Hutnické listy č.3/2008
Výroba oceli
Vývoj modelu směsných oblastí pro ZPO č.1 v Třineckých železárnách, a.s. Prof. Ing. Karel Michalek, CSc., VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava-Poruba Ing. Jan Morávka, Ph.D., Třinecký inženýring, a. s., Třinec – Staré Město Ing. Miroslav Honzák, TŘINECKÉ ŽELEZÁRNY, a. s., Průmyslová 1000, 739 61 Třinec – Staré Město,Třinec Ing. Karel Gryc, Ph.D., Ing. Zbyněk Hudzieczek, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava-Poruba Ing. Tomáš Huczala, TŘINECKÉ ŽELEZÁRNY, a. s., Průmyslová 1000, 739 61 Třinec – Staré Město,Třinec Příspěvek je věnován zpracování výsledků fyzikálního modelování rozsahu směsné oblasti vznikající v odlévaných předlitcích v podmínkách zařízení plynulého odlévání oceli (ZPO) č. 1 v Třineckých železárnách, a.s. V rámci experimentálních prací bylo provedeno více než 200 samostatných pokusů na fyzikálním modelu mezipánve (1:5), které byly zaměřeny na posouzení vlivu okrajových podmínek odlévání. Jednalo se o posouzení vlivu počáteční a konečné hmotnosti oceli v mezipánvi při doplňování mezipánve, intenzity doplňování mezipánve, vlivu licí rychlosti, vlivu zastavení licích proudů ad. Výsledky experimentů pak byly zpracovány využitím matematicko-statistických metod, pomocí kterých byly získány regresní rovnice délkových parametrů směsných oblastí, které byly v dalším kroku zobecněny pro všechny odlévané formáty na ZPO č.1 včetně případů s odléváním různých formátů v jedné tavbě.
1. Úvod Směsné oblasti, které vznikají v sekvenčně plynule odlévaných předlitcích v případě lití rozdílných značek ocelí s rozdílným chemickým složením, představují poměrně závažný kvantitativní i kvalitativní problém, který může podstatně ovlivnit celkový výtěžek oceli při plynulém odlévání a v některých případech i zhoršit vlastnosti oceli. Problematiku směsných oblastí lze v určitých případech řešit např. logisticky, tzn. vhodným výběrem taveb s minimálním rozdílem chemického složení sekvenčně litých ocelí. V podmínkách Třineckých železáren, kde jsou na kyslíkokonvertorové ocelárně vyráběny stovky rozdílných jakostí ocelí lze tento přístup využít jen částečně a bylo proto nutné celou problematiku směsných oblastí řešit komplexně tzn. od stanovení jejího rozsahu v závislosti na parametrech odlévání, provedení provozní verifikace až po úkoly minimalizace technologických zbytků v poslední tavbě sekvence.
základě matematicko-statistického zpracování dat z fyzikálního modelování, přičemž výsledkem jsou regresní rovnice délkových parametrů směsných oblastí.
2. Fyzikální oblasti
modelování
vzniku
směsné
Pro modelový výzkum byl použit fyzikální model mezipánve v délkovém měřítku 1:5 (obr.1), na kterém bylo provedeno více než 200 samostatných experimentů, které byly zaměřeny na posouzení základních modelových variant a vlivu změn okrajových podmínek (vlivu počáteční a konečné hmotnosti oceli v mezipánvi při doplňování mezipánve, intenzity doplňování mezipánve, vlivu licí rychlosti, vlivu zastavení licích proudů). Mezipánev pětiproudého lití charakterizuje asymetrické umístění vtokové části, u které je stínicí trubice umístěna mezi třetí a čtvrtou výlevku a navíc mimo rovinu výlevek směrem k zadní stěně mezipánve.
Na základě velmi pozitivních výsledků při provozování modelu směsných oblastí (MSO) na osmiproudém sochorovém ZPO č.2 v TŽ, a.s., který je funkční již od roku 2005 [1], bylo rozhodnuto, že je nutno obdobný model implementovat i do podmínek pětiproudého blokového ZPO č.1. Řešení této problematiky bylo však pro podmínky tohoto zařízení mnohem komplikovanější než pro ZPO č.2. Složitost byla dána jednak tím, že na ZPO č.1 jsou odlévány mnohem větší formáty, u kterých lze předpokládat i větší míru penetrace „nové“ oceli do jádra předlitku a rovněž tím, že bylo nutno zohlednit i různé způsoby odlévání, kdy se na jednotlivých proudech mohou odlévat různé formáty s odlišnou metrovou hmotností. Základní údaje o vzniku a rozsahu směsné oblasti byly získány pomocí metody fyzikálního modelování. Příslušný model směsných oblastí byl pak vytvořen na
Obr. 1. Sestava fyzikálního modelu mezipánve ZPO č.1 zhotoveného v délkovém měřítku ML= 0,2 (1:5) Fig. 1. A set of a tundish physical model of the Continuous Casting Machine (ZPO) no.1 made under lenght scale of ML= 0,2 (1:5)
41
Výroba oceli Sestava modelu byla vybavena plynulou regulací objemového průtoku modelové kapaliny do mezipánve a jeho snímáním pomocí indukčního průtokoměru. Při fyzikálním modelování přechodových dějů byla v souladu s teorií podobností dodržována podmínka identity kriteria Fr (Froude) a Tu (tundish)) pro dílo a model. Simulace změny značky oceli byla na modelu provedena trvalou skokovou změnou (Heavisideův jednotkový skok) toku vodného roztoku KCl s jinou koncentrací při stejné teplotě (izotermický děj), případně i s jinou teplotou (neizotermický děj). Odezva změn vodivosti a teploty roztoku na výstupech z mezipánve (přechodové křivky, charakteristiky) byla snímána pomocí vodivostních Pt a teplotních Ni senzorů. V měřící ústředně byla pak naměřena vodivost nejdřív korigována vzhledem ke skutečné teplotě a dále byla přepočítána na skutečnou koncentraci roztoku. Takto zpracovaný signál pak byl snímán příslušným komunikačním softwarem do PC, pomocí kterého probíhalo i další zpracování dat (zobrazování, filtrace, ukládání apod.) – viz obr.2.
Hutnické listy č.3/2008
3. Podmínky a varianty modelování Kromě řady pokusů pro obdélníkový formát 300 x 350 mm byly v roce 2008 uskutečněny další (doplňující) pokusy s ohledem na odlévaný kruhový formát ∅ 525 mm, které byly orientovány pouze na režim tzv. doplňování MP (který je v technologické praxi široce používán) pro dvě úrovně intenzity (průtoku) doplňování. Podmínky modelových experimentů a následného hodnocení rozsahu směsných oblastí lze specifikovat následovně: • odlévaný kruhový formát předlitků ∅ 525 mm, • typ dopadového prvku licího proudu na dně MP: ULP (usměrňovač licího proudu – polomonolit vyrobený ve firmě Refrasil), • režim tzv. doplňování (D) MP se základní i sníženou intenzitou (průtokem) 7 a 5 t/min pro 8 variací počáteční a koncové hmotnosti oceli v mezipánvi mMP : 20 / 23 / 26 t → 32 t a 23 / 26 / 29 / 32 / 35 t → 38 t (a tomu odpovídající výšky hladiny lázně v modelu MP) v kombinací se zastavením (režim Z) jednoho (LP3) a dvou licích proudů (LP1 a LP5, LP1 a LP2, LP3 a LP4), čemuž odpovídá 5 variant modelování {D,E,F,G,H}, • licí rychlosti (v): 0.255, 0.324 a 0.398 m/min, • bezrozměrová specifikace koncentrace v rozmezí <0.1, 0.9>, • aproximace přechodových charakteristik pomocí tzv. modelu MMF, časové parametry aproximačních modelů byly přepočítány na časové, délkové (v závislosti na simulované rychlosti odlévání) a hmotnostní parametry směsných oblastí. Bližší popis sestavených 5 základních variant (skupin) pokusů D, E, F, G a H je uveden v [2].
4. Dimenzionalita úlohy a proměnné
Obr. 2. Schéma rozložení měřících prvků modelového zařízení použitého pro modelování vzniku směsných oblastí Fig. 2. Layout chart of measuring elements of a model system used for simulation of transition zones formation
Výsledná data pak byla přenesena do prostředí MS Excel, kde byly prováděny transformace hodnot naměřených na modelu na podmínky „díla“ (provozní podmínky) a potřebné grafické výstupy. Následné hodnocení vzniklých datových souborů bylo prováděno v prostředí programového systému MATLAB.
42
Závislost hmotnostních a délkových parametrů směsných oblastí je v daném případě obecně vícerozměrnou 6D závislostí. Jako nezávisle, vstupní, či ovlivňující proměnné (v experimentech nastavované na pevné konstantní hodnoty) se pro experimenty daného kruhového formátu ∅ 525 mm jeví veličiny (5 regresorů): • hmotnost tekuté oceli v provozní mezipánvi (mMP, přepočtená z výšky hladiny lázně v modelu MP, a to její počáteční mMPp, koncová hodnota mMPk, či jejich rozdíl dmMP), • licí rychlost (v), čili rychlost odlévání předlitků, • poloha výtoků oceli z MP, tj. poloha (číslo) licích proudů (LP = LP1 ÷ LP5), • počet zastavených licích proudů (nz), či odpovídající počet funkčních proudů (np = 5 – nz), • intenzita (průtok) doplňování (Id).
Hutnické listy č.3/2008 Vysvětlovanými proměnnými (regresandy) byly následující délkové a hmotnostní parametry směsné oblasti: délka počátku směsné oblasti pro bezrozměrovou koncentraci 0.1 … dp [m], délka konce směsné oblasti pro bezrozměrovou koncentraci 0.9 … dk [m], délka směsné oblasti pro bezrozměrové koncentrace 0.1, 0.9 … dso [m], celková hmotnost směsné oblasti na všech (funkčních) licích proudech … cmso [t]. Uvedené první dva délkové parametry dp a dk jsou stanoveny od doby (polohy) počátku toku oceli z nové licí pánve do mezipánve.
Výroba oceli Tab.1. Používané varianty (V) odlévaných formátů [mm] na licích proudech ZPO 1 Table no. 1. Applied variants (V) of cast formats (mm) in casting streams of the continuous casting machine (ZPO) no. 1.
V 1 2 3 4 5 6a 6b
LP1 LP2 LP3 LP4 LP5 300x350 300x350 300x350 300x350 300x350 ∅ 320 ∅ 320 ∅ 320 ∅ 320 ∅ 320 ∅ 410 ∅ 410 ∅ 410 ∅ 410 ∅ 410 ∅ 525 ∅ 525 ∅ 525 ∅ 525 ∅ 525 ∅ 525 ∅ 410 ∅ 525 ∅ 525 ∅ 525 ∅ 525 ∅ 410 ∅ 410 ∅ 410 ∅ 410 ∅ 410 ∅ 410 ∅ 525 ∅ 525
5. Prvotní statistická analýza
Na základě prvních závěrů pro formát předlitků ∅ 525 mm, bylo přikročeno k zobecnění závislosti i pro další formáty. Z minulé sady pokusů byla k dispozici data pro režim doplňování u formátu 300 x 350 mm.
Nejprve byla zpracována agregovaná data, tj. hmotnostní parametry režimu doplňování i zastavení a směsné oblasti. V tomto případě nebyl vliv polohy výtoků oceli z MP uvažován odděleně, takže šlo o zkoumání pouze 5D závislosti.
Parametrické 2D grafické znázornění závislosti maxima z maxim délky konce směsné oblasti max(dk-max) na mMPp pro oba formáty (různé metrové hmotnosti) a varianty pokusů, tj. různý počet funkčních licích proudů np, je na obr.3:
Cílem bylo stanovení statistické významnosti faktorů a jednoduché nelineární závislosti celkové hmotnosti směsné oblasti (cmso) na významných faktorech. max(dk-max) [m]
Pro stanovení statisticky významných faktorů, majících vliv na celkovou hmotnost směsné oblasti (cmso), byla nejprve („startovně“) uskutečněna vícenásobná lineární regresní analýza. Regresní model (s koeficientem determinace R2 = 94 %) prokázal, že jako vlivné faktory se jeví počáteční hmotnost oceli v MP (mMPp), intenzita doplňování (Id) a počet zastavených (nefunkčních) licích proudů (nz).
FM 525 a 300x350, np = 5,4,3 (D,F,H), max(dk-max) 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2
max(dk-max)-D max(dk-max)-H 19
Prakticky to tedy znamená, že hmotnost směsné oblasti lze redukovat snižováním hodnot parametrů, tj. snížením počáteční hmotnosti oceli v MP při jejím doplňování a snížením intenzity (hmotnostního průtoku) tohoto doplňování. Snížení počtu funkčních licích proudů má sice pozitivní vliv, ale je provozně neakceptovatelné (vyjma speciálních případů odlévání).
6. Délka směsné oblasti Při stanovení závislosti délkových parametrů směsné oblasti bylo nutné uvažovat všechny varianty odlévání předlitků na ZPO 1, obsahující podmnožinu variant se stejnými formáty předlitků na všech licích proudech (varianty 1, 2, 3) a podmnožinu s nestejnými formáty na těchto proudech (varianty 4, 5, 6) – viz tab.1, kde jsou uvedeny aktuálně užívané varianty na tomto blokovém kontilití:
21
23
25
27
max(dk-max)-F 300 x 350 29
31
33
35
37
mMPp [t] Obr. 3. Závislost max(dk-max) na mMPp a np Fig. 3. Dependence of max(dk-max) on mMPp and np
Prostřednictvím matematicko-statistické aproximační i regresní analýzy a vhodných programů pak byly stanoveny regresní koeficienty vhodné a relativně jednoduché 3D aproximačně-regresní nelineární závislosti veličiny dk = max(dk-max) na parametrech mMPp a součinu proměnných np⋅m1 v obecném tvaru: dk = A ( np , m1 ) ⋅ mMPp
B
,
(1)
kde je: dk – délka konce směsné oblasti [m], A – funkční multiplikativní koeficient [m/t], np – počet funkčních licích proudů [-], m1 – tzv. metrová hmotnost předlitků [t/m], mMPp – počáteční hmotnost oceli v MP [t], B – mocnitel (exponent) závislosti [-]. Grafické znázornění uvedené aproximační funkce ve
43
Výroba oceli
Hutnické listy č.3/2008
3D prostoru je na obr.4:
obr.6: • FM, režim D : celková hmotnost směsné oblasti, všechny formáty 75
cmso [t]
70 65 60 55 50 18
20
22
24 26 mMPp [t]
28
30
32
Obr. 6. Závislost cmso na mMPp u všech variant Fig. 6. Dependence of cmso on mMPp for all variations Obr. 4. Aproximační 3D závislost max(dk-max) na np⋅m1 a mMPp Fig. 4. Approximating 3D dependence of max(dk-max) on np⋅m1 and mMPp
Přehled o hodnotách koeficientu A pro jednotlivé formáty a varianty odlévání poskytuje tab.2: Tab.2. Hodnoty koeficientu A pro odlévané formáty a varianty odlévání předlitků Table no. 2. Values of a coefficient A for cast formats and variations of blank casting
Formát
A
300 x 350 ∅ 320 ∅ 410
1.736 2.234 1.386 1.003 0.803
∅ 525
Varianta odlévání 5 x 300 x 350 5 x 320 5 x 410 4+0 4+1, 2+3
5 5 5 4 5
320 max(dk-max) [m]
V průběhu prvních měsíců roku 2008 byly uskutečněny rovněž dva provozní experimenty zaměřené na stanovení koncentračních profilů ve směsné oblasti plynule odlévaných předlitků o průměru 525 mm. Podstata těchto experimentů spočívala v křížovém nalegování dvou po sobě sekvenčně odlévaných taveb pomocí Cr a Ni a detailním vyhodnocení koncentrací jednak na povrchu těchto předlitků, ale zejména na provedených příčných řezech, tak aby byla získána informace o průniku „nové“ oceli do centrální části předlitku. První experiment byl proveden při použití přímých náporových výlevek, druhý pak při použití pětiotvorových výlevek. Jelikož tyto experimenty ještě doposud nebyly plně vyhodnoceny, není zatím v regresní rovnici pro stanovení délky konce směsné oblasti zohledněna skutečnost proniknutí „nové“ oceli (z „nové“ tavby) do jádra předlitku odlévaného ze „staré“ oceli (z předchozí tavby). Výsledky těchto provozních experimentů budou předmětem dalšího připravovaného článku.
FM, režim D : max. délka konce směsné oblasti 25 20 300x350 410 525:4+0
10
9. Aktuální stav
525:4+1 525:2+3
5 18
20
22
24
26 28 mMPp [t]
30
32
34
Obr. 5. Parametrická závislost max(dk-max) na mMPp u všech variant Fig. 5. Parametric dependence of max(dk-max) on mMPp for all variations
7. Celková hmotnost směsné oblasti Závislost celkové hmotnosti směsné oblasti na všech funkčních licích proudech na mMPp je znázorněna na
44
8. Provozní experimenty
np
Názorně je závislost max(dk-max)) na mMPp pro dané varianty odlévání uvedena v 2D grafu na obr.5:
15
Z analýz vyplynulo, že předpokládaná relativní úspora celkové hmotnosti směsné oblasti se bude pohybovat v rozmezí asi 29 až 46 %.
V současné době jsou připravovány podklady pro sestavení algoritmu modelu směsných oblastí, který bude následně SW realizován na řídicích počítačích ZPO 1 v TŽ, a.s.
10. Závěr Na základě statistické analýzy a graficko-početního vyhodnocení výsledků, tj. délkových a hmotnostních parametrů aproximace směsných oblastí, pro režim tzv.
Hutnické listy č.3/2008
Výroba oceli
doplňování a naměřené hodnoty veličin fyzikálního modelování pro ZPO1 v TŽ, a.s. při odlévání formátu kruhových předlitků ∅ 525 mm (se zahrnutím předchozích výsledků pokusů pro obdélníkový formát předlitků 300 x 350 mm), izotermické podmínky a rozsah bezrozměrové koncentrace <0.1,0.9>, je možné konstatovat následující závěry a skutečnosti: • byly zjištěny statisticky významné vlivy na parametry směsné oblasti, mezi něž patří počáteční hmotnost oceli v MP, intenzita doplňování a počet zastavených (nefunkčních) licích proudů, pro základní intenzitu doplňování MP a pro rozmezí počáteční hmotnosti oceli v MP v intervalu (0) 20 ÷ 30 t byl stanoven univerzální vztah (maximální) délky konce směsné oblasti na licích proudech podle aktuálních 6-ti variant odlévání předlitků na ZPO 1, při aplikaci MSO lze předpokládat úsporu celkové hmotnosti směsné oblasti v rozmezí asi 29 až 46 % vůči stávajícímu stavu.
Literatura [1]
MICHALEK, K., GRYC, K., MORÁVKA, J., MRAJCA, V., KLAPSIA, J., SZYMANIK, V., WALEK, P.: Zkušenosti s provozním využíváním modelu směsných oblastí na ZPO č.2 v TŽ, a.s. Hutnické listy, č. 1, 2008, s.21-26. ISSN 0018-8069.
[2]
MICHALEK, K. 2008. Varianty pokusů u FM směsných oblastí s d = 525 mm. Ostrava : KM FMMI VŠB-TU Ostrava, 27.4.2008. 2 s.
[3]
HUCZALA, T. 2007. Modelování přechodových oblastí v plynule odlévaných blokových předlitcích. Magisterská práce. Ostrava : KM FMMI VŠB-TU Ostrava, květen 2007. 59 s.
[4]
MORÁVKA, J. aj. 2007. Modely minimalizace technologických zbytků a směsných oblastí na ZPO 1. Závěrečná zpráva projektu č. 1112605. Třinec : Ti, a.s., listopad 2007. 42 s.
Recenze: Ing. Rudolf Pernis, CSc.
_____________________________________________________________________________________________
EuroBLECH 2008 Hannover
21. – 25.10.2008 Hannover, Spolková republika Německo Veletržní areál, hala 11 – 17, 27 www.euroblech.com
45
