Hutnické listy č.3/2008
Tepelná technika
Teplotní profily ve stěně krystalizátoru blokového ZPO Ing. Marek Velička, Ph.D., prof. Ing. Miroslav Příhoda, CSc., Ing. Jiří Molínek, CSc., VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava-Poruba Ing. Michal Adamik, TŘINECKÉ ŽELEZÁRNY, a. s., Průmyslová 1000, 739 61 Třinec – Staré Město,Třinec
Příspěvek se zabývá popisem primární oblasti chlazení na ZPO se zaměřením na průběh teplotních profilů a odvod tepla z krystalizátoru. Při hodnocení procesů v krystalizátoru byly posouzeny jednotlivé technologické parametry, které mají rozhodující vliv na kvalitu odlévané oceli. Mezi zkoumané ukazatele patří - chemické složení oceli, licí rychlost a opotřebení krystalizátoru. Tepelnou práci krystalizátoru lze monitorovat prostřednictvím měření teplotních polí, protože teplota v daném místě krystalizátoru je prakticky lineárně závislá na hustotě tepelného toku z předlitku. Podmínkou je konstantní teplota a průtočné množství vody. Experimentální měření proběhlo na krystalizátoru parabolického typu průměru 410 mm, při kterém byly sledovány popsané parametry po celou dobu životnosti krystalizátoru. Na konkrétních případech jsou uvedeny některé dosažené výsledky.
1. Úvod Základním úkolem primárního chlazení je odvod tepla z tuhnoucí oceli a proto je důležitá znalost teplotních polí v předlitku a krystalizátoru. Podle rozložení teplot je možné také získat obraz o tvorbě licí kůry, vnitřní struktuře, povrchové jakosti a mechanických vlastnostech předlitku. Technologické parametry plynulého odlévání mají na výsledný produkt po stránce kvality a produktivity podstatný vliv. K nejdůležitějším patří chemické složení odlévané oceli, teplota a rychlost lití, výška hladiny, frekvence a typ oscilace krystalizátoru, druh licího prášku, opotřebení krystalizátoru, způsob chlazení a s tím spojená intenzita a rovnoměrnost odvodu tepla v průběhu tvorby a tuhnutí předlitku. Skutečnosti, jako jsou vysoké licí teploty, nevhodně utvářená mezera v krystalizátoru, nerovnoměrný odvod tepla po obvodu předlitku, příliš intenzivní či naopak nedostatečná intenzita chlazení, mohou vést ke zhoršení kvality produkce, v některých případech až k přetržení předlitku a průvalu. Řešení je potřeba hledat dvěma směry, a to jednak výzkumem nových možností zintenzívnění a zrovnoměrnění odvodu tepla, a jednak vývojem metod monitorování a diagnostiky procesu odlévání, zejména indikace trhlin v licí kůře, měření tření v krystalizátoru, tloušťky licí kůry a délky tekutého jádra [1].
2. Hodnocení teplotního profilu při odlévání kruhových předlitků Na základě naměřených okrajových podmínek lze sledování tepelné práce krystalizátoru zjednodušit na monitorování teplotních polí krystalizátoru, protože teploty v daném místě krystalizátoru závisí prakticky lineárně na hustotě tepelného toku z předlitku. Předpokladem je dodržení konstantní teploty a průtočného množství vody. Odlévané tavby mají rozdílné chemické složení oceli a tudíž i odlišné smrštění a tvorbu licí kůry. Pro ideální stav by pro každou značku oceli měl být použit jiný optimální profil krystalizátoru. Tento postup však není, vzhledem k vysokým nákladům na materiál a výrobu krystalizátoru, technicky možný. Proto je nezbytné hledat takový profil krystalizátoru, který by co nejlépe vyhovoval nejčastěji odlévaným značkám oceli.
Výzkum a hodnocení tepelné práce krystalizátoru se zaměřil na odlévání kruhových bloků o průměrech 410 mm, kdy provozní experimenty se prováděly na blokovém ZPO č. 1 v TŽ a. s. Třinec. Byl použit parabolický krystalizátor s hladkými stěnami, jehož konicita byla upravena tak, aby průběh postupujícího opotřebení byl po výšce rovnoměrný.
Obr. 1. Rozmístění termočlánků po výšce krystalizátoru Ø 410 mm Fig. 1. Thermocouples location upon the height of mould Ø 410 mm
73
Tepelná technika Pro sledování teplotního pole krystalizátoru na provozním ZPO byla vypracována původní metodika měření teplotních profilů krystalizátoru, včetně návrhu speciálních čidel. K experimentálnímu měření se používají speciální termočlánky NiCr - CuNi typu E, které jsou pro měření v oblasti nízkých teplot nejvýhodnější. Teplý spoj se umísťuje do zvolených míst krystalizátorové vložky. Signál je veden k analogovým vstupům měřicí karty PC. Vstupní kanály se vzorkují s periodou 55 ms a softwarově filtrují, čímž jsou částečně eliminovány rušivé signály. Kolísání teploty v utuhlé části předlitku úzce souvisí se změnami teplot ve stěnách krystalizátoru, které lze sledovat pomocí teplotních sond, zabudovaných do měděné krystalizátorové vložky. Ze signálů sond je možno usoudit na rovnoměrnost odvodu tepla z předlitku.
Hutnické listy č.3/2008 přechodovou oblast a spodní oblast krystalizátoru s již stálou mezeru mezi ocelí a krystalizátorem. 2.1 Vliv chemického složení oceli na teplotní profil krystalizátoru Obsah uhlíku má základní vliv na odvod tepla v krystalizátoru a jeho teplotní profil. U nízkouhlíkových ocelí dochází v důsledku peritektické reakce k největšímu smrštění licí kůry a značnému zpomalení jejího růstu, což se projeví snížením hustoty tepelného toku přes stěnu krystalizátoru na minimum. Dalším důsledkem této reakce je zvýšený výskyt povrchových vad předlitku, zejména povrchových trhlin. Tloušťka licí kůry se může u těchto druhů oceli zvětšovat buď litím při nižších licích rychlostech, nebo zvyšováním odvedeného tepla z krystalizátoru. Rovněž lze přizpůsobit tvar konicity krystalizátoru podle smršťování utuhlé kůry v kritických oblastech krystalizátoru [2]. Pro posouzení vlivu chemického složení oceli na teplotní profil krystalizátoru byly vybrány značky s nižším obsahem uhlíku, cca 0,17 hm.% C (značka A) a středním obsahem uhlíku, kolem 0,48 hm.% C (značka B). Pro objektivní vyhodnocení vlivu chemického složení na teplotní profil byly porovnávány pouze tavby kde rychlost lití se pohybovala okolo 0,5 m.min-1. Tavby s větším kolísáním rychlosti jsou porovnány v odstavci, zabývajícím se vlivem rychlosti lití na teplotní profil.
Umístění a označení jednotlivých termočlánkových čidel v krystalizátoru uvádí obr. 1, fotografie krystalizátoru s rozmístěním termočlánků je na obr. 2. Termočlánky označené č. N1, N2, N3, N5, N6, N7 byly umístěny na straně velkého rádiusu (VR) a termočlánky N8, N9, N10, N12, N13, N14 na straně malého rádiusu (MR). Termočlánky N4 na straně VR a N11 na straně MR jsou čidla protiprůvalového systému, jejichž údaje nebyly pro teplotní profily využívány. V místech zabudování termočlánků N1, N7, N8 a N14 byly umístěny další termočlánky X1, X2, X3 a X4 pro měření teplotního gradientu ve stěně krystalizátoru. Pro dokonalý kontakt termočlánku se stěnou krystalizátoru byla zvolena metoda zabudování termočlánku do měděných válečků, které byly instalovány do otvorů vyvrtaných do stěny krystalizátoru. Při provozním experimentu bylo odlito několik desítek značek oceli od 0,15 do 0,90 hm.% C. Z profilů lze usuzovat, zda proces tuhnutí předlitku probíhá v souladu s teoretickými předpoklady tvorby licí kůry ve třech oblastech krystalizátoru. Jedná se o horní část krystalizátoru, kdy přestup tepla se uskutečňuje z tekuté oceli přes stěnu krystalizátoru do chladicí vody, střední
74
Teplotní profily byly vytvořeny pro každou sledovanou tavbu z průměrných teplot, vypočtených jako medián ze všech měřených teplot. Na obr. 3 jsou vykresleny teplotní profily značky A pro MR (malý rádius) a VR (velký rádius). Teploty prakticky rovnoměrně klesají jak na straně MR tak i VR. 200 180 160 140
teplota (°C)
Obr. 2. Krystalizátor Ø 410 mm s popisem rozmístění termočlánků Fig. 2. Mould Ø 410 mm with the description of thermocouples location
120 100 80 60 40 20 0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
výška (mm) teploty_VR
teploty_MR
Obr. 3. Teplotní profil krystalizátoru u značky A Fig. 3. Temperature profile of mould by the symbol A
Středněuhlíková ocel značky B je pravidelně odlévanou ocelí, kde její teplotní profil na straně MR a VR (obr. 4) vykazuje takřka totožný charakter, změna nastane až ve spodní části krystalizátoru, kdy teplota na straně VR stoupne. To je dáno rozdílným odvodem tepla a tvorbou licí kůry.
Tepelná technika
200
200
180
180
160
160
140
140
teplota (°C)
teplota (°C)
Hutnické listy č.3/2008
120 100 80
120 100 80
60
60
40
40
20
20 0
0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0
550
50
100
150
200
250
v = 0,46
teploty_MR
Obr. 4. Teplotní profil krystalizátoru u značky B Fig. 4. Temperature profile of mould by the symbol B
Teplotní profily u obou značek oceli potvrzují odlišný průběh teplot u obou rádiusů. Teplotní pole ve stěně krystalizátoru vykazuje i při konstantních licích podmínkách značnou dynamiku. Teploty kolísají s nepravidelnou frekvencí i amplitudou. Z tohoto důvodu se body, jimiž jsou křivky proloženy, stanoví jako mediány z hodnot teploty v daném měřicím místě během vybraného časového úseku. 2.2 Vliv rychlosti lití oceli na teplotní profil krystalizátoru Hodnota licí rychlosti je závislá zejména na příčném průřezu a rozměrech předlitku, druhu oceli, přehřátí oceli, rychlosti odvodu tepla z předlitku do okolního chladicího prostředí, pevnosti utuhlé kůry na dráze tuhnutí a na způsobech podepření utuhlé kůry v sekundární oblasti chlazení. Při vyšších licích rychlost je tenčí kůra intenzivněji přitlačována na stěnu krystalizátoru, což vede ke zvýšení hustoty tepelného toku z předlitku do stěny krystalizátoru. Kratší doba setrvání předlitku v krystalizátoru přispívá ke zvýšení povrchové teploty předlitku a dalšímu růstu hodnoty q. Vyšší teplota povrchu zpomaluje smršťování a umožňuje tak lepší kontakt předlitku s vnitřní stěnou krystalizátoru. Příliš velké licí rychlosti však vedou v důsledku oslabení licí kůry k častější tvorbě trhlin a průvalů. Proto dochází k vývoji nových technologií výroby, které by těmto nepříznivým vlivům zabránily. Jsou navrhovány konstrukční úpravy krystalizátoru se speciálními křivkami konicity nebo intenzifikací vodního chlazení v primární oblasti. Provozní experimentální měření se změnou licí rychlosti na teplotní profil se uskutečnilo opět u značky oceli s nízkým obsahem uhlíku (značka A) a u oceli se středním obsahem uhlíku (značka B), kdy došlo k výraznějším změnám tohoto licího parametru. Licí rychlost u značky A nabývala hodnot 0,46, 0,50 a 0,52 m.s-1 a u značky B byla licí rychlost 0,50, 0,54 a 0,62 m.s-1.
350
400
450
500
550
v = 0,50
v = 0,52
Obr. 5. Teplotní profil se změnou licí rychlosti pro nízkouhlíkovou ocel Fig. 5. Temperature profile with the change of casting velocity for the low-carbon steel
200 180 160 140
teplota (°C)
teploty_VR
300
výška (mm)
výška (mm)
120 100 80 60 40 20 0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
výška (mm) v = 0,50
v = 0,54
v = 0,62
Obr. 6. Teplotní profil se změnou licí rychlosti pro středněuhlíkovou ocel Fig. 6. Temperature profile with the change of casting velocity for the medium-carbon steel
Z teplotních profilů MR, vyhodnocených na obr. 5 a 6, vyplývá, že s rostoucí licí rychlostí dojde ke zvýšení teplot stěn krystalizátoru po celé jeho výšce. Teplota stěny u nízkouhlíkové oceli se při změně rychlosti o 0,06 m.min-1 zvýší v průměru na MR i VR o 5 až 10 K. Obdobného výsledku bylo dosaženo u středněuhlíkové oceli kde při změně rychlosti o 0,12 m.min-1 se teplota zvýší v průměru na MR i VR o 10 až 20 K. Větší nárůst teplot je v horní části krystalizátoru. 2.3 Vliv opotřebení na teplotní profil krystalizátoru Opotřebení krystalizátoru má značný význam na odlévání oceli a na velikost tření a mazání. Krystalizátory s malými průřezy se deformují méně než s velkými průřezy, stejně jako obdélníkové průřezy se deformují méně než čtvercové. V průběhu životnosti krystalizátoru je důležité udržovat jej v rámci povolených tolerancí, kontrolovat příčný průřez po celé délce krystalizátoru, pravoúhlost i tvar úkosu, dodržovat souosost stroje a správné nastavení vodicích válečků. Životnost krystalizátoru lze zvýšit na základě analýzy opotřebení, kde pomocí renovace lze upravit geometrii v místech s největším poklesem konicity v důsledku opotřebení. Vhodně zvolenou úpravou konicity se může docílit menšího a rovnoměrnějšího opotřebení.
75
Tepelná technika
Hutnické listy č.3/2008
r1
-
r2
-
200 180 160
poloměr krystalizátoru v místech termočlánků N1, N7, N8 a N14 (m), poloměr krystalizátoru v místech termočlánků X1, X2, X3 a X4 (m).
teplota (°C)
140 120 100 80 60 40 20 0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
výška (mm) nový kryst.
1.renovace
2.renovace
Obr. 7. Teplotní profily v závislosti na opotřebení krystalizátoru Fig. 7. Temperature profiles in the dependence on mould depreciation
Na obr. 7 je uvedeno, jak se pro středněuhlíkovou značku B vyvíjely teplotní profily na VR během životnosti krystalizátoru Z grafu je vidět, že teplotní profil se u nového krystalizátoru a po 1. renovaci příliš neměnil. Teplotní křivky zachovávají, až na drobné výjimky, svůj charakteristický tvar. Odvod tepla u opotřebeného krystalizátoru je tedy v zásadě velmi blízký transportu tepla u krystalizátoru nového. Vyšších teplot o 10 až 20 K však bylo dosaženo u všech teplotních profilů získaných po 2. renovaci krystalizátoru. Obdobných výsledků bylo dosaženo i u dalších zkoumaných profilů.
Pro posouzení odvodu tepla z krystalizátoru byly vybrány opět dvě značky oceli, nízkouhlíková ocel (značka A) a středněuhlíková ocel (značka B). U těchto značek byly vyhodnoceny průběhy hustot tepelných toků, vždy dvě na straně MR a VR v horní a spodní části krystalizátoru. Dvojice termočlánků pro výpočet tepelných toků byly zvoleny podle obr. 1. Z odlitých taveb byly vypočteny průměrné hodnoty tepelných toků sledovaných taveb podle značek oceli.
Obr. 8. Průběh hustot tepelného toku pro značku A Fig. 8. Heat flux densities behavior for the symbol A
3. Tepelná práce krystalizátoru Odvod tepla z předlitku v krystalizátoru významnou měrou ovlivňuje kvalitu odlévané oceli a je tak klíčovým problémem plynulého odlévání. Rozložení teplot resp. průběhů teplotních profilů po výšce krystalizátoru má úzkou souvislost nejen s kvalitou předlitku, ale rovněž s opotřebením pracovního povrchu měděné vložky. Odvod tepla by měl být v daném místě krystalizátoru pokud možno konstantní a po obvodu příčného průřezu rovnoměrný. Proměnný odvod tepla vyvolává v licí kůře napětí a při překročení kritických hodnot vznikají trhliny, které mohou vést až k průvalu. Z hlediska kvality je tudíž žádoucí, aby teplotní změny v licí kůře vykazovaly minimální fluktuace [3]. Cílem vyhodnocení experimentálního měření bylo stanovit rovnoměrnost odvodu tepla z krystalizátoru ZPO. Lineární hustota tepelného toku byla vypočtena jako vedení tepla válcovou stěnou z následující rovnice
q=
kde
76
π .(t N − t X ) r 1 . ln 2 2λ r1 λ
je
tN
-
tX
-
(W.m-1)
(1)
součinitel tepelné vodivosti krystalizátoru (W.m-1.K-1), teplota termočlánků N1, N7, N8 a N14 (°C), teplota termočlánků X1, X2, X3 a X4 (°C),
Obr. 9. Průběh hustot tepelného toku pro značku B Fig. 9. Heat flux densities behavior for the symbol B
Na obr. 8 a 9 jsou znázorněny vypočtené tepelné toky ve stěně krystalizátoru a průběhy všech měřených teplot u vybraných taveb, včetně rychlosti lití. Průběhy teplot jsou zachyceny bez jakékoli následné úpravy. Reálný průběh ovlivňuje frekvence kmitání krystalizátoru, působení licího prášku a jiné provozní důvody. Z odlitých taveb byly vypočteny průměrné hodnoty tepelných toků sledovaných značek oceli, z kterých vyplývá, že u obou jakostí oceli jsou průměrné hodnoty tepelných toků ve spodní části krystalizátoru vyšší než v oblasti těsně pod hladinou roztavené oceli. Takové rozložení odvodu tepla po výšce krystalizátoru odporuje teoretickým předpokladům, neboť lze očekávat intenzivnější odvod tepla mezi taveninou a stěnou krystalizátoru než v místech, kde se s měděnou stěnou
Hutnické listy č.3/2008 stýká utuhlá kůra předlitku. Z tohoto důvodu byl proveden podrobný rozbor odvodu tepla vodou krystalizátoru a jeho hodnoty porovnány s výše vypočtenými tepelnými toky. Z množství tepla odvedeného chladící vodou lze stanovit pouze průměrnou hodnotu tepelného toku po výšce a obvodu krystalizátoru. Na základě dřívějších měření katedry tepelné techniky byla navržena metodika, která umožňuje z průměrné hodnoty tepelného toku určit konkrétní rozložení odvodu tepla po výšce krystalizátoru. Tímto způsobem vypočtené hodnoty tepelných toků byly porovnány s tepelnými toky, stanovenými z teplot, měřenými termosondami ve stěně krystalizátoru [4]. Z tohoto porovnání vyplývá zásadní rozdíl mezi hodnotami tepelných toků v horní a spodní části krystalizátoru. Zatímco v horní části se velikosti tepelných toků stanovených oběma metodami odlišují pouze o 5 až 9 %, ve spodní části se porovnávané hodnoty liší několikanásobně. Příčina tohoto rozdílu pravděpodobně souvisí s rozdílným způsobem kompenzace studených konců termočlánků X1 až X4 a N1 až N14. S ohledem na výše provedené porovnání lze konstatovat, že tepelné toky vypočtené z teplot stěny krystalizátoru v horní části jsou blízké reálným hodnotám, zatímco tepelné toky určené pro dolní část krystalizátoru neodpovídají skutečnosti.
4.
Závěr
V rámci výzkumu tepelné pochodů v primární oblasti chlazení bylo provedeno vyhodnocení teplotních profilů z hlediska chemického složení, rychlosti lití, opotřebení krystalizátoru a vypočteny hodnoty tepelných toků po výšce krystalizátoru. Potvrdila se již dříve zjištěná skutečnost, že u ocelí odlévaných při vyšší teplotě jsou teploty ve stěně krystalizátoru nižší. Znamená to, že s rostoucím obsahem uhlíku v oceli roste také teplota měděné stěny.
Tepelná technika Tento trend vykazují teploty na MR i VR a je zejména výrazný ve spodní části krystalizátoru. Ukázalo se, že nejvýznamnějším vliv má při odlévání na velikost teplotního profilu licí rychlost. Snížení licí rychlosti o 0,01 m.min-1 způsobuje pokles teploty stěny o 3 až 5 K a je přibližně srovnatelné se zvýšením hladiny o 10 %. Při posuzování vlivu jednotlivých technologických parametrů je potřeba úzkostlivě dodržovat konstantní licí rychlost, neboť její změny už v řádu cm.min-1 způsobují poměrně velké posuny teplotních profilů a mohou zcela potlačit vliv ostatních parametrů. Z výpočtů tepelných toků lze konstatovat, že tepelné toky vypočtené z teplot stěny krystalizátoru v horní části jsou blízké reálným hodnotám, zatímco tepelné toky určené pro dolní část krystalizátoru neodpovídají skutečnosti. Tento fakt byl potvrzen kontrolním výpočtem odvodu tepla chladicí vodou krystalizátoru. Příčina popsaného rozdílu pravděpodobně souvisí s rozdílným způsobem kompenzace studených konců termočlánků X1 až X4 a N1 až N14. Literatura [1]
[2]
[3]
[4]
PŘÍHODA, M., et al. Vliv technologických parametrů odlévání na rozložení teplot v kruhovém krystalizátoru ZPO. In Sborník přednášek 11. mezinárodní konference metalurgie a materiálů METAL 2002. Hradec nad Moravicí, 2002. ISBN 8085988-73-9. CHO, J., EMI, T., SHIBATA, H. Thermal resistance at the interface between mold flux filmand mold for continuously casting of steel. ISIJ International, 1998, no. 5, p. 440-446. BOERI, R., CICUTTI, C. A simple method for shell thickness at the mold exit in the continuous casting of steel. ISIJ International, 2001, no. 3, p. 311-313. PŘÍHODA, M., et al. Nové poznatky z výzkumu plynulého odlévání oceli. 1. vyd. Ostrava: Ediční středisko VŠB-TU Ostrava, 2001. 175 s. ISBN 80-248-0037-3.
Recenze: Prof. Ing. Jozef Kijac, CSc.
77
