BADANIA MODELOWE PRZEPŁYWU CIEKŁEJ STALI W WIELOWYLEWOWEJ KADZI POŚREDNIEJ URZĄDZENIA COS Jacek PIEPRZYCA, Zdzisław KUDLIŃSKI, Tomasz MERDER Instytut Technologii Metali Politechniki Śląskiej, 40-019 Katowice, ul. Krasińskiego 8, Polsko, EU jacek.pieprzyca@polsl.pl, zdzislaw.kudlinski@polsl.pl, Abstrakt Istotny wpływ na jakość wlewków ciągłych ma sposób przepływu i mieszania się ciekłej stali w kadzi pośredniej. Zależny on jest od zjawisk hydrodynamicznych zachodzących w jej przestrzeni roboczej. Prawidłowy przepływ ciekłej stali przez kadź pośrednią urządzenia COS powinien charakteryzować się właściwymi proporcjami obszaru strefy przepływu turbulentnego do obszaru strefy przepływu tłokowego oraz minimalnym udziałem przepływów martwych. Obszar przepływu turbulentnego powinien zapewnić maksymalną homogenizację stali pod względem chemicznym oraz ujednorodnienie stali pod względem temperaturowym w całej przestrzeni roboczej kadzi pośredniej. Obszar przepływu tłokowego zaś, umożliwić łatwe przejście wtrąceń niemetalicznych do żużla. Określenie proporcji wielkości omawianych obszarów przepływów w warunkach przemysłowych jest bardzo trudne, a często niemożliwe. Tym bardziej, że wyznaczane ono jest indywidualnie dla konkretnej konstrukcji kadzi pośredniej jako rezultat rozsądnego kompromisu. Wygodną metodą określania charakteru zjawisk hydrodynamicznych w przestrzeni roboczej kadzi pośredniej jest modelowanie fizyczne. W artykule przedstawiono rezultaty badań modelowych przepływu ciekłej stali przez wielowylewową kadź pośrednią nie wyposażoną w regulatory przepływu. Badania miały na celu przeprowadzenie diagnostyki poprawności jej działania. Uzyskane wyniki stanowiły podstawę do dalszych badań związanych z wpływem sposobu mieszania i przepływu stali w kadzi pośredniej na jakość struktury pierwotnej wlewka ciągłego. Słowa kluczowe: Stal, ciągłe odlewanie stali, modelowanie fizyczne, kadź pośrednia 1. WSTĘP Utrzymanie jednorodności temperaturowej stali w przestrzeni roboczej kadzi pośredniej urządzenia COS stanowi poważny problem z punktu widzenia jakości odlewanych wlewków ciągłych. Ma ona istotny wpływ na charakter tworzącej się w wlewku struktury pierwotnej. W przypadku kadzi pośrednich wielowylewowych, a szczególnie niesymetrycznych, w których odległość od punktu wlewowego do poszczególnych wylewów jest znacznie zróżnicowana, ze względu na charakter przepływu, rozkład pól temperatury w obiętości ciekłej stali może być nierównomierny. Badania o charakterze modelowania fizycznego zjawisk temperaturowych zachodzących w kadzi pośredniej są bardzo trudne do realizacji. Zakładając, że rozkład pól temperatury w przestrzeni roboczej kadzi pośredniej związany jest z charakterem przepływu przez nią ciekłej stali, można tą metodą wyznaczyć pewien trend rozkładu temperatury w kadzi pośredniej. Jednak jego obiektywizacja wymaga dalszych badań weryfikujących w warunkach przemysłowych. 2. MODEL FIZYCZNY URZĄDZENIA COS Badania modelowe przeprowadzono w hydraulicznym modelu fizycznym urządzenia COS, w którym jako ciecz modelującą ciekłą stal wykorzystuje się wodę. Model, ma charakter modelu segmentowego. W tego typu modelach zasady podobieństwa spełnione są w tzw. segmencie głównym, a pozostałe segmenty pełnią rolę elementów pomocniczych. Segment główny modelu stanowi ten element konstrukcyjny, w którym
zachodzą zjawiska istotne z punktu widzenia oczekiwanych rezultatów eksperymentu. W przypadku opisywanego modelu segmentem głównym jest model kadzi pośredniej, a w elektrycznym piecu łukowym i poddanej obróbce pozapiecowej w piecokadzi, Do budowy modelu fizycznego tego urządzenia jako skalę liniową przyjęto skalę pomniejszającą SL = 1 : 2 = 0,5. Obliczeń skal prędkości przepływu cieczy modelowej oraz czasu przepływu (SQ i St) dokonano przyjmując, że w warunkach rzeczywistych przekrój poprzeczny odlewanych wlewków ciągłych wynosi 140 x 140 mm, przy prędkości odlewania vodl = 2 m min -1 = 0,03 m s -1. pozostałe elementy konstrukcyjne (modele kadzi głównych, instalacja hydrauliczna) pełnią rolę segmentów pomocniczych. Rys. 1 przedstawia widok modelu fizycznego urządzenia COS natomiast rys. 2 schemat zainstalowanej aparatury kontrolno pomiarowej. Dominującym kryterium podobieństwa modelu do urządzenia przemysłowego jest liczba Froude`a (Fr). Pracujące w warunkach przemysłowych urządzenie do ciągłego odlewania stali wyposażone w niesymetryczną 3. wylewową kadź pośrednią przeznaczone jest do odlewania stali uspokojonej, wytapianej Model fizyczny urządzenia do ciągłego odlewania stali przeznaczony jest do badań o charakterze wizualizacji oraz dzięki zainstalowanej aparaturze pomiarowej umożliwia wyznaczanie krzywych retencji RTD [1,2,3]. Do wykreślenia krzywych retencji RTD na podstawie uzyskanych pomiarów na modelu opracowano program komputerowy oparty na platformie pakietu Matlab. Dla sformułowania matematycznego opisu Rys.2 Schemat modelu urządzenia COS wyników badań posłużono się funkcjami przejścia (transmitancja operatorowa) modeli obiektów regulacji w postaci liniowych elementów automatyki [4,5,6]. Przebieg badanego procesu można przedstawić w dziedzinie operatorowej funkcją przejścia odpowiadającą elementowi inercyjnemu I rzędu: G s k 1 st0 (1) Mając na uwadze oddalenie otworów wylewowych z kadzi pośredniej do krystalizatora od punktu wprowadzania stali, należy uwzględnić w opisie matematycznym element opóźniający: Rys.1 Widok modelu fizycznego urządzenia COS G ke (2)
Uzyskane na podstawie badań modelowych charakterystyki czasowe pozwalają na przyjęcie założenia, że modelem opisującym dynamikę mieszania się cieczy w kadzi pośredniej jest układ inercyjny z opóźnieniem o transmitancji: ke G(s) 1 st0 Praktyczne wykorzystanie operatorowego opisu matematycznego możliwe jest po doświadczalnej identyfikacji stałych k, τ i T0 oraz c1(s), c2(s), c3(s) transmitancji funkcji stężeń znacznika na wejściu i wyjściu kadzi pośredniej. Do identyfikacji tych stałych wykorzystano uzyskane w badaniach na modelu fizycznym urządzenia COS krzywe retencji RTD, które umożliwiły wyznaczenie teoretycznych stałych czasowych (τ, T0, T1), będących rozwiązaniem opracowanego modelu matematycznego mieszania się stali w kadzi pośredniej urządzenia COS równanie (3). Interpretacja fizyczna opisanych stałych czasowych, wyrażonych w sekundach, dla badanego układu jest następująca: - czas dotarcia znacznika od punktu wlewowego do wylewu modelu kadzi pośredniej, T0 - czas mieszania się cieczy modelowej do osiągnięcia stężenia znacznika określonego wzmocnieniem k (dla obliczeń przyjęto wzmocnienie k = 1, czyli wartość stężenia znacznika). (3) 3. WYNIKI BADAŃ MODELOWYCH Badania modelowe o charakterze wizualizacji wykonano wykorzystując jako znacznik wodny roztwór KMnO4. Przebieg eksperymentów rejestrowano za pomocą systemu kamer. Uzyskane wyniki w postaci materiału filmowego poddano obróbce za pomocą specjalistycznego oprogramowania komputerowego. W rezultacie uzyskano miedzy innymi zaprezentowane na rys. 3. obrazy. 1s 10s 20s 30s 40s 50s 60s 70s 90s Rys.3 Przykładowe rezultaty badań modelowych o charakterze wizualizacji w postaci zdjęć dla 3.wylewoej kadzi pośredniej Na podstawie badań o charakterze wizualizacji stwierdzono niedostateczne mieszanie się cieczy modelowej w strefie turbulentnego przepływu. Mieszanie wymuszone jest jedynie odbiciem strumienia cieczy od płyty
podstrumieniowej. Taki charakter strefy turbulentnego przepływu nie zapewnia wymaganej homogenizacji stali. Objętość tej strefy obejmuje wylewy 2 i 3 usytuowane w niewielkiej odległości od miejsca wprowadzania do kadzi pośredniej stali. O ile, z punktu widzenia wartości czasu dotarcia znacznika w przestrzeni roboczej modelu kadzi pośredniej, wylewy 2 i 3 są do siebie zbliżone to charakter przepływu cieczy modelowej w rejonie tych wylewów jest zróżnicowany. Strumień cieczy modelowej powstający w efekcie odbicia się cieczy modelowej od płyty podstrumieniowej opływając wylew 3 odbija się następnie od ściany bocznej modelu kadzi przechodząc w przepływ cyrkulacyjny. Ilustruje to zdjęcie wykonane w 10 sekundzie eksperymentu. Obszar ten pozbawiony jest przepływu tłokowego. Strefa przepływu tłokowego kształtuje się zaś po przeciwnej stronie obszaru wlewowego w rejonie wylewu 2 (20 sekunda eksperymentu) w kierunku wylewu 1. Prędkość przesuwania się frontu strefy przepływu tłokowego jest niewielka, a mieszanie się cieczy modelowej w rejonie wylewu 1 jest bardzo ograniczone. Skutkuje to kształtowaniem się tam obszernej strefy martwej. W celu wyznaczenia stałych czasowych i T0 oraz dokonania na tej podstawie analizy krzywych RTD, uzyskane w wyniku przeprowadzonych eksperymentów na modelu fizycznym, poddano obróbce zgodnie z metodologią przedstawioną w punkcie 2. Dane wejściowe wprowadzone do opracowanego w środowisku Matlab programu komputerowego. Po przeprowadzeniu estymacji funkcji nieliniowej (3) uzyskano rezultaty, które przedstawiono w tablicy 1. Tab. 1 Wartości obliczonych stałych czasowych i T0 dla modelu 3 żyłowej kadzi pośredniej Nr wylewu Stała czasowa, s Stała czasowa T0, s 1 47 767 2 10 409 3 8 373 Po przeliczeniu stałych czasowy na warunki rzeczywiste uzyskano rezultaty przedstawione w postaci graficznej na rys.4. 1200 1085 1000 Czas, s 800 600 400 578 528 200 0 66 Wylew 1 14 Wylew 2 11 Wylew 3 τ, s T0, s Rys.4 Rzeczywiste wartości stałych czasowych i T0 dla 3 żyłowej kadzi pośredniej urządzenia COS Niesymetryczne kadzie pośrednie urządzenia COS szczególnie narażone są na występowanie znacznych różnic w czasie dotarcia znacznika do poszczególnych wylewów. Potwierdziły to przeprowadzone badania modelowe o charakterze wizualizacji oraz dokonana estymacja rezultatów tych badań mająca na celu wyznaczenie stałych czasowych i T0. O ile czas dotarcia znacznika do wylewów 2 i 3 jest zbliżony
i wynosi ok. 14 s (wynika to z faktu, iż rura osłonowa kadzi głównej znajduje się w osi symetrii między tymi wylewami), to czas dodarcia znacznika do wylewu nr 1 jest istotnie różny. W przeliczeniu na warunki rzeczywistego procesu odlewania, w oparciu o stałą czasową wynosi on ok. 70 s. Tak znaczna różnica w czasie dotarcia stali do tego wylewu może być przyczyną niedostatecznej homogenizacji stali w przestrzeni roboczej kadzi pośredniej. Jeszcze bardziej wyraźnie ilustruje to wartość stałej czasowej T0 charakteryzującej intensywność mieszania się stali (homogenizacji), która jest prawie dwukrotnie wyższa dla wylewu 1 (1085 s) niż dla wylewów 2 i 3 (ok. 550 s). Może to powodować różnice temperatury ciekłej stali w tych strefach wylewowych. 4. PODSUMOWANIE W trakcie modelowania procesów hydrodynamicznych zachodzących w niesymetrycznej kadzi pośredniej stwierdzono istotne zakłócenie przepływu polegające na znacznym opóźnieniu dopływu stali do skrajnego wylewu 1 w stosunku do wylewów 2 i 3. Wartość tego opóźnienia w oparciu o stałą czasową τ w warunkach rzeczywistych określono na 52 s. Również intensywność mieszania stali w rejonie wylewu 1, charakteryzowana przez stałą czasową T0, jest niedostateczna. Takie rezultaty badań modelowych stanowią przesłankę do dalszych badań dotyczących warunków temperaturowych panujących w badanej kadzi pośredniej w warunkach przemysłowych. Polegać one powinny na pomiarze temperatury w kadzi pośredniej i krystalizatorze. Rezultaty tych badań mogą potwierdzić oczekiwane skutki wpływu słabego mieszania się stali w rejonie wylewu 1 na spadek temperatury ciekłej stali w tym obszarze. LITERATURA [1] MERDER T., PIEPRZYCA J.: Optimization of two-strand industrial Tundish work with use of turbulence inhibitors: physical and numerical modeling. Steel Research International, No. 11, 2012, s. 1029-1038. [2] MICHALEK, K.; GRYC, K.; TKADLECKOVA, M.; et al.: Model study of tundish steel intermixing and operational verification. Archives of Metallurgy And Materials, Vol. 57, 2012 p. 291-296. [3] CWUDZINSKI, A.; JOWSA, J.: Numerical analysis of liquid steel flow structure in the one strand slab tundish with subflux turbulence controller and dam., Archives of Metallurgy And Materials, Vol. 57, 2012 p. 297-301. [4] WĘGRZYN S.: Podstawy automatyki, PWN, Warszawa, 1979. [5] PIEKARSKI M., PONIEWSKI M.: Dynamika i sterowanie procesami wymiany ciepła i masy, WNT, Warszawa,1994. [6] SKOCZOWSKI S.: Technika regulacji temperatury. Systemy regulacji. Regulatory przepływowe., Warszawa, Zielona Góra, 2000. Participation in conference with financial support of the National Centre for Research and Development (project No PBS2/A5/32/2013).