Próba zastosowania sondy Lambda z regulatorem Protherm 50 do kontroli potencjału węglowego podczas nawęglania w piecu wgłębnym

Transkrypt

1 Tadeusz Żółciak, Konrad Lankiewicz, Artur Szczepański Próba zastosowania sondy Lambda z regulatorem Protherm 50 do kontroli u węglowego podczas nawęglania w piecu wgłębnym Wprowadzenie Sonda Lambda została opracowana w celu kontroli poprawności spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w silnikach samochodowych. Sonda umieszczana jest w strefie wylotu gazów z silnika, a jej żywotność zależy od temperatury strefy zainstalowania im niższa temperatura nagrzanej sondy, tym dłuższa jej żywotność, niemniej jednak jej prawidłowe wskazania uzyskuje się, jeżeli stały elektrolit sondy jest nagrzany przynajmniej do temperatury 350 C w przypadku sondy LSM 11. Schemat sondy Lambda typu LSM 11 według pracy [1] przedstawiono na rysunku 1, a zasadę jej działania zgodnie z pracą [2] na rysunku 2. Ceramiczna część sondy Lambda (elektrolit stały) ma kształt rury zamkniętej na jednym końcu. Zewnętrzne i wewnętrzne powierzchnie czujnika ceramicznego mają mikroporowatą warstwę platyny (elektrodę), która ma decydujący wpływ na charakterystykę czujnika. Powłoka platyny na tej części czujnika ceramicznego, która jest w kontakcie z gazem wylotowym, jest pokryta dobrze przylegającą, wysoce porowatą powłoką ceramiczną, która chroni go przed pozostałościami gazu wylotowego mogącymi erodować katalityczną powłokę platynową. Czujnik jest wprowadzony w strefę przepływu gazów odlotowych, przepływających wokół jednej jego elektrody, podczas gdy druga elektroda pozostaje w kontakcie z powietrzem atmosferycznym. Czujnik mierzy zawartość resztkowego tlenu w gazach odlotowych. Odnośnie do zastosowania sondy Lambda w obróbce cieplnej dostępne są tylko nieliczne prace [3, 4]. Może to wynikać z ograniczeń zastosowania sondy Lambda do procesów obróbki cieplnej atmosferowej o stałym potencjale m Cp nieprzekraczającym 1 C. W praktyce napotkano przykład zainstalowania sondy Lambda w strefie chłodnicy atmosfery generatora endotermicznego w celu regulacji u węglowego atmosfery endotermicznej wytwarzanej w tym generatorze. Z własnego doświadczenia wynika, że po dwóch latach eksploatacji takiego generatora przy codziennym jego uruchamianiu sonda zanieczyściła się i jej wskazania znacznie odbiegały od rzeczywistych wartości. Przy nastawie punktu rosy regulatora +3 C pomiar atmosfery miernikiem punktu rosy wskazywał 5 C, a zawartość wodoru w atmosferze osiągała wartości do 42,5, przy czym takiej atmosfery w piecu w 920 C wynosił 0,85 C. Sonda wymaga w takich warunkach eksploatacji zastosowania okresowego czyszczenia, co nie jest prostym zabiegiem, lub wymiany na nową. Jeśli idzie o nawęglanie, to np. instrukcja obsługi sterownika Protherm 50 [3] przewiduje m.in. zastosowanie sondy Lambda do pomiaru u węglowego atmosfery piecowej, przy czym do obliczeń u węglowego i punktu rosy jest niezbędne wprowadzenie zawartości H 2 i CO, a także pomocniczych współczynników K1 i K2. Za pomocą tych współczynników jest możliwe korygowanie wyniku pomiaru. Jednakże według instrukcji sterownika Protherm 50 jest zalecane, aby nie zmieniać parametrów K1 i K2. Lepszym Dr inż. Tadeusz Żółciak, mgr inż. Konrad Lankiewicz (konrad.lankiewicz@imp. edu.pl), Artur Szczepański Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa rozwiązaniem jest dokonanie korekty za pomocą współczynnika Us offset oraz współczynnika korekcji u węglowego Cp.Corr. Fact.(k). Porównanie pomiarów u węglowego sondą tlenową i sondą Lambda według pracy [4] przedstawiono na rysunku 3. Krzywa zależności napięcia sondy tlenowej od u węglowego jest stroma w całym zakresie pomiarowym, natomiast krzywa Rys. 1. Schemat budowy sondy Lambda; 1 mocowanie sondy, 2 ceramiczna tuleja wspierająca, 3 podłączenie elektryczne, 4 osłona z otworami, 5 aktywny sensor ceramiczny, 6 element kontaktowy, 7 obudowa ochronna, 8 element grzewczy, 9 podłączenie dla elementu grzewczego [1] Fig. 1. Schematic diagram of the Lambda probe; 1 probe fixing, 2 ceramic sleeve support, 3 electric connection, 4 cover with holes, 5 active ceramic sensor, 6 contact element, 7 protective housing, 8 heating element, 9 heating element connection [1] Rys. 2. Sonda Lambda umieszczona w układzie wydechowym; 1 czujnik ceramiczny, 2 elektrody, 3 styki, 4 osłona styków, 5 rura wylotowa, 6 powłoka ceramiczna (porowata) [2] Fig. 2. Lambda sensor located in the exhaust system; 1 ceramic sensor, 2 electrodes, 3 contact pins, 4 contact pins cover, 5 exhaust pipe, 6 ceramic coating (porous) [2] NR 3/2014 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 283

2 Stanowisko badawcze składało się z następujących urządzeń: 1. pieca wgłębnego, 2. urządzenia grzewczego z zainstalowaną sondą Lambda i doprowadzoną atmosferą piecową, 3. pompki zasysającej atmosferę z kominka, 4. filtru do usuwania sadzy, 5. sterownika Protherm PT50, 6. analizatora zawartości CO Sensorex SX303p/CO, 7. miernika zawartości H2 Nova Analytical, 8. systemu rejestratora Brainchild VR18, 9. miernika punktu rosy EWK-1. Widok stanowiska do prób z uwzględnieniem nowego rozwiązania instalacji sondy Lambda pokazano na rysunku 4. Analiza gazów Podczas prób badano zawartość wodoru, tlenku węgla i pary wodnej za pomocą mierników H2, CO i punktu rosy w endogazie w piecu i okresowo punkt rosy oraz zawartość wodoru na wyjściu z generatora. Pomiar u węglowego sondą Lambda Rys. 3. Porównanie charakterystyk pracy sondy Lambda i sondy tlenowej PE [4] Fig. 3. Comparison of operation characteristics of Lambda probe and oxygen sensor PE [4] sondy Lambda ulega spłaszczeniu przy potencjale m powyżej 1 C. Cel i zakres pracy Celem pracy była próba zastosowania sondy Lambda ze sterownikiem Protherm 50 do kontroli u węglowego podczas nawęglania w piecu wgłębnym. Zakres pracy obejmował analizę zmodernizowanego układu sterowania pieca GOAT-950 [5] i zastosowanie tego układu do pieców typu PEG-at. Celem pracy było ustalenie zależności wskazań sondy, u węglowego i składu atmosfery piecowej od wydatku gazu ziemnego i powietrza, a także od temperatury i szybkości przepływającego ośrodka gazowego wokół sondy Lambda. Próby przeprowadzano w stałej temperaturze nawęglania 920 C i przy stałym wydatku atmosfery nośnej w piecu. Ponadto badano zależność między wskazaniami u, a jego rzeczywistą wartością w różnych fazach procesu nawęglania, czyli współczynnik korekcji u węglowego [6]. Sondę Lambda umieszczoną w rurze kominka lub w specjalnym urządzeniu grzewczym podłączono do sterownika Protherm 50. Do sterownika podłączono również przewody od termoelementu zainstalowanego w pokrywie pieca i sterującego jego temperaturą. Na sterowniku nastawiono zawartości CO i H2 typowe dla, tj. odpowiednio 20 i 40, a także współczynniki obliczeniowe K1 i K2 zalecane w instrukcji sterownika. Wartości obliczeniowe u węglowego Cpl, a także napięcia sondy US i inne parametry atmosfery odczytywano na ekranie wyświetlacza sterownika, natomiast przebiegi rzeczywistej zawartości tlenku węgla i napięcia sondy odtwarzano na ekranie rejestratora. Próba foliowa Sterownik Protherm 50 umożliwia automatyczne obliczanie współczynnika korekcji u węglowego Cpl. W tym celu wykonywana jest próba foliowa. Pomiar rzeczywistego u węglowego jest przeprowadzany przez umieszczenie w piecu na określony czas cienkiej folii z żelaza, następnie wyjęcie jej i zbada- Metody badań Nawęglanie Nawęglanie przeprowadzano w piecach wgłębnych typu PEG-at o pojemności retorty ok. 100 dm3 i ok. 23 dm3 przy natężeniu przepływu w zakresie 5 10 wymian na godzinę w temperaturze 920 C. Gaz ziemny doprowadzano do pieca w aktywnej fazie nawęglania, a nagrzewanie wsadu do temperatury nawęglania, wyżarzanie dyfuzyjne i schładzanie wsadu do temperatury hartowania przeprowadzano w endogazie. Atmosferę nośną, czyli endogaz pobierano z generatora lub wytwarzano syntetycznie z azotu technicznego i metanolu bezpośrednio w piecu. Próbki kontrolne z folii niskowęglowej umieszczano w piecu za pośrednictwem kominka. Sonda Lambda była początkowo zainstalowana na środku wysokości kominka gazów odlotowych, a po stwierdzeniu zanieczyszczania jej sadzą zainstalowano ją w odrębnym urządzeniu umożliwiającym nagrzewanie gazów odlotowych do temperatury badania po uprzednim oczyszczeniu z sadzy za pomocą filtra. 284 Rys. 4. Podstawowe elementy stanowiska badawczego: piec wgłębny z kominkiem (1), urządzenie grzewcze sondy i próbki gazu (2), pompa poboru próbki gazu z kominka pieca (3), sterownik Protherm 50 usytuowany obok urządzenia grzewczego z sondą (4) Fig. 4. Test stand basic elements: pit furnace with chimney (1), probe and sample gas heating device (2), sampling chimney gas pump (3), Protherm 50 controller located next to a heating device with probe (4) INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXV

3 nie zawartości węgla jedną z metod stosowanych w laboratoriach. Próbę należy przeprowadzać w atmosferze stabilnej. Do przeprowadzenia próby sterownik Protherm 50 potrzebuje następujące informacje: moment, w którym folia jest wyjmowana z pieca, określenie wartości u węglowego Cp z folii. Folie badano metodą grawimetryczną. Badanie charakterystyk sondy Lambda Wpływ temperatury azotu technicznego na napięcie sondy Sondę umieszczoną w odrębnym urządzeniu grzewczym i przepływający azot wokół jej elementu pomiarowego nagrzewano do temperatury badania. Wyniki pomiarów przedstawiono na rysunku 5. Największe napięcie uzyskano bez podgrzewania gazu, przy czym ze wzrostem temperatury powstały dwa plateau przy mniejszym napięciu. Wskazania przy wyłączonym własnym grzejniku sondy Pomiary przeprowadzano jak poprzednio, lecz z wyłączonym własnym grzejnikiem sondy i uzyskano wyniki przedstawione na rysunku 6. Najniższe napięcie uzyskano w temperaturze azotu 210 C, po czym napięcie rośnie i stabilizuje się powyżej 350 C, co jest w zgodności z charakterystyką fabryczną sondy. Zatem bez współpracy grzejnika sondy jej wskazania wykazują znaczące wahania. Rys. 5. Wpływ temperatury azotu technicznego na napięcie sondy U s z dodatkowym ogrzewaniem sondy Fig. 5. Effect of technical nitrogen temperature on probe voltage U s with additional probe heating Wpływ temperatury na napięcie sondy i obliczony Cpl przez sterownik Protherm 50 Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 1. Ze wzrostem temperatury opływającego sondę maleje jej napięcie U S oraz Cpl obliczany przez sterownik, a rośnie współczynnik korekcji u k. Porównanie U s i Cpl w temperaturze otoczenia i po nagrzaniu do 220 C; U s offset = +24 Do sterownika wprowadzono uchyb napięcia sondy równy 24. Wyniki pomiarów w temperaturze pokojowej i po nagrzaniu gazu przedstawiono w tabeli 2. Wprowadzenie dodatniego uchybu napięcia sondy zwiększa wartość obliczanego u węglowego przez sterownik Cpl i umożliwia uzyskanie korzystnego współczynnika korekcji u bliskiego jedności. Natomiast nagrzanie zmniejsza wartość Cpl i tym samym zwiększa współczynnik korekcji u węglowego k. Wpływ szybkości przepływu wokół sondy Lambda i przez układ pomiarowy miernika zawartości tlenku węgla na napięcie sondy i obliczany Cpl oraz zawartość tlenku węgla w atmosferze W próbach zastosowano syntetyczną atmosferę endotermiczną z azotu i metanolu wytwarzaną w piecu w 920 C o składzie podstawowym 20 CO/40 H 2 /40 N 2. Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 3. Zastosowane natężenia przepływu wokół sondy spełniające warunek podany przez producenta sondy nie wpływa na napięcie sondy i zawartości tlenku węgla. Rys. 6. Wpływ temperatury azotu technicznego na napięcie sondy U s z wyłączonym własnym grzejnikiem sondy Fig. 6. Effect of technical nitrogen temperature on probe voltage U s with turned off internal probe heater Tabela 1. Wpływ temperatury na napięcie sondy i obliczony Cpl przez sterownik PROTHERM 50 Table 1. Effect of endothermic gas temperature on probe voltage and the calculated by Protherm 50 driver carbon potential Cpl Temperatura C Cpl ,35 Współczynnik u k 2, ,32 2,84 0, ,32 2, ,28 3,25 NR 3/2014 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 285

4 Tabela 2. Porównanie napięcia sondy U s i obliczonego przez sterownik u węglowego Cpl w temperaturze otoczenia i po nagrzaniu do 220 C. U s offset = +24 Table 2. Comparison of the probe voltage U s and calculated by the controller carbon potential Cpl at ambient temperature and after heating endothermic gas to temperature of 220 C. U s offset = +24 Temperatura C Cpl Współczynnik u k ,6 0,80 0,87 0,76 0,87 0, ,0 0,56 0,61 0,80 1,31 1,42 Tabela 3. Wpływ szybkości przepływu wokół sondy Lambda i przez układ pomiarowy miernika zawartości tlenku węgla na napięcie sondy i obliczany Cpl oraz zawartość tlenku węgla w atmosferze Table 3. Effect of endothermic gas flow rate around the Lambda sensor and through the measurement system of carbon monoxide meter on the probe voltage and the calculated carbon potential Cpl and carbon monoxide content in the atmosphere l/h Zawartość CO Cpl ,3 20,29 0, ,4 20,29 0, ,3 20,32 0, ,4 20,28 0, ,8 20,28 0,32 Wpływ natężenia przepływu syntetycznego i wzbogacania gazem ziemnym na napięcie sondy, y węglowe obliczany i rzeczywisty oraz na zawartość tlenku węgla w atmosferze Badania przeprowadzono w piecu o pojemności około 23 dm 3 bez wsadu, dlatego ilość gazu wzbogacającego była stosunkowo niewielka maksimum około 1 w odniesieniu do ilości wynoszącej ok. 280 l/h. Wyniki prób przedstawiono w tabeli 4 oraz na rysunku 7. Wyniki badań w przypadku mniejszego natężenia przepływu przez retortę pieca, tj. około 210 l/h obciążonym niewielkim wsadem przedstawiono w tabeli 5 oraz na rysunkach 7 9. Z przedstawionych przebiegów napięcia, obliczeniowej wartości u węglowego Cpl i współczynnika korekcji u wynikają następujące spostrzeżenia: współczynnik u węglowego wykazał tendencję wzrostową ze wzrostem rzeczywistego u węglowego, zależną od natężenia przepływu przez piec; przy mniejszym natężeniu przepływu wzrost współczynnika jest większy, napięcie sondy Lambda osiąga większe wartości przy większym natężeniu przepływu przez piec, wiąże się to prawdopodobnie z większym nadciśnieniem w piecu; ponadto stwierdzono, że przy tym samym wydatku środków atmosferotwórczych zwiększenie ciśnienia przez lepsze uszczelnienie pieca powoduje dość istotny wzrost napięcia sondy, można założyć, że w zakresie regulacyjnym u węglowego od 0,6 C do 1,25 C występuje różnica napięcia sondy Lambda ok , podczas gdy w przypadku cyrkonowej sondy tlenowej zakres ten jest rzędu 30, obliczeniowa wartość u węglowego Cpl wykazuje znaczący wzrost w funkcji napięcia sondy Lambda; wartość bezwzględna tego parametru zależy głównie od napięcia sondy, jeżeli temperatura procesu i zawartość tlenku węgla mają ustalone wartości; im większe napięcie, tym większa wartość Cpl Tabela 4. Wpływ natężenia przepływu syntetycznego i wzbogacania gazem ziemnym na napięcie sondy, y węglowe obliczany i rzeczywisty oraz na zawartość tlenku węgla w atmosferze dla zawartości wynoszącej ok. 280 l/h Table 4. Effect of synthetic endothermic gas flow rate and enrichment with natural gas on probe voltage, carbon potential calculated and carbon potential actual and carbon monoxide content in the atmosphere for the endogas content approximately 280 l/h gazu ziemnego w działkach rotametru * Zawartość tlenku węgla Cpl Współ. u Bez wzbogacenia 1164,0 20,20 0,36 0,66 1, ,9 20,12 0,42 0,83 1, ,3 20,00 0,51 1,05 2, ,5 19,90 0,55 1,31 2,380 Tabela 5. Wpływ natężenia przepływu syntetycznego i wzbogacania gazem ziemnym na napięcie sondy, y węglowe obliczany i rzeczywisty oraz na zawartość tlenku węgla w atmosferze dla zawartości wynoszącej ok. 210 l/h Table 5. Effect of synthetic endothermic gas flow rate and enrichment with natural gas on probe voltage, carbon potential calculated and carbon potential actual and carbon monoxide content in the atmosphere for the endogas content approximately 210 l/h gazu ziemnego w działkach rotametru * Zawartość tlenku węgla Cpl Współ. u Bez wzbogacenia 1155,0 19,89 0,29 0,64 2, ,0 20,00 0,36 0,96 2, ,0 19,31 0,37 1,00 2, ,5 20,08 0,39 1,21 3, ,0 20,09 0,41 1,36 3,30 Dodatek powietrza ok. 4 l/h do 1130,0 19,73 0,17 0,30 1,76 Rys. 7. Zależność napięcia sondy U s od rzeczywistego u węglowego Cp i wydatku atmosfery Fig. 7. Dependence of the probe voltage U s from the real carbon potential Cp and atmosphere expenditure 286 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXV

5 Rys. 8. Zależność obliczonego u węglowego Cpl od napięcia sondy U s Fig. 8. Dependence of the calculated carbon potential Cpl from the probe voltage U s Rys. 10. Wpływ dodatku gazu ziemnego na zawartość tlenku węgla i wodoru atmosfery piecowej podczas nawęglania jednostopniowego Fig. 10. Effect of natural gas addition on carbon monoxide and hydrogen content in furnace atmosphere during one-stage carburizing Wpływ dodatku gazu ziemnego na zawartość CO i H 2 atmosfery badano w piecu wgłębnym o pojemności ok. 100 dm 3 zasilanego endogazem z generatora. W piecu umieszczono wsad o masie ok. 40 kg. Przebieg zmian CO i H 2 podczas nawęglania przedstawiono na rysunku 10. Atmosfera nośna, czyli endogaz przy pomiarze na wyjściu z generatora, wykazywała w składzie ok. 20 CO i ok. 40 H 2. W stabilnej fazie aktywnego nawęglania przy dość dużym wzbogaceniu gazem ziemnym ze względu na relatywnie duży wsad w piecu zawartość wodoru wzrosła do ok. 48, a tym samym w wyniku rozcieńczenia zmniejszyła się zawartość tlenku węgla do ok. 16. W wyniku reakcji z metanem zmalała odpowiednio zawartość H 2 O (zmiana punktu rosy z 5 do 9 C), a tym samym również odpowiednio do reakcji gazu wodnego zawartość dwutlenku węgla. Podczas obniżania temperatury wyłączono dopływ gazu ziemnego od temperatury 900 C. Po schłodzeniu pieca do temperatury hartowania 870 C zawartość wodoru i tlenku węgla powróciła do wartości początkowych dla. wnioski Rys. 9. Zależność współczynnika korekcji od rzeczywistego u węglowego Cp i wydatku atmosfery Fig. 9. Dependence of the correction factor from the actual carbon potential Cp and atmosphere expenditure dla określonej wartości rzeczywistego u węglowego atmosfery Cp. Wpływ dodatku gazu ziemnego na zawartość tlenku węgla i wodoru atmosfery piecowej Z przeprowadzonych prób zastosowania sondy Lambda do kontroli nawęglania z wykorzystaniem sterownika Protherm 50 można wywnioskować, że: sonda powinna być zainstalowana poza piecem, w specjalnej komorze pomiarowej wyposażonej w przepływomierz gazu piecowego zasysanego spod pokrywy pieca pompką po uprzednim oczyszczeniu z sadzy na filtrze, wydaje się wskazane badanie napięcia sondy Lambda bez podgrzewania próbki gazu pod warunkiem, że sonda ma własny grzejnik, co jest obecnie regułą, natężenie przepływu ośrodka gazowego wokół sondy Lambda powinno spełniać wymagania producenta sondy, sondę Lambda można zastosować do kontroli u węglowego w okresach stabilnej pracy pieca, w procesie dwustopniowym lub podczas nawęglania jednostopniowego przy stałym potencjale m, przy czym należy unikać przekraczania granicy wydzielania sadzy i powstawania węglików; korzystny Cp 1 C, wartość u węglowego Cpl, a także współczynnika korekcji u k jest zależna dla określonego typu atmosfery regulowanej i jej wydatku od ciśnienia w piecu, a także od typu sondy i zastosowanego uchybu napięcia sondy; korzystne jest, jeśli wartość współczynnika korekcji u w zakresie regulacji jest bliska jedności. Literatura [1] Katalog sond tlenowych. Oxygen Sensors Catalogue Bosch. [2] Instrukcja sondy Lambda. Lambda oxygen sensors, Type LSM 11 Bosch. [3] Instrukcja obsługi sterownika Protherm 50. Process-Electronik, grudzień (2007) [4] Weissohn K.-H.: Sauerstoffsonden-Anwendung in Warmebehandlungsanlagen. HTM, Munchen 53 (4) (1998) [5] SobusiakT., Jończyk S..: Zmodernizowany układ sterowania procesami nawęglania i węgloazotowania w piecu GOAT-950. Inżynieria Powierzchni 3 (2007) [6] Próba zastosowania sondy Lambda w połączeniu z regulatorem Protherm 50 do kontroli u węglowego podczas nawęglania w piecu wgłębnym. Sprawozdanie z pracy IMP 2012 (badania są kontynuowane). NR 3/2014 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 287