Rola kadzi pośredniej w procesie ciągłego odlewania stali

Transkrypt

1 Badane przepływu kąpel metalowej przez kadź pośredną urządzena COS na modelu zmnym. Wyznaczene wpływu zróżncowanej szybkośc wycągana pasm na przepływ kąpel w kadz pośrednej I. Część teoretyczna Cągłe odlewane stal jest procesem, który w cągu produkcyjnym wyznacza rytm synchronzację wszystkch pozostałych węzłów produkcyjnych. W chwl obecnej odlewa sę w sposób cągły bardzo szerok asortyment gatunków stal. Wraz z poszerzanem sę tego spektrum rosną równeż wymagana odnośne jakośc odlewanych wlewków. Wymagana dotyczą przede wszystkm czystośc stal, główne lośc rozmeszczena tlenkowych wtrąceń nemetalcznych. Wymagana stawane cekłej stal, która może być odlewana na maszyne COS są sformułowane jednoznaczne. Obok właścwe ustalonej temperatury kąpel kluczową rolę odgrywa zawartość tlenu. Z tego względu cąg technologczny produkcj stal wnen zapewnć ochronę metalu przed dostępem powetrza. Nedocągnęca w tym zakrese mogą powodować poważne problemy produkcyjne objawające sę zarastanem wylewów czy w skrajnym wypadku wycekam metalu pod krystalzatorem. Skutk ekonomczne tego typu zdarzeń odbjają sę bardzo negatywne na wynkach pracy stalown. Regulacja zawartośc tlenu w kąpel przy braku urządzena do próżnowego odgazowana kąpel metalowej jest zadanem nezwykle trudnym. W zwązku z powyższym w warunkach m. n. Stalown Konwertorowej HTS należy wykorzystać wszystke stnejące możlwośc technczne do obnżana zawartośc tlenu w kąpel. Jednym z takch rozwązań jest uznane kadz pośrednej urządzena COS za reaktor metalurgczny, który pownen umożlwać maksymalne usuwane wtrąceń nemetalcznych. Spełnene tak postawonego zadana wymaga dokonana zman konstrukcyjnych kadz pośrednej. Kerunk tych zman pownny zostać wyznaczone w oparcu o badana na fzycznym modelu kadz pośrednej. Metoda oparta o badana modelowe jest powszechne stosowaną metodą przy badanu przepływów w metalurg żelaza. Rola kadz pośrednej w procese cągłego odlewana stal Podstawowa funkcja kadz pośrednej w urządzenu do cągłego odlewana stal polega na obnżenu cśnena ferrostatycznego metalu oraz rozdzelenu kąpel na wymaganą lczbę odlewanych pasm. Jej obecność umożlwa ponadto sekwencyjne odlewane pozwalając na wymanę kadz głównych bez przerywana procesu. Realzacja wszystkch wymenonych czynnków brana jest pod uwagę przy optymalzacj jej konstrukcj. Głównym parametram 1

2 są tu całkowta objętość robocza kadz pośrednej oraz jej wysokość. Wraz ze zdobywanem dośwadczeń eksploatacyjnych zwrócono uwagę na kadź pośredną jako na reaktor metalurgczny, w którym możlwe jest przeprowadzene końcowej korekty składu chemcznego kąpel polegającej na asymlacj wtrąceń nemetalcznych. Równocześne stwerdzono, ż neprawdłowośc w eksploatacj kadz pośrednej mogą prowadzć do stotnego pogorszena parametrów odlewanej stal w skrajnym przypadku powodować koneczność przerwana procesu cągłego odlewana. Analza lcznych opracowań [1 4] zajmujących sę problemem kadz pośrednej urządzena COS pozwala wysunąć wnosk, ż zarówno zjawska fzyczne czyl przepływ metalu przez kadź jak reakcje chemczne na grancy metal - żużel pownny być w pełn kontrolowane. Tylko w takm przypadku możlwe jest odlane kęssk o wymaganej jakośc. Parametrem pozwalającym w przyblżenu ocenć przepływ kąpel przez kadź pośredną jest średn czas przebywana elementarnej objętośc metalu w kadz. Przy założenu całkowtego braku meszana kąpel czyl występowanu tzw. przepływu tłokowego (ang. plug flow), czas przebywana elementarnej objętośc kąpel można wylczyć w oparcu o parametry technologczne według wzoru: t = kp (1) R. t R - czas przebywana elementarnej objętośc w kadz pośrednej (ang. resdence tme), [mn], kp - objętość kąpel w kadz pośrednej, [m 3 ],. - objętoścowy przepływ kąpel przez kadź pośredną, [m 3 /mn]. Objętoścowy strumeń przepływu. wylcza sę z kole według wzoru:. = n p F (2) n p - lczba odlewanych pasm, [-], - szybkość wycągana pasma, [m/mn], F - pole przekroju pojedynczego pasma, [m 2 ]. Wylczony według wzoru (1) czas t R jest teoretyczne najdłuższym z możlwych 2

3 średnm czasem przebywana elementarnej objętośc metalu w kadz pośrednej. W praktyce osąga on wartośc o wele mnejsze. Spowodowane jest to charakterem rzeczywstego przepływu kąpel przez kadź, w której tworzą sę tzw. strefy martwe zmnejszające efektywną objętość kadz. Prowadz to w konsekwencj do występowana przepływu, który można określć jako tunelowy. Kąpel metalowa po wypłynęcu z króćca wylewowego kadz głównej przemeszcza sę natychmast do strefy otworów wylewowych nad krystalzatoram. Zjawsko to powoduje, ż efektywny czas przebywana w strefe oddzaływana żużla kadzowego jest dużo krótszy nż wynka to ze wzoru (1). Powodem dla którego należy dążyć do maksymalzacj czasu t R jest występujące w kadz pośrednej zjawsko asymlacj wtrąceń nemetalcznych, główne wtrąceń tlenkowych typu Al 2 O 3. Warunkem prawdłowego przebegu asymlacj wtrąceń jest stworzene warunków umożlwających dotarce wtrąceń do strefy metal - żużel oraz utworzene żużla zdolnego do ch asymlacj. Teoretyczne oblczena czasu wypływana wtrąceń z kąpel prowadzą do wnosku, ż jest on dużo dłuższy nż możlwy do osągnęca czas t R. Z tego względu należy z góry założyć, ż transport wtrąceń mus częścowo odbywać sę na drodze transportu konwekcyjnego. Osągnęce tego celu możlwe jest poprzez skerowane strumena kąpel do grancy metal żużel przy pomocy odpowedno uformowanych przegród zanstalowanych w kadz. Korzystny wpływ przegród polega ne tylko na poprawe asymlacj wtrąceń ale równeż na zmnejszenu objętośc stref martwych w kadz. Praktyczna realzacja postawonego celu napotyka na trudnośc zwązane z knetyką układu. Ruch kąpel w strefe grancznej ne może prowadzć do zaburzeń w postac zjawska porywana żużla w głąb metalu czy przerywana warstwy żużla pokrywającej kąpel. Przeprowadzone rozważana prowadzą równeż do wnosku, ż jakość żużla odgrywa w procese asymlacj rolę kluczową. Parametry, które mają tu znaczene podstawowe to skład chemczny żużla, jego lepkość oraz napęce powerzchnowe metalu asymlowanych wtrąceń. Fzyczny model kadz pośrednej dla maszyny COS pracującej w Stalown Konwertorowej HTS Krytera podobeństwa reaktora rzeczywstego jego modelu fzycznego Stosowane do badań wykonanych w skal, fzycznych model reaktorów rzeczywstych znalazło w metalurg powszechne zastosowane. Dotyczy to przede wszystkm 3

4 badań meszana stal w kadz, w urządzenu do obegowego odgazowana metodą RH oraz do badana przepływu kąpel przez kadź pośredną urządzena COS [5, 6]. We wszystkch tych modelach stosuje sę wodę. Wytłumaczena tego faktu należy szukać ne w powszechnej jej dostępnośc lecz w zblżonej wartośc lepkośc knematycznej wody w 20 C wynoszącej 1 cs oraz lepkośc knematycznej kąpel metalowej w temperaturze 1600 C wynoszącej 0,9 cs. Lepkość knematyczna jest stosunkem lepkośc do gęstośc danej ceczy. Spośród welu możlwych do przyjęca kryterów podobeństwa przyjmuje sę, że obok podobeństwa geometrycznego najważnejszą rolę przy badanu procesu przepływu meszana kąpel odgrywa podobeństwo lczby Frouda Fr. Lczba Frouda defnowana jest jako stosunek sły bezwładnośc F b do sły grawtacj F g. 2 Fb Fr = = (3) F gl - prędkość, [m/s], g - przyspeszene grawtacyjne, [m/s 2 ], L - charakterystyczny wymar lnowy, [m]. Stąd podobeństwo oparte o kryterum lczby Frouda przyjmuje postać: g 2 gl 2 M = gl M - model, R - reaktor rzeczywsty. Dokonując prostego przekształcena otrzymuje sę wyrażene: R (4) 2 M L M 2 = R L (5) R Poneważ stosunek L M L kąpel w modelu pownna wynosć: R jest skalą w jakej wykonano model, szybkość przepływu λ - skala modelu. = λ (6) M R Z równana (6) wynka jednoznaczne, że m bardzej welkość modelu zblżona jest 4

5 do wymarów reaktora rzeczywstego tym bardzej zblżone są prędkośc przepływów w reaktorze modelu. W nektórych przypadkach wygodnejsze do kontrol jest badane strumena przepływu objętośc kąpel wyrażonego w m 3 /s. W takm przypadku proste przekształcene równana (6) prowadz do równana & = λ & (7) 2,5 M R & M - strumeń objętośc kąpel w modelu, [m 3 /s], & R - strumeń objętośc kąpel w reaktorze rzeczywstym, [m 3 /s]. Spośród nnych lczb kryteralnych, które znajdują zastosowane przy modelowanu przepływów wymenć należy lczbę Reynoldsa, Webera, Grashofa, Prandtla, Macha Archmedesa. Spełnene wszystkch wynkających z nch kryterów podobeństwa jest jednak w zaproponowanym sposobe przeprowadzena eksperymentów nemożlwe. Z tego względu w dalszych rozważanach uwzględnone zostane podobeństwo wynkające z kryterum określonym lczbą Frouda. II. Cel ćwczena Celem prowadzonego eksperymentu jest poprawa parametrów konstrukcyjnych kadz pośrednej poprzez wprowadzene do nej systemu przegród. Marą oceny każdego z testowanych warantów są trzy następujące krytera: a) wartość maksymalna sygnału rejestrowanego w krystalzatorze, b) procent udzału przepływu tłokowego, c) procent udzału strefy martwej. ad. a) Wartość maksymalna sygnału rejestrowanego w krystalzatorze Perwsze z kryterów odnoszące sę do wartośc maksymalnej merzonego sygnału charakteryzuje proces meszana kąpel. Im wartość tego parametru jest wększa tym lepsze są parametry przepływu. W celu ułatwena oceny różnych warantów według powyższego kryterum, wprowadzono normalzację sygnału maksymalnego, którą opsuje równane: max A = (8) max max bp 5

6 max - rzeczywsta maksymalna wartość przewodnctwa właścwego zarejestrowana dla warantu rozmeszczena przegród, [ms/cm], max bp - maksymalna wartość przewodnctwa zarejestrowana dla kadz bez zanstalowanych przegród, [ms/cm], max A - bezwymarowa wartość maksymalna sygnału rejestrowanego w krystalzatorze. ad. b) Procent udzału przepływu tłokowego Druge kryterum oceny przepływu kąpel przez kadź defnuje równane: topóznena PF = 100% (9) t R PF - udzał przepływu tłokowego, [%], t opóźnena - czas jak upływa od momentu wprowadzena znacznka do chwl zarejestrowana jego obecnośc w krystalzatorze, [s], t R - teoretyczny czas przebywana znacznka w kadz oblczany wg równana (1), [s]. Podobne jak w przypadku kryterum perwszego wartość udzału przepływu tłokowego pownna być jak najwększa. ad. c) Procent udzału strefy martwej Ostatne z przedstawonych kryterów pozwala ocenć kadź pod kątem występowana w nej tzw. strefy martwej czyl strefy słabego przepływu. Udzał strefy martwej określa sę jako procent znacznka pozostający w kadz po upływe czasu równego 2t R. S m - udzał strefy martwej, [%], S m kp c = m KOH 2tR 100% c 2 t R - stężene znacznka po upływe czasu 2t R, [kg/m 3 ], (10) m KOH - początkowa masa wprowadzonego znacznka, [kg], kp - objętość kadz pośrednej, [m 3 ]. Udzał procentowy strefy martwej pownen być ze zrozumałych względów jak najmnejszy. 6

7 III. Ops stanowska badawczego Stanowsko badawcze umożlwające symulację przepływu kąpel w urządzenu do cągłego odlewana przedstawono na rys. 3. Rys. 3. Schemat stanowska laboratoryjnego do badań przepływu kąpel przez kadź pośredną urządzena do cągłego odlewana stal. Główny element stanow w nm model kadz pośrednej wykonany w skal 1:8 w odnesenu do kadz pośrednej eksploatowanej w HTS. Model kadz wyposażony został podobne jak w kadz rzeczywstej w zamknęca zatyczkowe. Zarówno w modelu kadz głównej jak kadz pośrednej zastosowano wykonane w skal wylewy zanurzenowe. W celu kontrol natężena przepływu kąpel pod każdym z dwu krystalzatorów zanstalowano rotametry. Do oceny charakteru przepływu kąpel przez kadź pośredną zastosowano metodę znacznka. Wylew z kadz głównej wyposażono w dozownk, który umożlwa wprowadzene 7

8 do kadz ustalonej objętośc (10 ml) 5% roztworu KOH. Wprowadzone KOH zaburza przewodnctwo właścwe kąpel w kadz. Zmany przewodnctwa rejestrowane są nezależne w każdym z krystalzatorów. Pomar przewodnctwa właścwego wykonuje sę za pomocą konduktometrów CC3 17 z wyjścem cyfrowym, dzęk czemu wynk pomarów rejestrowane są w sposób automatyczny. Wynkem każdego z przeprowadzonych eksperymentów jest uzyskane krzywej typu RTD (ang. resdence tme dstrbuton), która stanow podstawę do oceny aktualnych warunków przepływu kąpel przez kadź pośredną. I. Przebeg ćwczena W ramach ćwczena należy przeprowadzć symulację przepływu kąpel przez kadź pośredną w dwu warantach - bez przegród oraz z przegrodam. Rodzaj stosowanych przegród oraz sposób ch rozmeszczena w kadz ustala każdorazowo prowadzący ćwczena. W oparcu o podobeństwo wynkające z lczby Frouda należy wylczyć natężene przepływu wody przyjmując, że szybkość odlewana na rzeczywstej maszyne dwupasmowej wynos 1,2 m/mn przy rozmarach pasma 1500x220 oraz skala modelu wynos 1:8 Właścwy pomar polega na ustalenu przepływu kąpel przez kadź zaburzenu składu poprzez wprowadzene do wylewu z kadz głównej 10 ml porcj 5% KOH. Rejestracja zman sygnału przewodnctwa właścwego wykonywana jest w krystalzatorach.. Opracowane wynków 1. Opracowane wynków przy użycu programu Tundsh.net Wynk należy opracować przy użycu programu tundsh.net na strone Przygotowane danych do oblczeń to bardzo ważna czynność. Należy zrobć to z dużą dokładnoścą, poneważ tylko poprawne przygotowane dane pozwolą na uzyskane poprawnych wynków! Dane, czyl wartośc przewodnctwa właścwego, umeszczone są w plku tekstowym. Wymagana stawane danym pomarowym: 1. Ilość danych dla każdego krystalzatora mus być taka sama (1000 pomarów) 2. Krok czasowy pomędzy kolejnym pomaram 1[s] 3. Separator lczb dzesętnych: kropka 4. Informacja o type kadz umeszczona na końcu plku z danym. Oblczena mogą wykonać tylko zarejestrowan użytkowncy. Aby sę zarejestrować 8

9 należy w okne logowana klknąć znajdujący sę u góry okenka naps " nowy użytkownk ". Na ekrane pojaw sę formularz rejestracyjny. Wszystke pola należy wypełnć. Pod podany adres emal zostane wysłana wadomość o danych, które zostaną dodane do bazy danych. Jeśl przebeg rejestracj był prawdłowy zostanemy ponformowan o tym stosownym komunkatem. Należy zapoznać sę z nformacjam jake zostaną wyśwetlone w formularzu. Najważnejsza z nch to ta mówąca o nazwe plku z danym. Plk przesyłany na serwer mus meć nazwę taką jak logn użytkownka np: admn.txt. Hasła użytkownków znajdujące sę w baze danych są zakodowane, należy węc zapamętać swoje hasło poneważ jego odzyskane ne będze możlwe. Szczegółowe nformacje dotyczące sposobu wykonana oblczeń przy użycu programu tundsh.net dostępne na strone 2. Oblczena dotyczące kryterów oceny pracy kadz Oblczena dotyczące kryterów oceny pracy kadz pośrednej należy przeprowadzć w oparcu o dane standaryzowane. Dzęk standaryzacj można wyelmnować wpływ błędów generowanych przez wahana lośc dodawanego znacznka, czy początkowego pozomu przewodnctwa właścwego użytej kąpel. Każda z rzeczywstych krzywych RTD pownna być standaryzowana według następujących równań: s rz rz rz ( ) 1 = 0 (11) F n rz rz F rz = ( 0 ) t rz - rzeczywsta wartość przewodnctwa w czase t [ms/cm], rz 0 - wartość początkowa przewodnctwa dla t = 0, [ms/cm], = 0 s - standaryzowana wartość sygnału, [-], t - odstęp czasowy pomędzy kolejnym odczytam wartośc przewodnctwa, [s], n - lczba zarejestrowanych odczytów równa 1000, [-], F rz - pole pod krzywą RTD. W opracowanu wynków ćwczena należy zameścć wykresy standaryzowanych sygnałów RTD dla obu warantów wykonanego eksperymentu wygenerowanych przez 9

10 program tundsh.net. Należy ocenć wpływ zróżncowanej szybkośc wycągana pasm na przepływ kąpel w kadz pośrednej w oparcu o porównane krzywych RTD z obu krystalzatorów. Wynk lczbowe uzyskane dla wszystkch zdefnowanych kryterów oceny kadz zestawć w forme tabel. Lteratura. [1] K. Saylor, D. Bolger - Preventng turbulence n the tundsh, Steel Technology Internatonal, 1995/96, s. 187/191 [2] U. Horbach, S. Ródl, H. Abrats, F. Hófer - Strómungsuntersuchungen n geregelten ertelerausgussen zur ermedung von Cloggng, Stah und Esen, 115, 1995, nr 11, s. 71/76 [3] J. E. Roush - Effect of an alternatve tundsh confguraton on product cleaness, Steelmakng Conference Proceedngs, ol.78, Nashvlle, Tennessee, USA, 2-5 Aprl, 1995, s. 559/561 [4] Y. He, Y. Saha - The Effect of Tundsh Wall Inclnaton on the Flud Flow and Mxng: A Modelng Study, Metallurgcal Transactons B, ol. 18B, 1987, nr 3, s. 81/92 [5] J. Chen, O. Gregory, A. Leggett, J. Matheson, G. Wllams - Study of a Tundsh Usng a 1/3-Scale Water Model, Steelmakng Conference Proceedngs, ol. 78, Nashvlle, Tennessee, USA, 2-5 Aprl, 1995, s. 593/598 [6] D. Mazumdar, G. Yamanoglu, R. Guthre - Hydrodynamc performance of steelmakng tundsh system: a comparatve study of three dfferent tundsh desgns, steel research, 68, 1997, nr 7, s. 293/300 10