Badania przemysłowe jako weryfikacja numerycznego modelu przepływu stali w jednowylewowej kadzi pośredniej

Transkrypt

1 2008 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S. 101 Mgr inż. ADAM WUDZIŃSKI UKD : Dr hab. inż. JAN JOWSA prof. P.z. Politechnika zęstochowska, Katedra Ekstrakcji i Recyrkulacji Metali ul. Armii Krajowej zęstochowa cwudzinski@mim.pcz.czest.pl Mgr inż. ZBIGNIEW SPRAWKA Mgr inż. JAEK GRUSZZYŃSKI ISD Huta zęstochowa Sp. z o.o., Zakład Stalownia ul. Kucelińska zęstochowa zsprawka@hsc.com.pl Badania przemysłowe jako weryfikacja numerycznego modelu przepływu stali w jednowylewowej kadzi pośredniej Industrial research as verification numerical model of steel flow in the one slab tundish W pracy przedstawiono wyniki symulacji komputerowej przepływu stali w jednowylewowej kadzi pośredniej. W jednej z hut wykonano badania eksperymentalne podczas procesu ciągłego odlewania stali. Efektem eksperymentu przemysłowego były charakterystyki zmiany stężenia pierwiastków chemicznych podczas zmiany gatunku stali w trakcie sekwencji odlewniczej. Do symulacji numerycznej procesu odlewania użyto modelu matematycznego, do rozwiązania którego zastosowano program Fluent. W rezultacie obliczeń numerycznych otrzymano mapy stężenia znacznika oraz krzywe RTD (Residence Time Distributions) typu F. Krzywe RTD typu F charakteryzują hydrodynamikę procesu mieszania się dwóch gatunków stali o odmiennym składzie chemicznym. Do weryfikacji modelu matematycznego i uzyskanych wyników symulacji numerycznych zastosowano wyniki badań empirycznych uzyskanych podczas eksperymentu przemysłowego. The paper presents the results of computing simulation steel flow in the slab tundish. In the steel mill experimental research during continuous steel casting process were done. Effect of industrial experiment was characteristic of change chemical elements during change of steel grades in the course of casting sequence. The Fluent program was used for solved mathematical model of casting process. As a results of numerical simulation maps of tracer concentration and Residence Time Distributions curves type of F has been obtained. The RTD curves of type F describe hydrodynamic process of mixing two different steel grades. For verification of mathematical model and results of numerical simulation were applied results of empirical research obtained during industrial experiment. Słowa kluczowe: jednowylewowa kadź pośrednia, przepływ stali, model numeryczny, badania przemysłowe Key words: slab tundish, steel flow, numerical model, industrial research 1. Wstęp. Produkt stalowy w postaci wlewków stalowych otrzymuje się podczas procesu ciągłego odlewania stali. Proces ten jest związany z odpowiednim doprowadzeniem ciekłego metalu do krystalizatorów maszyny OS poprzez wylewy kadzi pośredniej. zas przebywania stali w kadzi pośredniej jest wystarczająco długi, aby móc przeprowadzić zabiegi technologiczne poprawiające jakość odlewanej stali. Fakt ten doprowadził do rozwoju metalurgii trzeciorzędowej związanej między innymi z optymalizacją pracy kadzi pośredniej. Optymalizacja pracy kadzi pośredniej może dotyczyć takich zabiegów technologicznych, jak: dogrzewanie plazmą termiczną [1], odgazowanie obiegowe [2] odlewania stali za pomocą kadzi wyposażonej w komorę próżniową [3] lub zabudowywania wnętrza kadzi urządzeniami sterującymi przepływem [4 6]. Badania oraz działania usprawniające, dotyczące kadzi pośredniej, można wspierać narzędziami w postaci programów do symulacji numerycznych FD (omputational Fluid Dynamic). Uzyskane wyniki podczas symulacji komputerowej umożliwiają szczegółową analizę dotyczącą warunków hydrodynamicznych i termicznych w badanym obiekcie. Dostępne na rynku komercyjne kody (Fluent, omsol, Ansys FX, STAR-D) są ciągle doskonalone, a wyniki otrzymane przy ich zastosowaniu coraz dokładniejsze. Istnieje jednak potrzeba weryfikacji wyników numerycznych poprzez odniesienie się do eksperymentów na modelach fizycznych [7] lub badaniach realizowanych w warunkach przemysłowych [8]. Zwłaszcza eksperyment przemysłowy przeprowadzony w warunkach stricte produkcyjnych podczas procesu odlewania stali pozwala użytkownikowi oprogramowania numerycznego na zweryfikowanie poprawności otrzymanych

2 S. 102 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr 3 wyników symulacyjnych. W niniejszej pracy zaprezentowano wyniki badań symulacyjnych oraz przemysłowych związanych z przepływem stali przez kadź pośrednią przeznaczoną do odlewania wlewków płaskich. Przedstawione w pracy wyniki badań są kontynuacją badań [9 11] związanych z optymalizacją pracy kadzi pośredniej, przeznaczonej do odlewania wlewków płaskich. 2. Badany obiekt. Badanym obiektem jest jednowylewowa kadź pośrednia przeznaczona do odlewania wlewków płaskich. Kadź współpracuje z maszyną do ciągłego odlewnia stali typu kombi, umożliwiającą odlewanie wlewków zarówno płaskich (odlewania jednego wlewka), jak i kwadratowych (odlewanie trzech wlewków) po uprzednim zamontowaniu kadzi posiadającej trzy otwory wylewowe. Podczas odlewania wlewka płaskiego w kadzi pośredniej montowany jest zatyczkowy system regulacji wypływu stali. Poprzez system zatyczkowy do stali wdmuchiwany jest argon, minimalizujący proces zarastania wylewu kadzi pośredniej. Dodatkowo dla minimalizacji wpływu czynników zewnętrznych obniżających jakość odlewanej stali wykorzystywane są ceramiczne rury osłonowe, poprzez które stal wpływa do kadzi pośredniej, oraz wylewy zanurzeniowe doprowadzające stal do krystalizatora. Nominalna pojemność kadzi pośredniej wynosi 30 Mg. W kadzi pośredniej zamontowana jest przegroda z dwoma oknami przelewowymi. Na rysunku 1a przedstawiono widok kadzi pośredniej podczas przygotowania jej do procesu odlewania, natomiast rys. 1b przedstawia wirtualne odwzorowanie obiektu przemysłowego wygenerowanego na potrzeby symulacji numerycznej. Rys. 1. Widok kadzi pośredniej: a obiekt przemysłowy, b model wirtualny Fig. 1. The slab tundish: a industrial facility, b virtual model Ta b l i c a 1. harakterystyka sekwencji odlewniczych, podczas których wykonano badania eksperymentalne Ta b l e 1. haracteristic of continuous casting sequences while industrial experiment was executed Lp. Numer sekwencji odlewniczej Liczba kadzi stalowniczych odlanych w sekwencji Odlewane w sekwencji gatunki wg. kodów stalowni Format odlewanego wlewka stalowego mm Prędkość odlewania stali, m /min H, 37, , 68, 01, , , 77, Rys. 2. Rozkład stężenia znacznika charakteryzującego zalewanie kadzi pośredniej nowym gatunkiem stali po upływie 300 sekund: a w objętości kadzi, b na płaszczyźnie przebiegającej przez wlew i wylew kadzi pośredniej Fig. 2. Distribution of tracer concentration characteristic pouring of tundish new steel grade after 300 seconds: a in the volume of tundish, b on the plane of inlet and outlet zone of tundish

3 2008 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S Metodyka badań. iągłe odlewanie stali (OS) jest bezsprzecznie najbardziej optymalną metodą pozyskiwania produktu stalowego w postaci wlewka. Warunki hydrodynamiczne obiektu w warunkach przemysłowych są trudne do zbadania z racji wysokiej temperatury ciekłej stali i nieprzezroczystości stali i ścian kadzi pośredniej. Dlatego wykonanie badań modelowych jest słuszne, bowiem dostarcza wielu cennych informacji o pracy obiektu. Badania te są tym cenniejsze, jeśli można je zweryfikować badaniami przemysłowymi. Weryfikacja w niniejszym przypadku polegała na porównaniu charakterystyk dotyczących mieszania się stali podczas odlewania dwóch gatunków stali o różnym składzie chemicznym, uzyskanych podczas symulacji komputerowej, z wynikami badań eksperymentalnych. Eksperyment przemysłowy wykonano w trakcie procesu odlewania stali, rejestrując zmianę składu chemicznego odlewanej stali. W tym celu wykonano trzy serie badań dla odmiennych warunków odlewania i różnych gatunków stali (tabl. 1). Eksperyment polegał na pobieraniu serii próbek ciekłej stali z krystalizatora maszyny OS w trakcie trwania procesu odlewania wlewków. Następnie próbki były analizowane w laboratorium pod względem składu chemicznego. Wykonanie zestawienia czasowego zmiany stężenia pierwiastków chemicznych pomiędzy odlewanymi gatunkami stali umożliwiło wyznaczenie charakterystyki mieszania się odlewanych gatunków stali. Dla wyznaczenia charakterystyki RTD należało uzyskane podczas analizy laboratoryjnej wartości stężeń pierwiastków chemicznych przeliczyć na wartości bezwymiarowe według następującej zależności [12 13]: F = t 0 (1) gdzie: t chwilowe stężenia pierwiastka w stali, 0 początkowe stężenie pierwiastka w stali, końcowe stężenie pierwiastka w stali. Do symulacji komputerowej procesu mieszania stali w kadzi wykorzystano model matematyczny, który rozwiązano za pomocą programu Fluent. Podstawą modelu matematycznego był układ równań opisujących przenoszenie masy, pędu i energii. Efekt zaburzenia charakteru przepływu laminarnego opisano modelem turbulencji k-ε. Obliczenia wykonano dla warunków niestacjonarnych, rejestrując proces mieszania się dwóch gatunków stali o odmiennym składzie chemicznym. Symulacje numeryczne były wykonane dla analizowanych sekwencji odlewniczych, uwzględniając w warunkach początkowych parametry opisujące poszczególne sekwencje odlewnicze przedstawione w tabl. 1. Rejestrowano zmianę stężenia płynącego medium (ciekła stal) w zakresie od 0 0 Rys. 3. Rozkład stężenia znacznika charakteryzującego zalewanie kadzi pośredniej nowym gatunkiem stali po upływie 700 sekund: a w objętości kadzi, b na płaszczyźnie przebiegającej przez wlew i wylew kadzi pośredniej Fig. 3. Distribution of tracer concentration characteristic pouring of tundish new steel grade after 300 seconds: a in the volume of tundish, b on the plane of inlet and outlet zone of tundish Rys. 4. Rozkład stężenia znacznika charakteryzującego zalewanie kadzi pośredniej nowym gatunkiem stali po upływie 1000 sekund: a w objętości kadzi, b na płaszczyźnie przebiegającej przez wlew i wylew kadzi pośredniej Fig. 4. Distribution of tracer concentration characteristic pouring of tundish new steel grade after 1000 seconds: a in the volume of tundish, b on the plane of inlet and outlet zone of tundish

4 S. 104 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr 3 do 1 bezwymiarowego stężenia, gdzie wartość 1 oznacza nowy gatunek wpływający do kadzi pośredniej, a wartość 0 gatunek stali zastany w kadzi pośredniej. Rejestracji stężenia wirtualnego znacznika stali na wylewie kadzi pośredniej dokonywano z krokiem czasowym 0,5 sekundy. 4. Wyniki obliczeń. W wyniku przeprowadzonych obliczeń numerycznych otrzymano pola rozkładu znacznika w obszarze kadzi oraz krzywe RTD typu F (rys. 2 10). Przedstawione na rysunkach 2 4 a i b pola charakteryzujące rozkład stężenia znacznika dla wybranej chwili odlewania dostarczają informacji o procesie mieszania się dwóch gatunków stali w obszarze kadzi pośredniej. Z rysunków 2 4 widać, że po upływie 700 sekund od momentu rozpoczęcia procesu zalewania kadzi pośredniej nowym gatunkiem stali, wypełnia on już zdecydowaną większość objętości kadzi pośredniej. Po czasie 1000 sekund w objętości kadzi pośredniej stężenie znacznika stali osiąga wartość z przedziału 0,75 do 1. Przedstawione mapy rozkładu stężenia znacznika Rys. 5. Krzywa mieszania F obliczona numerycznie i rozkład zmian stężenia u podczas eksperymentu przemysłowego dla sekwencji odlewniczej numer Fig. 5. The curve of mixing F calculated by numerical simulation and distribution of change concentration of u during industrial experiment for casting sequence number Rys. 7. Krzywa mieszania F obliczona numerycznie i rozkład zmian stężenia podczas eksperymentu przemysłowego dla sekwencji odlewniczej numer Fig. 7. The curve of mixing F calculated by numerical simulation and distribution of change concentration of during industrial experiment for casting sequence number Rys. 6. Krzywa mieszania F obliczona numerycznie i rozkład zmian stężenia Nb podczas eksperymentu przemysłowego dla sekwencji odlewniczej numer Fig. 6. The curve of mixing F calculated by numerical simulation and distribution of change concentration of Nb during industrial experiment for casting sequence number Rys. 8. Krzywa mieszania F obliczona numerycznie i rozkład zmian stężenia r podczas eksperymentu przemysłowego dla sekwencji odlewniczej numer Fig. 8. The curve of mixing F calculated by numerical simulation and distribution of change concentration of r during industrial experiment for casting sequence number 14985

5 2008 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S. 105 mają charakter poglądowy i umożliwiają obserwację wpływu prędkości przepływającej przez kadź stali, poziomu wypełnienia kadzi pośredniej oraz jej geometrii na homogeniczność otrzymanych gatunków stali. Możliwość przestrzennego analizowania zmian stężenia znacznika w kadzi nie jest możliwe w warunkach przemysłowych, dlatego informacje dostarczone przez symulacje numeryczne są cenną pomocą do identyfikacji procesu mieszania się stali podczas sekwencyjnego odlewania różnych gatunków stali. Weryfikacją poprawności modelu matematycznego oraz zgodności wyników symulacji z rezultatami badań eksperymentalnych są rysunki Rys. 9. Krzywa mieszania F obliczona numerycznie i rozkład zmian stężenia Mn podczas eksperymentu przemysłowego dla sekwencji odlewniczej numer Fig. 9. The curve of mixing F calculated by numerical simulation and distribution of change concentration of Mn during industrial experiment for casting sequence number Na tych rysunkach przedstawiono krzywe RTD typu F obliczone podczas symulacji numerycznej wraz z naniesionymi punktami pomiarowymi, odpowiadającymi zmianom stężenia wybranych pierwiastków stali dla sekwencji odlewniczych przedstawionych w tabl. 1. Brak pełnej zgodności rozkładu punktów eksperymentalnych w stosunku do krzywej obliczonej numerycznie wynikać może z przyczyn chwilowych zaburzeń procesu ciągłego odlewania stali w warunkach przemysłowych, tj. zmian w poziomie stali w kadzi pośredniej, prędkości odlewania wlewka ciągłego oraz reakcjami powtórnego utleniania składników stali przebiegającymi w obszarze ciekły metal, ciekły metal-faza żużlowa. Ponadto decyduje tutaj miejsce pobrania próbek z krystalizatora. 5. Podsumowanie. Przedstawione w pracy wyniki badań przemysłowych potwierdzają przydatność modelu matematycznego oraz symulacji numerycznej do analizy pracy kadzi. Stwierdzono zadowalającą zgodność wyników symulacyjnych ze stanem faktycznym zarejestrowanym podczas eksperymentu przemysłowego. Dostarczone w wyniku obliczeń informacje w postaci map stężeń i krzywych RTD, charakteryzują proces mieszania się odmiennych gatunków stali i stwarzają podstawy do modyfikacji przestrzeni wewnętrznej kadzi pośredniej optymalizującej proces mieszania się stali i minimalizującej zakres strefy przejściowej, w której często powstają stale o składzie chemicznym, mało atrakcyjnym dla odbiorców wyrobów stalowych. Skuteczne przeprowadzenie właściwych badań przemysłowych intensyfikuje współpracę pomiędzy ośrodkami naukowo-badawczymi a przemysłem hutniczym. Dobra współpraca w tym zakresie może być kluczem do opracowania nowych technologii obniżających koszty produkcji i podwyższający jakość produktów stalowych. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2007/2008 jako projekt badawczy nr N /3441 Rys. 10. Krzywa mieszania F obliczona numerycznie i rozkład zmian stężenia r podczas eksperymentu przemysłowego dla sekwencji odlewniczej numer Fig. 10. The curve of mixing F calculated by numerical simulation and distribution of change concentration of r during industrial experiment for casting sequence number L i t e r a t u r a 1. Johnson T. P., Liddiard L. J., Priday.: Plasma Tundish Heating Productivity and ost Savings, 4th European ontinuous asting onference, Birmingham UK, 2002, s Stolte G.: Secondary Metallurgy: Fundamentals, Processes, Applications, Verlag Stahleisen GmbH, Stamp D. W., Hughes E., hown A. R., Pattison K. A., Emtage P. A., Scholes A.: Development of Vacuum Tundish Technology for asting Operations within orus, 4th European ontinuous asting onference, Birmingham UK, 2002, s Vargas-Zamora A., Morales R. D., Diaz-ruz M., Palafox-Ramos J., Garcia Demedices L.: Heat and Mass Transfer of a onvective-stratified Flow in a Trough Type Tundish, International Journal of Heat and Mass Transfer t. 46, 2003, s Solorio Diaz G., Ramos Banderas A., Barreto J. de J., Moraleds R. D.: Water Modeling of Fluid Flow Dynamics of Vortex Formation in a Tundish During Steady and Unsteady State Operations, AIStech Proceedings, Vol. I, 2006, s

6 S. 106 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr 3 6. Najera-Bastida A., Garcia-Demedices L., Ramirez-Lopez P., Torres-Alonso E., Morales R.D.: Dissipation of Turbulent Kinetic Energy in a Tundish by Inhibitors with Different Designs, Steel research int. t. 78, 2007, nr 4, s Merder T., Pieprzyca J., Fornalczyk A.: Modelowanie fizyczne i numeryczne przepływu stali w kadzi pośredniej OS, Hutnik-Wiadomości Hutnicze, 2007, nr 12, s Merder T., Jowsa J., Warzecha M.: Verification of the Numerical Simulation if Liquid Steel Flow in ontinuous asting Tundish, SteelSim Proceedings, 2005, s wudziński A., Jowsa J.: Wpływ zmiany i modyfikacji warunków brzegowych na wynik symulacji numerycznej przepływu stali w jednootworowej kadzi pośredniej, XV Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Produkcja i Zarządzanie w Hutnictwie, Zakopane 2007, s wudziński A.: Przepływ stali w jednootworowej kadzi pośredniej symulacja numeryczna w warunkach izotermicznych i nieizotermicznych, II Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, Kraków 2007, s wudziński A.: Wpływ wielkości siatki obliczeniowej na wynik symulacji numerycznej przepływu stali w kadzi pośredniej do odlewania wlewków płaskich, II Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, Kraków 2007, s Seshadri V., ravo V. O., Moreira D. B., da Silva. A., da Silva I. A., Leao V. A.: Development and validification of grade transition model through physical modeling and plate sampling, International onf. Advances in Metallurgical Processes and Materials, Dnipropetrovsk 2007, s Jowsa J., Merder T., Bogusławski A., Mendrek A.: harakterystyki mieszania podczas odlewania stali przy użyciu sześciowylewowej kadzi pośredniej, Hutnik-Wiadomości Hutnicze, 2005, nr 7-8, s Dr hab.inż. TERESA LIS, prof. Politechniki Śląskiej UKD :669.14: Politechnika Śląska, Katedra Zarządzania Procesami Technologicznymi ul. Krasińskiego 8, Katowice teresa.lis@polsl.pl haracterization of typical non-metallic inclusions in clean steels harakterystyka typowych wtrąceń niemetalicznych w czystych stalach Non-metallic inclusions are present in all steels. Requirements of the contemporary market cause that produced steels are continually cleaner. The best steel producer defines the level of quality that is expected by a standard desired by the customer is continuously changing as a function of times and technological improvements. The name of clean steels is not unequivocal. lean steels are among other properties characterised by decreasing amount of non-metallic inclusions the sizes of which, in turn, become smaller and smaller (diameter less than 20 microns). Assessment of the steel contamination caused by microinclusions is difficult primarily due to the necessity of using large magnifications. In the paper, typical microinclusions have been discussed. Wtrącenia niemetaliczne występują we wszystkich stalach. Wymagania współczesnego rynku powodują, że wytwarzane stale są coraz czyściejsze. Najlepsi producenci stali określają poziom jakości oczekiwany przez klienta, zmieniający się w czasie. Termin czyste stale nie jest jednoznaczny. zyste stale charakteryzują się m.in. coraz mniejszą ilością wtrąceń niemetalicznych, które też są coraz mniejsze (średnica 20 µm). Ocena zanieczyszczenia stali mikrowtrąceniami jest utrudniona przede wszystkim ze względu na konieczność stosowania dużych powiększeń. W pracy zaprezentowano typowe mikrowtrącenia. Key words: clean steel, non-metallic inclusions, microinclusions Słowa kluczowe: czysta stal, wtrącenia niemetaliczne, mikrowtrącenia 1. Introduction. Until the present, steel has retained the leading position among the structural materials and the analysis of the annual crude steel manufacture volume changes within the past 50 years shows that steel manufacturing has been systematically increasing all around the world, and the average annual increase since 2002 equals 7.5 %. Steel products are characterized by a wide range of use properties depending to a considerable extent on the manufacturing technology applied. One of the factors determining the quality of steel products is contamination of the steel being manufactured by non-metallic inclusions. The general tendency and technological capabilities of melting steels of increasing purity cause that the inclusions occurring in steel are smaller and smaller which in turn generates a series of problems related to their identification.