 2005
24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí
[7]
JANČAR, D. aj. Utilization of casting ladle lining enthalpy for heating gas saving in
the course of ladle preheating at ISPAT NOVÁ HUŤ. International Scientific
Conference microCAD 2005. 10 – 11.3. 2005.University of Miskolc. ISBN
963 661 651 5.
[8]
HAŠEK, P. aj. Současný stav ASŘ ocelárny v oblasti určení tepelného stavu licích
pánví a predikce změny teploty oceli. IX. International Scientific Conference Iron and
Steelmaking, 22. - 24. 9. 1999, Malenovice. ISBN 80-7078-699-X.
[9]
SZÜCS, I., JÁRMAI, K., RÉZ. I., SZEMMELVEISZ, K. Optimization of Refractory
Wall Structures of Furnaces in the Rolling Mills. In Sborník přednášek konference Hutní
keramika, Rožnov pod Radhoštěm, 19. – 20. 10. 1999. Ostrava : TANGER, s. r. o.,
s. 25-30.
[10] SZÜCS, I., SZEMMELVEISZ, K., MIKÓ, J. Üvegolvasztó kemencék költségeinek
csökkentése a falszerkezet optimalizálásával, Miskolc, 20.- 21. 5. 2003. Szakmai
tudományos konferencia : Kerámia és sztilikátipari Kutatások és mérnökképzés a
Miskolci Egyetem, p. 124-132. ISBN 963-9466-02-6.
10