MODERNÍ METODY ZVÝŠENÍ STABILITY VÝŠKY HLADINY OCELI V KRYSTALIZÁTORU

METAL 2001

15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

MODERNÍ METODY ZVÝŠENÍ STABILITY VÝŠKY HLADINY OCELI V KRYSTALIZÁTORU. Vladimír Čech VÚHŽ a.s., 739 51 Dobrá, ČR, [email protected] Abstrakt This article gives a brief description of the state-of-the-art methods of improvement of mold level stability. Product quality is the most important aspect in continuous casting. Stability of mold level is a key element for achieving of the highest quality of slab or bloom surface. Static and dynamic accuracy of the mold level control depends on all components of the control system. The precondition for quality regulation is a truthful and reliable measurement of the actual mold level. It must be independent of casting powder and slag layer, vortices, mold oscillations, steel grade etc. The mold level measurement using an electromagnetic sensor attached to the mold top meets these requirements. A sensor design doing a “mechanical filtration” of local unevenness of meniscus and sophisticated algorithms for signal processing demonstrably lead to enhancement of meniscus stability and to better product quality. 1. ÚVOD Nejdůležitějšími aspekty při plynulém odlévání oceli jsou dnes kvalita produktu a snižování nákladů. K výrobě kontislitků nejvyšší kvality a redukci nákladů významně přispívá automatizace technologického procesu a použití moderních metod řízení kvality. Rozvoj systémů řízení technologie plynulého odlévání a rozvoj modelování procesu umožňují plně využít kapacitu instalovaného zařízení. Využití bází dat získaných při automatickém řízení zpětně urychluje rozvoj know-how. Například klíčové komponenty automatického řízení jakosti pro bramové ZPO podle koncepce VAI Linz jsou měření a regulace výšky hladiny v krystalizátoru, systém MoldEXPERT a automatické řízení geometrie zmenšování tloušťky proudu. Systém MoldEXPERT provádí sběr dat, detailní analýzu a zviditelnění procesu odlévání v oblasti krystalizátoru. K hlavním funkcím patří monitorování teploty, prevence přelití, výpočet měrného tepelného toku, monitorování oscilací krystalizátoru a výpočet tření. Na základě získaných znalostí je pak možno zdokonalovat technologické postupy odlévání, zvyšovat stabilitu procesu i kvalitu produktu.

OBR. 1: Klíčové komponenty automatického řízení jakosti

METAL 2001


2. AUTOMATICKÁ REGULACE VÝŠKY HLADINY OCELI V KRYSTALIZÁTORU Proces tuhnutí je jádrem celého procesu výroby oceli. Proto jsou na něj zaměřeny významné výzkumné projekty. Proces tuhnutí začíná u kontilití v úrovni hladiny v krystalizátoru. Při stabilní rychlosti lití je stabilita výšky hladiny v krystalizátoru závislá na stabilitě průtoku tekuté oceli z mezipánve do krystalizátoru. Na stabilitu průtoku působí řada vlivů, které závisí na značce oceli, konstrukci a technickém stavu jednotlivých komponent, na technologických parametrech během celé sekvence lití atd. Proto je třeba výšku hladiny oceli v krystalizátoru co nejpřesněji a nejspolehlivěji měřit a pomocí regulačního obvodu a akčního členu (zátkového uzávěru nebo šoupátka) stabilizovat. Udržování stabilní výšky hladiny v krystalizátoru je tedy jednou z klíčových podmínek pro dosažení vysoké kvality povrchu kontislitků.. Kvalita regulace (resp. stabilizace) výšky hladiny v krystalizátoru podstatně ovlivňuje nejen jakost povrchu kontislitků, ale i metalografickou strukturu pod povrchem, výrobní náklady a spolehlivost procesu plynulého lití. Fluktuace výšky hladiny mohou způsobovat nejen povrchové a podpovrchové vady v kontislitcích, ale i dramatické průvaly, které narušují kontinuitu výroby ocelárny. Statická a dynamická přesnost regulace závisí na vlastnostech a chování všech prvků regulačního obvodu (viz obr. 2) – měřiče výšky hladiny, regulátoru (jeho hardwaru i softwaru), akčního členu, licí trubice, značce a ošetření oceli. Rozhodující vliv se přisuzuje přesnosti a spolehlivosti měřiče výšky hladiny a algoritmu regulace.

OBR. 2: Blokové schéma regulace výšky hladiny oceli v krystalizátoru Roztavená ocel z pánve se lije přes mezipánev do vodou chlazeného krystalizátoru. Pro stabilizaci výšky hladiny v krystalizátoru se užívá buď řízení přítoku oceli zátkovou tyčí nebo šoupátkem. U sochorových kontilití se často hladina stabilizuje řízením vytahovací rychlosti. Charakteristika regulované soustavy je nelineární a v čase se mění vlivem eroze a změny tvaru špičky zátkové tyče, „prorůstáním“ licí trubice, zvláště při lití oceli s vysokým procentem hliníku, změnou teploty a tím viskozity oceli, změnou výšky hladiny v mezipánvi.

METAL 2001


Používá se řada regulačních metod. V souhrnu lze říci, že směry vývoje automatické regulace výšky hladiny souvisí s rozvojem teorie automatické regulace, s rozvojem poznání chování průtoku oceli uzlem mezipánev-akční člen (zátkový nebo šoupátkový mechanismus)licí trubice-krystalizátor, a to poznání získaného jak empiricky tak matematickým modelováním a konečně i s použitím nových fyzikálních principů řízení průtoku oceli jako je vakuování mezipánve nebo silné elektromagnetické pole. Konvenční způsoby regulace zahrnují použití PID regulátorů s pevnou nebo proměnlivou strukturou, stavové regulátory, regulátory s identifikací charakteristiky odezvy výšky hladiny, adaptující zisk podle identifikovaného modelu. Na několika ZPO se pro stabilizaci výšky hladiny používají fuzzy regulátory realizované především firmou Siemens. Fuzzy logika mění parametry PID regulátoru podle okamžité situace v procesu. Autoři fuzzy regulátorů tvrdí, že tyto regulátory vykazují vysokou bezpečnost proti nestabilitě a vysokou kvalitu regulace. Méně konvenčním způsobem regulace pro sochorová ZPO je numerická metoda používající výpočet tendence velikosti vstupního průtoku oceli ze změny výšky hladiny a z vytahovací rychlosti, přičemž jako akční člen se používají jak vytahovací válce s regulací rychlosti otáčení, tak i změna nastavení zátkové tyče. Kombinaci akčních zásahů řídí supervizor realizovaný samoučícím se expertním systémem. Jak už bylo řečeno, průtok oceli z mezipánve do krystalizátoru se řídí zátkovou tyčí nebo šoupátkem, vybaveným elektromechanickým nebo hydraulickým servopohonem, který řídí polohu zátky nebo šoupátka v uzavřené smyčce. V současnosti je trend nahrazovat hydraulické pohony, dosud považované za vhodnější, elektromechanickými pohony nové generace (CONCAST, SERT, VAI Sheffield, Zimmermann &Jansen a další). Přesto japonská firma Aemetec vyvinula tzv. digitální hydraulický válec pro řízení polohy šoupátka. Válec nepoužívá žádné servoventily a je napájen tlakovým olejem 14 MPa přímo z hydraulické stanice licího stroje. Digitální řídící systém realizuje regulaci v otevřené smyčce bez snímače polohy válce. Díky vysoké odolnosti digitálního signálu proti rušení se údajně nevyskytuje teplotní drift, drift nuly ani vibrace a přesnost regulace hladiny je údajně 1-3 mm. V rámci rozsáhlého mezinárodního projektu nazvaného „Electromagnetic Casting“, na němž spolupracuje devět japonských firem (Nippon Steel, Kawasaki Steel, Sumitomo Metals, Daido Steel, Mitsubishi Heavy Ind, Mitsubishi Steel, Nisshin Steel, Kobe Steel a NKK) a dvě evropské firmy (ABB Automation Systems a Usinor), bylo v letech 1995-2000 vyvinuto řízení průtoku oceli do krystalizátoru silnou elektromagnetickou brzdou. Vf elektromagnetické pole uvnitř krystalizátoru má extrémně vysokou magnetickou indukci 1,4 T, vytvořenou supravodivými magnety. Projekt stál za 6 let zatím 25 miliónů USD a bude se v něm pokračovat, protože bylo dosaženo zvýšení kvality, např. významné redukce až odstranění oscilačních vrásek, snížení tření mezi kontislitkem a Cu deskami na polovinu, zlepšení chlazení a tím možnosti zvýšení licí rychlosti. Při výzkumu bylo používáno kromě vf pole ještě pulsující střídavé elektromagnetické pole a pole oscilující s vysokou frekvencí. Firma British Steel vyvíjí jiný systém pro řízení průtoku oceli do krystalizátoru a to s použitím částečného vakua nad povrchem oceli uvnitř mezipánve. Tím chce vyloučit používání zátkových tyčí nebo šoupátek. Podle firemních informací má mít vakuování mezipánve i další výhody - není zapotřebí injektování argonu, zabraňuje se „zarůstání“ trubice a omezuje se turbulence oceli v krystalizátoru. Očekává se i větší flexibilita procesu odlévání.

METAL 2001


Jak je vidět na obrázku, výška menisku v krystalizátoru se reguluje podtlakem ve vakuové komoře a současně se reguluje přítok oceli do této komory, aby hladina uvnitř byla stabilizována v požadované výšce. V současné době probíhají provozní testy na bramovém kontilití. Testy údajně prokázaly, že již byly vyřešeny problémy s předehřevem, startem lití a bezpečností provozu a kromě toho měly ukázat další zajímavé perspektivy.

OBR. 3: Řízení průtoku oceli do krystalizátoru regulací podtlaku v mezipánvi Souhrně lze říci, že u konvenčních kontilití je v blízké budoucnosti hlavním cílem vytěžit maximum z existujících zařízení zvyšováním licí rychlosti při udržení nebo zlepšení kvality kontislitků. To vyžaduje především zdokonalovat proces „napájení“ krystalizátoru tekutou ocelí a zlepšovat regulaci (= stabilizaci) výšky hladiny v krystalizátoru. Některé z nových metod byly popsány v této kapitole.

3. MĚŘENÍ VÝŠKY HLADINY TEKUTÉ OCELI V KRYSTALIZÁTORU Měřič výšky hladiny v krystalizátoru je nejdůležitější částí regulační smyčky stabilizace hladiny znázorněné na obr. 2, protože bez přesné a rychlé informace o skutečné výšce hladiny v každém okamžiku lití není regulace realizovatelná. Snímač přitom musí pracovat ve velmi drsných podmínkách, k nimž zejména patří: • • • • •

nestálá vrstva licího prášku a strusky na hladině tekuté oceli sálání licí trubice a v průběhu lití nestálá teplota všech částí obklopujících snímač oscilace krystalizátoru občasné zásahy odlévačů do vrstvy prášku a strusky na hladině pomocí kovových nástrojů letmé výměny mezipánve při dlouhých sekvencích atd.

METAL 2001


Používají se hladinoměry pracující na různých fyzikálních a konstrukčních principech. Nejrozšířenější je systém s radioaktivním zářičem Co60; má však několik nevýhod, které jsou dány přímo jeho fyzikálním principem: •

relativně pomalá odezva na změny výšky hladiny (vlivem nutnosti filtrace stochastického signálu);

•

měření je ovlivněno změnami tloušťky vrstvy strusky a prášku na hladině; je to způsobeno tím, že koeficient zeslabení gama záření je pro tekutou ocel 5.105, pro směs struska/prášek 1,7.105; změna vrstvy strusky a prášku o 3 cm je proto chybně interpretována jako změna výšky menisku o 1 cm.

•

provoz resp. manipulace se zářičem Co60 a jeho likvidace podléhá řadě přísných předpisů.

Z neradioaktivních hladinoměrů mají nejlepší vlastnosti hladinoměry pracující s vířivými proudy. Hladinoměry využívající jiných fyzikálních principů jsou „menšinové“: plovákové hladinoměry, CCD kamery, lasery, termočlánky. U hladinoměrů využívajících vířivých proudů existují v principu dvě základní konstrukční řešení snímače: snímač zavěšený na rameni manipulátoru nad hladinou uvnitř krystalizátoru (vyrábí NKK a MPC) a snímač upevněný na horní ploše krystalizátoru – vyrábí VÚHŽ Dobrá. Jiná konstrukční uspořádání, vyvinutá především v 80. letech, se příliš neosvědčila. Společné vlastnosti obou typů hladinoměrů jsou: •

měří skutečnou výšku menisku bez ohledu na množství strusky a prášku na hladině

•

mají velmi krátkou dobu odezvy

•

nejsou zdrojem gama záření

Hladinoměry se snímačem upevněným na horní ploše krystalizátoru mají oproti snímačům zavěšeným na rameně manipulátoru několik předností, a to jak z hlediska regulace, tak z hledisek provozních. -

Hladinoměr měří „globální“ výšku menisku, proto potlačuje vliv vln a vírů na hladině na výstupní signál a tím i na regulaci hladiny

-

Hladinoměr měří již během plnění krystalizátoru, má dostatečný měřicí rozsah a proto je možno jej použít pro automatický start lití

-

Pomocí funkce „autoset“ lze provést rychle a snadno jednobodovou kalibraci před počátkem lití

-

Snímač je pevně umístěn na horní ploše krystalizátoru, nepotřebuje manipulátor a nepředstavuje žádnou překážku pro výměny licí trubice během lití ani pro odlévače

-

Snímač je vyroben ze žáruvzdorné oceli a pokud je přesto poškozen při přelití tekutou ocelí, lze jej vždy opravit

METAL 2001


Uspořádání hladinoměru SH (výrobce VÚHŽ a.s., Dobrá) Hladinoměr SH sestává v principu ze snímače, předzesilovače a vyhodnocovací jednotky (obr. 4).

OBR. 4: Blokové schéma elektromagnetického hladinoměru VÚHŽ Dobrá

Snímač obsahuje budící cívku a dvě snímací cívky. Těleso snímače je vyrobeno ze žárupevné oceli, ČSN 17251. Snímač je chlazen vodou a připojen 10 m dlouhým kabelem k předzesilovači.

METAL 2001


Snímač pro bramová ZPO má tvar tyče o standardní délce 570 mm, výšce 66 mm a hloubce 99 mm (obr. 5). Upevňuje se na krystalizátor pomocí krytu snímače přišroubovaného dvěma šrouby k pružným držákům. Kryt funguje jako svěrka a současně mechanicky chrání snímač, např. při přelití tekutou ocelí. Kryt se snímačem je na obr. 6.

OBR. 5: Bramový snímač

OBR. 6: Bramový snímač upevněný pomocí krytu na krystalizátor

METAL 2001


Lokální stabilita se snímačem NKK sloužícím pro regulaci Globální změny výšky hladiny měřené snímačem VÚHŽ

Globální stabilita se snímačem VÚHŽ sloužícím pro regulaci Lokální změny výšky hladiny měřené snímačem NKK OBR. 7: Srovnání regulace hladiny v krystalizátoru vybaveném snímačem lokální hladiny (NKK) a snímačem globální hladiny (VÚHŽ) podle La Revue de Métallurgie, č. 4/1997

METAL 2001


Snímače pro bloková a sochorová kontilití jsou dvojího typu: a) snímače ve tvaru kompaktního rámu (obr. 8), jehož vnitřní rozměry se shodují s rozměry krystalizátoru (tj. pro každou velikost krystalizátoru musí být použit odpovídající snímač)

OBR. 8a: Snímač („rámeček“) pro kruhový krystalizátor

OBR. 8b: Příklad instalace „rámečků“ – Sollac Florange, 1994

b) snímače UNI (obr. 9, obr. 10), sestávající z páru univerzálních snímačů a z páru pasivních vložek. Univerzální snímače lze použít pro všechny velikosti a tvary krystalizátorů na daném ZPO. Přizpůsobení formátu krystalizátoru zajišťují pasivní vložky, jejichž tvar a velikost odpovídají rozměrům krystalizátoru.

OBR. 9: Snímač UNI pro pravoúhlý krystalizátor: 2 univerzální snímače a 2 pasivní vložky Všechny blokové snímače rámové i univerzální mají shodnou výšku 66 mm. Minimální rozměr krystalizátoru je ∅ 160 mm (resp. 160 x 160 mm), maximální rozměr není omezen. Dosud největší krystalizátor s UNI snímačem VÚHŽ má průměr 550 mm.

METAL 2001


OBR. 10: Snímač UNI pro kruhový krystalizátor: 2 univerzální snímače a 2 pasivní vložky Hlavní technická data hladinoměru VÚHŽ: Výška hladiny se udává jako vzdálenost menisku od horní hrany měděné desky nebo trubky krystalizátoru. Měřící rozsah závisí na rozměrech krystalizátoru podle tabulky č. 1: Tabulka 1 Velikost krystalizátoru mm

Měřící rozsah mm

Doporučená výška hladiny při lití mm

Bramy Sochory 160x160 Bloky 250x250 Bloky 350x350 Bloky Ø 500

20-160 20-100 20-140 20-150 20-160

60-100 40-60 50-80 50-100 50-100

Nejnižší měřitelná hladina (typicky) mm 200-250 150 180 220 250

Výstupní proud: 4-20 mA Přesnost měření, definovaná jako krátkodobá fluktuace signálu při výstupním proudu 12 mA: < ± 1% měřicího rozsahu Dlouhodobá stabilita (velmi pomalý drift) za 8 hodin při ± výstupním proudu 12 mA: 5 mm ± Linearita: 3% Rozlišení: 0,2 mm Doba odezvy: Nastavitelná od 0,08 do 2,5 s s krokem 0,01 s Voda pro chlazení snímače: 25 l/min, vstup. Tlak 300 kPa, bez kovových nečistot, t=5až 35 0C

METAL 2001


Elektromagnetické snímače lze použít současně s elektromagnetickým mícháním v krystalizátoru i s elektromagnetickou brzdou. Charakteristika hladinoměru nezávisí na značce oceli, lze jej použít při lití uhlíkových i nerezových ocelí. Při použití tzv. třísignálové elektroniky jsou u bramového ZPO k dispozici tři signály, které udávají a) globální výšku hladiny, b)c) lokální výšky hladiny ve vzdálenosti 200 mm vlevo a 200 mm vpravo od osy licí trubice. Hladinoměr VÚHŽ nelze použít pro lití sochorů pod 160x160 mm, při lití bez licí trubice (dochází k rozstřikování oceli) a při použití oleje místo licího prášku (na horní přírubě krystalizátoru jsou kanálky pro rozvod oleje). Pro použití pro lití bram tenčích než 75 mm je nutná konzultace s výrobcem. Elektromagnetické hladinoměry VÚHŽ byly dosud instalovány a jsou provozovány na ZPO ve Francii, Belgii, Německu, Itálii, Česku, Slovinsku a ve třech ocelárnách v Číně.

4. ZÁVĚR Po éře páry a éře elektřiny přišla éra informačních technologií. Ze samotných informací však nelze stavět haly supermarketů, mosty, kotle ani tanky, pro ty je zapotřebí vyrábět ocel. V nejbližších 10 letech bude patrně celosvětová výroba oceli stoupat jak výstavbou nových kapacit, tak modernizací zastaralých závodů. Obojí je podmíněno automatizací výrobního procesu a využitím informačních technologií. Měření a regulace výšky hladiny v krystalizátoru při plynulém lití oceli zůstane jedním ze základních stavebních kamenů řízení ZPO, protože je na začátku procesu tuhnutí a podstatně tak ovlivňuje kvalitu výsledného produktu. Požadavky na kvalitu regulace hladiny nejlépe splňují elektromagnetické hladinoměry pracující s vířivými proudy v krystalizátoru, protože nejsou ovlivňovány vrstvou strusky a prášku na hladině, mají vysokou statickou i dynamickou přesnost a negenerují radioaktivní záření.

METAL 2001


LITERATURA [1] PREISSL, H. a kol.. Future aspects in Caster automation. In Sborník z VAI`s 8th Continuous Casting Conference, Linz, 2000. [2] ROUTTI, J.. EU – research and the European iron and steel industry. In Sborník z VAI`s 8th Continuous Casting Conference, Linz, 2000. [3] Continuous casting – a mature technology. Steel Times, 1998, č. 11. [4] Visiting the future of continuons casting. Steel Times, 1998, č. 11. [5] FASTNER, T.: Aspects of modern quality control for CC. In Sborník z 3rd Europ. Conf., Madrid 1998. [6] Moulding the future. Metal Bulletin Monthly, 1999, č. 6. [7] ASSAR, M. Opening the Black Box: PIV and MFC measurements in a CC mold. In Sborník z Steemaking Conf., Pittsburgh, 2000. [8] HIROHISA, K. Continuons casting technologies of 8m/min casting speed by Sumitomo´s QSP process. In Sborník z 83rd Steemaking Conf., Pittsburgh, 2000. [9] WATANABE, T. a kol. Mold level control in CC by Neural Network Model. ISIJ Int., 1999, 10. [10] Making the most of mold level control in CC. Siemens AG, Erlangen, 2000, staženo z Internetu. [11] Digital mold level control of CC. AEME Int.Corp.,2000, staženo z Internetu. [12] Control of steel flow with high field electromagnetic braking. Steel Times, 1999, č. 4. [13] WILMOTTE, S. Research driven recent developments in continuous casting. In Sborník z 3rd European Conf., Madrid, 1998. [14] KUBOTA, S. A real-time expert system applied to the mold bath level control of a continuous caster. The Sumitomo Search, 1992, č. 6. [15] YUHARA, S. Molten steel flow control in CC mold by static magnetic fields. In Sborník z 3rd Europ. Conf., Madrid, 1998. [16] ROHÁČ, J., PIŠOFT, V.: Einsatz der Emissions – und elektromanetischen Badspiegelmessung in der Stranggiesskokille. Stahl n. Eisen, 1992, č. 3. [17] ČECH, V.: Mould level measurement and control, In Sborník ze sympozia „Ways to Clean Steel“, Eisenhüttenstadt, EKO Stahl, 1998. [18] CASTIAUX, E.: Erfahrungen beim Einsatz der neuen Badspiegelregelung von VUHZ in Chertal. In Sborník ze sympozia „Ways to Clean Steel“, Eisenhüttenstadt, EKO Stahl, 1998. [19] CLYMANS, D.: An enhanced eddy current level control system in continuous casting. La Revue de Métallurgie, 2000, č. 6. [20] BOISDEQUIN, V. a kol.: La mesure du niveau d`acier en coulée continue. Revue de Métallurgie, 1997, č. 4. [21] ANJUCHIN a kol.: Avtomatičeskoje podderžanije urovnja metalla v kristallizatore MNLZ. Stal, 1995, č. 9. [22] ČECH, V., BRÁZDA, H.: Elektromagnetické hladinoměry a řádkové měřicí kamery, AT&P Journal, 1999, č. 7-8. [23] ČECH, V.: Elektromagnetické hladinoměry a řádkové měřicí kamery – důležitá měřicí technika pro ocelárny a válcovny. In Sborník ze sympozia Messe Düsseldorf, Praha 1999.

MODERNÍ METODY ZVÝŠENÍ STABILITY VÝŠKY HLADINY OCELI V KRYSTALIZÁTORU

Recommend Documents