CZ17033U1 - Zařízení k optimalizaci teploty přehřátí oceli - Google Patents

Description

Technické řešení se týká optimalizace teploty přehřátí oceli v mezipánvi.

Dosavadní stav techniky

Při plynulém odlévání oceli na zařízení plynulého odlévání se přeměňuje tekutá ocel na tuhý ocelový polotovar, který obvykle nazýváme dle jeho tvaru sochor, blok nebo brama. Tyto polotovary jsou dále zpracovávány válcováním do rozličných tvarů jako jsou např. dlouhé profily, svitky, dráty atp. Výkon zařízení plynulého odlévání je vyjadřován v množství odlitých t/hod. Jeli výkon zařízení plynulého odlévání menší nežli výkon technologických agregátů zařazených v technologickém toku výroby oceli před či za ním, ovlivňuje negativně i výkon těchto agregátů a potažmo výkon celé ocelárny nebo i celého hutního podniku. Proto je obecně v současné době intenzifikaci procesu plynulého odlévání věnována vysoká pozornost.

Tekutá ocel, poté co projde potřebnými zpracovacími a zušlechťujícími operacemi, je nakonec vždy umístěna v licí pánvi a je určena k odlití do potřebného polotovaru, sochoru, bloku či bramy, na zařízení plynulého odlévání. Licí pánev se v takovém případě umístí do takové pozice, aby skrz uzávěr umístěný ve dnu licí pánve ocel vytékala do mezipánve a z ní opět skrz otvor ve dnu mezipánve do krystalizátoru, kde poprvé dochází k přeměně tekuté oceli na pevný polotovar. V krystal izátoru dochází ke styku tekuté oceli s měděnými vodou chlazenými deskami a k tvorbě vnější pevné licí kůry, která dále roste i po výstupu z krystal izátoru. Po výstupu z krystal izátoru dochází k přímému styku tuhé licí kůry s vodou v licí komoře a tím tloušťka licí kůry roste tak dlouho, až ztuhne i poslední tekuté místo uvnitř těla plynule odlitého polotovaru. Tloušťka licí kůry po výstupu z krystalizátoru nesmí být příliš tenká, protože by mohlo dojít k jejímu protržení a k výronu tekuté oceli na technologická zařízení licí komory. Tloušťka licí kůry je ovlivňována m.j. délkou krystalizátoru, množstvím chladicí vody v měděných deskách, licím práškem, tep25 lotou oceli vstupující do krystalizátoru a licí rychlostí. Je-li teplota oceli v mezipánvi příliš vysoká, musí se zpomalit licí rychlost a zmenšit průtok oceli z mezipánve do krystalizátoru, aby došlo ke vzniku dostatečně tlusté licí kůry. Proto je nutné zamezit zbytečnému přehřátí oceli v mezipánvi, protože to ve svém důsledku vede k nutnosti snížit licí rychlost a tím pádem ke snížení výkonu zařízení plynulého odlévání.

V současné době je rozhodujícím faktorem pro dosažení optimální teploty přehřátí oceli v mezipánvi doporučené teplotní rozmezí konečné teploty oceli v licí pánvi po zpracování na pánvové peci či jiném hutním agregátu (tzn. vakuovací stanici, konvertoru, elektrické obloukové pecí apod.), který předchází v technologickém toku procesu odlévání. Za určitých podmínek je takto dosažena optimální teplota v mezipánvi a není nutno snižovat lící rychlost.

V mnoha případech se ovšem běžně stává, že tavič pánvové pece dodrží předepsanou výjezdovou teplotu, ale teplota v mezipánvi na zařízení plynulého odlévání přesto překračuje předepsanou maximální hodnotu. V takovém případě je nutno snížit licí rychlost o cca 10 % pokaždé, je-li teplota v mezipánvi vyšší o 5 °C, přičemž procentuální snížení licí rychlosti může být odlišné na různých zařízeních plynulého odlévání. Tento fakt je způsoben mnohými vlivy jako např. tloušť40 kou zdivá licí pánve, historií licí pánve, tzn. jak dlouho byla licí pánev bez víka, jak dlouho čekala před odpichem, jak dlouho trval transport po odpichu na pánvovou pec, dále pak teplotou a množstvím oceli v licí pánvi, množstvím a typem přísad přidaných do licí pánve po odpichu a během zpracování na pánvové peci, množstvím elektrické energie spotřebované k ohřevu oceli na pánvové peci atd.

Doposud se většina oceláren pokoušela vytvořit velmi sofistikované modely na predikci optimální výjezdové teploty z pánvové pece. Avšak i vzhledem k nutnosti zajištění mnoha přesných vstupních dat popisujících výše uváděné vlivy se nakonec tyto modely jevily jako nedostatečné. Konkrétně se jedná zejména o tato data:

-1 CZ 17033 Ul

- čas počátku ohřevu licí pánve - přesný čas - (s);

- čas konce ohřevu licí pánve - přesný čas - (s);

- teplota vyzdívky licí pánve na počátku ohřevu - (°C);

- teplota vyzdívky licí pánve na konci ohřevu - (°C);

- číslo pánve, která je předehřívána;

- fyP vyzdívky licí pánve a mezipánve;

- doba od vyprázdnění licí pánve po dolití na zařízení plynulého odlévání po její umístění na zařízení vysokoteplotního ohřevu nebo po její opětovné naplnění tekutou ocelí - (s);

- doba dmýchání argonu na posledním hutním agregátu, předcházejícím zařízení plynulého odlévání - (s);

- teplota oceli v licí pánvi po odpichu - (°C);

- doba začátku plnění licí pánve při odpichu - přesný čas - (s);

- čas konce odpichu - přesný čas - (s);

- tonáž oceli v licí pánvi - (t);

- typ/značka vyráběné oceli;

- hmotnost legujících přísad přidávaných do licí pánve během odpichu v poměru k oceli v licí pánvi - (kg/t);

- čas počátku zpracování oceli na posledním hutním agregátu, předcházejícím zařízení plynulého odlévání přesný čas - (s);

- čas (s) přídavku a hmotnost (kg) legujících a struskotvomých přísad na posledním hutním agregátu, předcházejícím zařízení plynulého odlévání;

- doba dmýchání argonu na posledním hutním agregátu, předcházejícím zařízení plynulého odlévání - (s);

- spotřeba elektrické energie, potřebné na zpracování tavby na posledním hutním agregátu, předcházejícím zařízení plynulého odlévání - (kWh);

- doba transportu licí pánve mezi ocelářskou pecí a zařízením plynulého odlévání - (s);

- rozměr plynule litého produktu, tzn. výška χ šířka - (mm);

- licí rychlost - (m/min), teplota oceli v mezipánvi - (°C).

Veškeré tyto faktory ovlivňují množství odváděného tepla z licí pánve a následně způsobují pokaždé jiný teplotní spád. Proto například i při stejné výjezdové teplotě z pánvové pece, při stejné tonáži i chemickém složení přesto dochází k rozdílné teplotě oceli v mezipánvi.

Dosud se tedy nikdy nepodařilo vyloučit ruční vstupy nebo odhadované vstupní hodnoty, což navíc vede k nepřesnostem v predikčním modelu.

Za současného stavu činí ztráta z neefektivní výroby způsobené snižováním licí rychlosti během odlévání oceli s vyšším přehřátím cca 1,5 až 3 % na rozličných zařízeních plynulého odlévání oceli po celém světě. To mnohdy způsobuje adekvátně sníženou produkci celého hutního podniku.

Podstata technického řešení

Zařízení k optimalizaci teploty přehřátí oceli, zejména v mezipánvi, je vyznačeno tím, že ve vyzdívce licí pánve jsou uspořádány termočlánky, upravené ke kontinuálnímu měření teploty vyzdívky licí pánve a předávání zjištěných informací o naměřených teplotních hodnotách do paměťové jednotky.

Výhodné provedení spočívá v tom, že termočlánek je zaveden skrz ocelový plášť a trvalou vyzdívku licí pánve do vyzdívky licí pánve.

Další výhodné provedení spočívá v tom, že je ve vyzdívce licí pánve uspořádáno 4 až 6 termočlánků.

Další výhodné provedení spočívá v tom, že termočlánky jsou upraveny k předávání informací prostřednictvím průmyslového konektoru a/nebo bezdrátově.

-2CZ 17033 Ul

Další výhodné provedení pak spočívá v tom, že k bezdrátovému přenosu je v prostoru ocelárny uspořádán odpovídající počet přijímačů, přednostně 4 až 6, a každá licí pánev je vybavena i vysílači, spojenými s termočlánky.

Jiné výhodné provedení spočívá v tom, že termočlánky jsou uspořádané v otvorech, vytvořených v jedné tvarovce, a to výhodně rovnoběžné s kolmou osou licí pánve v pravidelných rozměrových rozestupech směrem od vnitřku licí pánve k jejímu plášti.

Poslední výhodné provedení spočívá v tom, že kabeláž termočlánků je uspořádána mezi vyzdívkou licí pánve, a to protažena větracím otvorem pláště ven z licí pánve.

Takto je dosažen přesnější způsob udržování teploty oceli v mezipánvi v takovém rozmezí, které ío umožní minimalizaci výskytu situací souvisejících s nutností snížení licí rychlosti vlivem vysokého přehřátí oceli v mezipánvi během procesu odlévání.

Předložené technické řešení tak umožňuje zvýšení výkonu zařízení plynulého odlévání oceli řízeným udržováním optimální teploty v mezipánvi.

Předložené technické řešení optimalizace teploty přehřátí oceli v mezipánvi tak následně vede ke zrychlení procesu plynulého odlévání oceli, který je zařazen v technologickém toku výroby oceli za hutními agregáty vyrábějícími a zušlechťujícími tekutou ocel.

Velkou výhodou tohoto technického řešení je navíc možnost jeho rychlé aplikace do jakýchkoliv oceláren, protože není zapotřebí budovat složité monitorovací systémy a nákladné systémy pro přenos dat rozličného charakteru.

Přehled obrázků na výkrese

Technické řešení bude blíže vysvětleno za pomoci výkresu konkrétních příkladů provedení, na kterém představuje:

obr. 1 celkový pohled na uspořádání zařízení, a obr. 2 detail A z obr. 1.

Příklady provedení technického řešení

Předložené technické řešení je založeno na nepřetržitém sledování odvodu tepla z oceli v licí pánvi skrz žáruvzdornou vyzdívku I licí pánve a ocelový plášť 2 licí pánve. Sledování odvodu tepla se provádí pomocí termočlánků 3 umístěných ve vyzdívce 1 licí pánve. Při znalosti okamžité hodnoty celkového odvodu tepla je možno za pomoci počítačového modelu předpovědět budoucí teplotní spád v licí pánvi a mezipánvi během odlévání na zařízení plynulého odlévání. Hlavním řídicím ukazatelem této predikce je tedy nepřetržitá kontrola přestupu tepla.

K výpočtu je zapotřebí pouze:

- kontinuálně měřená teplota vyzdívky i licí pánve (°C); a běžně dostupné systémové informace z průběhu zpracování oceli na pánvové peci, především:

- délka a intenzita ohřevu - přesný čas (s), kWh/t;

- množství přísad (kg/t);

- délka a intenzita argonování - přesný čas (s), (1/min).

Podle průběhu kontinuálně měřených teplot vyzdívky I licí pánve lze určit jak předpokládaný teplotní pokles oceli v licí pánvi, resp. intenzitu odvodu tepla z licí pánve, tak i optimální výjez40 dovou teplotu z pánvové pece.

V podstatě lze zjednodušeně vysvětlit tento postup takto. Představme si, že budeme vyhodnocovat dvě chemicky i hmotnostně totožné tavby od začátku zpracování na pánvové peci. Představme si, že prvotně změřená teplota oceli v licí pánvi na počátku její teplotní a chemické homogenizace na pánvové peci bude rovněž totožná. Představme si, že obě tavby budou naprosto stejně teplotně i chemicky homogenizovány. Tzn., že délky a intenzity ohřevu elektrickým obloukem a

-3CZ 17033 Ul stejně tak i časové prodlevy mezi nimi budou shodné. Představme si, že množství legujících přísad budou totožná a že budou použity v naprosto shodných časových úsecích. I přesto, že budou obě tavby zpracovány naprosto shodně, jejich odvod tepla bude odlišný. Tento fakt je způsoben mnohými vlivy popsanými v části „dosavadní stav techniky“. To, že velikost odvodu tepla z každé licí pánve je rozdílná, lze zjistit z hodnot kontinuálně měřených teplot vyzdívky J_ licí pánve. Někdy bude vyzdívka i licí pánve teplejší a někdy chladnější, i kdyby byly stejným způsobem teplotně a chemicky homogenizovány dvě naprosto shodné tavby. Tím, že pomocí termočlánků 3 umístěných ve vyzdívce 1 licí pánve dokážeme získat informaci o jejich oteplování a/nebo ochlazování, můžeme předpovědět i teplotní spád oceli v licí pánvi během i po dokončení její teplotní a chemické homogenizace na pánvové peci, během jejího převozu v licí pánvi na zařízení plynulého odlévání i během procesu odlévání na zařízení plynulého odlévání. To nám umožní stanovit optimální poslední výjezdovou teplotu oceli po její teplotní a chemické homogenizaci na pánvové peci tak, aby následně i během procesu odlévání nedošlo ke zbytečně vysoké teplotě oceli v mezipánvi, což by vedlo k nutnosti snížit licí rychlost a tím i výkon zařízení plynulého odlévání.

Ke kontinuálnímu měření teploty vyzdívky i licí pánve v průběhu celé její životnosti se použijí termočlánky 3, které jsou samy o sobě běžně dostupné na trhu. Vyzdívky I licích pánví nejsou obvykle vybaveny termočlánky 3 a tento postup, kdy budou ve vyzdívce i umístěny po celou dobu životnosti licí pánve, je zcela ojedinělý. Informace o naměřených teplotních hodnotách se ukládají v paměťové jednotce, tzv. Datalogeru 5 umístěném v chlazeném a teplotně izolovaném ocelovém boxu. Licí pánve prozatím nebyly obvykle vybaveny jakoukoliv paměťovou jednotkou, tzv. Datalogerem 5, protože zatím nebylo obvyklé ukládat změřená data z termočlánků 3 umístěných ve vyzdívce I licích pánví. Tento způsob řešení optimalizace výjezdové teploty po chemické a teplotní homogenizaci na pánvové peci a/nebo na jiném technologickém agregátu, jenž v technologickém toku předchází procesu plynulého odlévání, je zcela ojedinělý. Tento speciálně vyvinutý box odolný proti teplotám přesahujícím teplotu okolí nad 80 °C bude trvalou součástí všech používaných licích pánví. Termočlánek 3 je zaveden skrz ocelový plášť 2 do vyzdívky 1 licí pánve. Těchto termočlánků 3 může být použito několik, např. 4 až 6, a to po obvodu licí pánve.

Veškerá data je možno zálohovat k budoucímu doladění systému v průmyslovém počítači.

Přenos naměřených teplotních dat je uskutečněn buď pomocí průmyslového konektoru a/nebo bezdrátově pomocí na trhu dostupných bezdrátových přijímačů a vysílačů.

V takovém případě je zapotřebí v prostoru ocelárny rozmístit několik, např. 4 až 6, přijímačů a každou licí pánev vybavit kromě termočlánků 3 i vysílači, které by byly umístěny v chlazeném a teplotně izolovaném ocelovém boxu.

Při přípravě licí pánve, tzn. vyzdění, se do vyzdívky i, přednostně do jedné tvarovky, vyvrtají otvory 4, např. 4 až 6 otvorů 4 a to rovnoběžně s kolmou osou licí pánve a v pravidelných rozměrových rozestupech směrem od oceli k plášti 2 licí pánve. Do otvorů 4 se umístí termočlánky 3. Kabeláž termočlánků 3 se vede mezi zdivém, protažena větracím otvorem 4 pláště 2 ven z licí pánve a připojí se k Datalogeru 5. Ten je umístěn na pevně stanoveném místě, odpovídajícím pracovním podmínkám jeho elektroniky. Takto připravená licí pánev je dána do provozu, tzn. na vysokoteplotní ohřev.

Ihned po zahřátí zdivá na vysokoteplotním ohřevu, po odpichu tavby z ocelářské pece do licí pánve, při stahování strusky na hrable, či jiných činnostech s licí pánví a během transportu tavby na zařízení plynulého odlévání oceli se snímáním teplot termočlánky 3 kontinuálně monitoruje přestup tepla přes vyzdívku 1 licí pánve a zjištěné hodnoty se ukládají do Datalogeru 5. Nezáleží proto, jak dlouho po odpichuje tavba dále zpracovávána na pánvové peci. Data jsou nezávisle na délce tavby v licí pánvi snímána nepřetržitě.

Po usazení licí pánve do vozu pánvové pece se automaticky k Datalogeru 5 připojí vyhodnocovací jednotka, umístěná na velíně pánvové pece. Připojení se provádí přes první konektor 6,

-4CZ 17033 Ul umístěný např. na argonovacím zařízení licí pánve a druhý konektor, umístěný na argonovacích vidlích vozu pánvové pece (ten není znázorněn). Po spojení prvního konektoru 6 a druhého konektoru dojde k on-line připojení a provede se stažení dat z Datalogeru 5 do vyhodnocovací jednotky na velín pánvové pece.

Během zpracování tavby na pánvové peci poskytují termočlánky 3 důležité informace a umožní tak spolu s předchozími informacemi vymodelovat přesné výjezdové teploty oceli z pánvové pece.

Příklad 1

Příklad 1 představuje současný způsob zpracování oceli na pánvové peci. Tavič pánvové pece ío měl za úkol, provést teplotní a chemickou homogenizaci oceli v licí pánvi tak, aby byla odlévatelná v požadovaném čase a splňovala veškeré jakostní požadavky.

10:31 čas příjezdu oceli na pánvovou pec;

10:31 počátek dmýchání argonu;

10:32 počátek ohřevu;

10:34 konec ohřevu, spotřeba el. energie 2200 kWh;

10:35 přidání struskotvomých přísad, a to vápna 350 kg, AI 60 kg;

10:45 měření teploty a odběr vzorku oceli, teplota 1567 °C, chemické složení oceli v % hmotn. CO,10, Mn 0,34, Si 0,11;

10:47 počátek ohřevu;

10:53 konec ohřevu, spotřeba el. energie 1450 kWh;

10:54 přidání legujících a struskotvomých přísad, feromangan 97 kg, koks 61 kg, ferosilicium

223 kg;

10:59 měření teploty a odběr vzorku oceli, teplota 1578 °C, chemické složení oceli v % hmotn. CO, 12, Mn 0,39, Si 0,18;

11:02 počátek ohřevu;

11:07 konec ohřevu, spotřeba el. energie 680 kWh;

11:09 přidání legujících a struskotvomých přísad, spotřeba feromanganu 21 kg, koksu 21 kg; 11:12 měření teploty a odběr vzorku oceli, teplota 1575 °C, chemické složení oceli v % hmotn.

C 0,15, Mn 0,42, Si 0,19;

11:12 přidání legujících a struskotvomých přísad, spotřeba vápna 97 kg;

11:13 počátek ohřevu;

11:17 konec ohřevu, spotřeba el. energie 700 kWh; teplota 1580 °C.

Zde již byla teplota zbytečně vysoká a způsobila následné nadměrné přehřátí oceli v mezipánvi, což vedlo k nutnosti snížení licí rychlosti během odlévání od 11:43 do 12:55. Licí rychlost byla snížena z max. 2,1 m/min na 1,8 m/min. To znamená snížení výkonu odlévacího stroje o 10 % z 180 t/hod na 162 t/hod.

Příklad 2

Příklad 2 představuje předloženým technickým řešením navrhované změny, vedoucí k teplotní optimalizaci. V čase 10:47, do kterého probíhalo vše jako v Příkladu 1, upozornil systém na předpokládanou zvýšenou koncovou teplotu a následným zkrácením délky ohřevu a intenzity topení umožnil dosáhnout cílovou teplotu místo 1580 °C pouze 1572 °C. I tento rozdíl stačí k tomu, aby se nemusela snížit licí rychlost. Tato teplota tedy již umožnila odlévání s maximálním výkonem. Proto mohlo být pokračováno a v

11:19 bylo dokončeno dmýchání argonu a tavba odeslána k odlévání.

I z tohoto srovnání je zřejmé, že výhody tohoto technického řešení proto spočívají zejména v efektivnějším využití provozního času určeného k produkci plynule litých předlitků a v možné eliminaci neefektivní výroby způsobené snižováním licí rychlosti během odlévání oceli s vyšším přehřátím.

Claims (7)

1. Zařízení k optimalizaci teploty přehřátí oceli, zejména v mezipánvi, vyznačující se tím, že ve vyzdívce (1) licí pánve jsou uspořádány termočlánky (3), upravené ke kontinuálnímu měření teploty vyzdívky (1) licí pánve a předávání zjištěných informací o naměřených teplotních hodnotách do paměťové jednotky.

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že termočlánek (3) je zaveden skrz ocelový plášť (2) do vyzdívky (1) licí pánve.

3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že ve vyzdívce (1) licí pánve je uspořádáno 4 až 6 termočlánků (3).

4. Zařízení podle některého z nároků laž3, vyznačující se tím, že termočlánky (3) jsou upraveny k předávání informací prostřednictvím průmyslového konektoru (6) a/nebo bezdrátově.

5. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, žek bezdrátovému přenosu je v prostoru ocelárny uspořádán odpovídající počet přijímačů, přednostně 4 až 6, a každá licí pánev je vybavena i vysílači, spojenými s termočlánky (3).

6. Zařízení podle některého z nároků laž5, vyznačující se tím, že termočlánky (3) jsou uspořádané v otvorech vytvořených v jedné tvarovce, a to výhodně rovnoběžné s kolmou osou licí pánve v pravidelných rozměrových rozestupech směrem od vnitřku licí pánve k jejímu plášti (2).

7. Zařízení podle některého z nároků laž6, vyznačující se tím, že kabeláž termočlánků (3) je uspořádána mezi vyzdívkou (1) licí pánve, a to protažena větracím otvorem (4) pláště (2) ven z licí pánve.