VLIV TECHNOLOGICKÝCH PARAMETRŮ ODLÉVÁNÍ NA ROZLOŽENÍ TEPLOT V KRUHOVÉM KRYSTALIZÁTORU ZPO

Transkript

1 METAL , Hradec nad Moravicí VLIV TECHNOLOGICKÝCH PARAMETRŮ ODLÉVÁNÍ NA ROZLOŽENÍ TEPLOT V KRUHOVÉM KRYSTALIZÁTORU ZPO Miroslav Příhoda - Jiří Molínek - René Pyszko - Leoš Václavík - Marek Velička VŠB Technická univerzita Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava Poruba, ČR E mail: miroslav.prihoda@vsb.cz Abstrakt Vliv změn technologických parametrů na rozložení teplot v kruhovém krystalizátoru byl experimentálně ověřován v podmínkách blokového ZPO. Teplotní profily byly vyhodnoceny v závislosti na licí rychlosti, chemickém složení oceli, výšce hladiny oceli v krystalizátoru a změně frekvence. Hodnocení teplotních profilů za různých technologických podmínek bylo konfrontováno s průběhem tření a mazání v krystalizátoru. Experimentální výzkum rozložení teplot ve stěnách krystalizátoru po jeho výšce byl využit k úpravě konicity krystalizátoru. Abstract An influence of technological parameters on a temperature field in a round mould has been experimentally verified at conditions of block continuous casting. The temperature profiles have been evaluated in a dependence on casting speed, chemical composition of steel, steel level in the mould and oscillation frequency. Evaluation of temperature profiles under various technological conditions has been confronted with values of friction and lubrication in the mould. An experimental research of temperature distribution in the mould walls along its height has been used for a mould taper adjusting. 1. ÚVOD Krystalizátor má rozhodující vliv na činnost celého zařízení pro plynulé odlévání oceli (ZPO). Rovnoměrný odvod tepla po obvodu předlitku do krystalizátoru a ustálený průběh tepelných toků v čase jsou důležitými faktory, podmiňujícími výrobu kvalitních předlitků [1]. Tepelné toky je možno měřit dvojicí termosond ve stěně krystalizátoru. Obvykle ovšem platí, že tepelný odpor měděných stěn krystalizátoru i součinitel přestupu tepla z mědi do vody je přibližně konstantní. Potom lze tepelné toky stanovovat na základě výsledku měření jednotlivých teplot ve stěně a parametrů chladicí vody krystalizátoru. Experimentální provozní měření na několika ZPO potvrdila těsnou souvislost mezi hustotou tepelného toku, odváděného z předlitku, a teplotami stěny krystalizátoru. Z teplotních profilů ve stěně po výšce krystalizátoru tak lze usuzovat na intenzitu odvodu tepla v jednotlivých vzdálenostech pod hladinou oceli a následně na kinetiku tvorby licí kůry. Pro posouzení stavu procesu tuhnutí je důležitá znalost nejen sdílení tepla v krystalizátoru a s tím související tloušťky licí kůry, ale svůj význam mají také informace o třecích silách působících na předlitek a o stupni opotřebení pracovních stěn krystalizátoru. Kvalita povrchu, vznik trhlin a průvalů totiž úzce souvisí jak s intenzitou a rovnoměrností odvodu tepla z předlitku, tak s třecí sílou mezi tvořící se kůrou a stěnou krystalizátoru. 2 PROVOZNÍ EXPERIMENT Experimentální měření probíhalo na blokovém ZPO při odlévání kruhového formátu o průměru 32 mm. Teplotní profily měděné vložky u 7 mm dlouhého krystalizátoru byly snímány termočlánky NiCr-CuNi typu E. Polovina z celkem 12 čidel byla zabudována na 1

2 METAL , Hradec nad Moravicí straně malého rádiusu (MR) a druhá polovina na straně velkého rádiusu (VR). Pro měření byla zvolena místa v úrovních 1, 18, 265, 4, 5 a 62 mm od horní hrany krystalizátoru, vždy ve vzdálenosti 1 mm pod pracovním povrchem vložky. Měřicí zařízení, tvořené průmyslovou verzí PC, je součástí diagnostického a protiprůvalového systému DGS. Vstupní analogové karty mají rozlišení 16 bitů, software vzorkuje všechny kanály s periodou,44 s. Výsledné binární datové soubory obsahují mj. teploty ve stěně krystalizátoru, teplotu srovnávacích konců termočlánků, licí rychlost, výšku hladiny oceli v krystalizátoru, vstupní a výstupní teplotu chladicí vody, objemový tok chladicí vody, frekvenci a amplitudu oscilací, tření a mazání v krystalizátoru. V rámci experimentu bylo sledováno odlévání více než 2 taveb oceli devatenácti značek obsahujících od,152 hm.% do,666 hm.% uhlíku. 2.1 Datové soubory Samotné vyhodnocování datových souborů je relativně pracné, neboť jsou značně rozsáhlé a většina zaznamenaných veličin se v závislosti na čase mění, jejich hodnoty vykazují nepravidelné fluktuace. Z tohoto důvodu byl pro prohlížení, základní zpracování a konverzi dat sestaven program, který má následující funkce: vykreslení časových průběhů zvolených měřených veličin na obrazovku, odstranění rušivých píků v průbězích, filtrace průběhů klouzavým průměrem, výběr zajímavých časových úseků zvolených veličin a případně jejich uložení do textových souborů, vhodných pro import do tabulkového procesoru. Program vykresluje časové průběhy zvolených měřených veličin, přičemž celá výška obrazovky může být rozdělena maximálně do pěti grafů. V jednom grafu lze znázornit více různých veličin, ale jedna konkrétní veličina může být vykreslena pouze v jediném grafu. Ukázka grafické obrazovky obsahující průběhy 8 veličin, rozdělených do tří grafů, s vyznačením výběru pro konverzi dat a polohy kurzoru, je na obr. 1. 2

3 METAL , Hradec nad Moravicí Obr. 1. Příklad grafické obrazovky programu Program také odstraňuje ojedinělé rušivé píky v signálu. Za rušivý pík se považuje ta hodnota, ve které existuje lokální extrém, tj. derivace zleva a zprava mají různá znaménka, a současně jsou absolutní hodnoty diferencí vůči předchozí i následující měřené hodnotě větší než trojnásobek průměrné absolutní hodnoty diferencí předchozích n po sobě jdoucích hodnot. Hodnoty, které nevyhovují uvedené podmínce, zůstávají nezměněny. Hodnoty splňující podmínku pro identifikaci píku jsou nahrazeny aritmetickým průměrem z hodnoty předcházející a následující píku. Počet hodnot n je přednastaven na 2 a lze jej změnit v rozmezí 2 až 1. U prvních n vzorků souboru se píky neodstraní. Filtrace hodnot se provádí klouzavým průměrem. Nová filtrovaná hodnota je vypočtena jako průměr n hodnot po sobě jdoucích, přičemž interval n hodnot je symetrický vůči filtrované hodnotě, čímž nedochází k fázovému posunu signálu, jak je to běžné u filtrace v reálném čase. Hodnota musí být lichá, n je nastavena na 5 a lze ji změnit. Prvních a posledních (n-1)/2 hodnot posloupnosti není filtrováno. Při prohlížení grafů je možno vybírat zajímavé časové úseky zvolených veličin a uložit je do textových souborů, vhodných pro import do tabulkového procesoru. Listování v dlouhých grafech je možné po jednotlivých stránkách obrazovky a funguje v obou směrech. 2.2 Vliv technologických parametrů Průběh sdílení tepla po výšce krystalizátoru a proces tuhnutí předlitku byl pro různé technologické parametry hodnocen prostřednictvím teplotních profilů. Teplotní profily na straně MR a VR byly vytvořeny z průměrných teplot, vypočtených jako medián z množiny všech teplot, změřených v daném místě během vybraného úseku odlévání příslušné tavby (řádově 1 2 až 1 3 hodnot). Vliv obsahu uhlíku v oceli na teplotní profil byl už analyzován dříve [2]. Ukázalo se, že v horní části krystalizátoru byly teploty stěny u ocelí s obsahem uhlíku kolem,16 hm.% až 3

4 METAL , Hradec nad Moravicí o 3 K nižší než u ocelí obsahujících cca,63 hm.% C. Přitom licí teploty nízkouhlíkových ocelí byly naopak až o 4 K vyšší než u ocelí s vyšším podílem uhlíku. V další etapě provozních měření byl zkoumán vliv výšky hladiny oceli v krystalizátoru na teplotní profil po výšce malého a velkého rádiusu. U celkem 27 taveb oceli s obsahem uhlíku od,156 hm.% do,18 hm.% se hladina měnila od standardní výšky, tj. 5 mm pod horní hranou krystalizátoru, v rozmezí ± 1 mm. Z každé tavby byl vybrán časový úsek delší než 15 minut, ve kterém se neměnily podmínky odlévání. Pro vybraný úsek byla v příslušné výšce krystalizátoru určena střední teplota stěny (medián) a z množiny všech mediánů se vypočítal aritmetický průměr. Takto byl sestrojen teplotní profil pro standardní výšku hladiny 5 mm a poté pro změněnou výšku hladiny na úroveň 4 mm resp. 6 mm. Z teplotních profilů vyplynulo, že změny výšky hladiny ovlivnily teplotu krystalizátorové stěny ve všech úrovních, přičemž více na MR než na VR. Nebylo ovšem možno jednoznačně usoudit, zda zvýšení či snížení hladiny vede k poklesu či nárůstu teploty stěny krystalizátoru. Hlavní příčinu spočívalo v tom, že teplota stěny krystalizátoru se tavbu od tavby liší. Rozdíly průměrných teplot v daném místě, pro shodnou značku oceli, mnohdy činí i několik desítek stupňů Celsia. Teploty krystalizátoru jsou totiž ovlivňovány celou řadou dalších technologických faktorů, přičemž kvantifikace jednotlivých vlivů je velmi obtížná. S ohledem na výše uvedené byl učiněn pokus některé vlivy eliminovat. Nebyly proto porovnávány absolutní hodnoty teplot krystalizátorové stěny u různých taveb, ale výkyvy těchto teplot u dané tavby. Tedy, jak se změnila střední teplota v daném místě stěny když došlo k nárůstu nebo poklesu úrovně taveniny v krystalizátoru. Na základě zhodnocení série měření teplotního profilu krystalizátorové stěny při odlévání nízkouhlíkových ocelí, lze konstatovat: 1. Charakter teplotního profilu se při změně hladiny nemění. 2. Kolísání hladiny v mezích ±1 mm vede k nepodstatným změnám teploty stěny v rozsahu 8 až +5 K. 3. Snížení hladiny oceli vede k nárůstu teplot stěny, neboť křivka teplotního profilu stěny se posouvá směrem k dolní hraně krystalizátoru. Zvýšení hladiny znamená naopak pokles teplot stěny. Při změně výšky hladiny se ne vždy podařilo dodržet konstantní rychlost lití. Proto byla hledána závislost mezi průměrnou změnou teploty stěny na MR a VR a licí rychlostí. Rozbor ukázal, že kolísání licí rychlosti mezi,76 až,82 m.min -1 nemá vliv na změnu teploty stěny krystalizátoru. Na blokovém ZPO byl také zkoumán vliv frekvence oscilací krystalizátoru na teplotní profil po výšce malého a velkého rádiusu, včetně vlivu na průběh tření a mazání. Koeficient oscilace se měnil od hodnoty 1 do hodnoty 19. Pokusy se týkaly ocelí s nižším i vyšším obsahem uhlíku. Kvalita mazání a velikost tření v krystalizátoru byla posuzována prostřednictvím stejnojmenných faktorů ze sytému DGS. Oba faktory jsou relativní, bezrozměrové veličiny. 4

5 METAL , Hradec nad Moravicí f=155 min -1 f=8 min Obr. 2. Teplota stěny v úrovni 4 mm při změně frekvence u oceli s,623 hm.% C frekvence na 8 min -1 o 22 %, kdežto faktor mazání vzrostl o 46 % f=12 min -1 f=175 min faktor tření o 4 % a faktor mazání rovněž poklesl o necelá 3 %. MR Změna teploty stěny v úrovni 4 mm u oceli s,623 hm.% C je uvedena na obr. 2. Z obrázku je zřejmé, že při změně frekvence ze 155 na 8 min -1 výrazně poklesly teploty na MR i VR, v průměru téměř o 3 K. Obdobně poklesly i teploty v ostatních hladinách. Pokles teploty stěny kokily signalizuje zhoršený odvod tepla z předlitku. Nižší frekvence se také odrazila v podstatných změnách tření a mazání. Faktor tření poklesl při snížení Zcela jinak reagovala na změnu frekvence oscilace kokily ocel s,172 hm.% C (viz obr. 3). Na rozdíl od oceli s vyšším obsahem uhlíku se v tomto případě vliv změny frekvence ze 12 na 175 min -1 prakticky neprojevil na teplotě stěny krystalizátoru, a to jak v úrovni 4 mm, tak i v ostatních místech. Malým změnám teplot stěny krystalizátoru odpovídaly i statisticky nevýznamné změny tření a mazání. Při nárůstu frekvence na 175 min -1 poklesl Další část experimentu zahrnovala hodnocení vlivu typu licího prášku na průběh tření a mazání v krystalizátoru. U dvou po sobě následujících taveb se shodným obsahem uhlíku,47 hm% byla vyzkoušena změna licího prášku. První tavba byla celá odlévána s práškem A, druhá pak s práškem B. Licí měl ve srovnání s práškem A o 3 K vyšší teplotu měknutí, o 6 K vyšší teplotu tavení a o 55 K vyšší teplotu tečení. K porovnání byly vybrány úseky taveb, v nichž byla licí rychlost shodná a rovnala se,76 m.min -1. Průběh hodnoty tření v ustálených úsecích obou taveb je ukázán na obr. 4. Prášek B se pro dané podmínky jeví jako VR MR Obr. 3. Teplota stěny v úrovni 4 mm při změně frekvence u oceli s,172 hm.% C tření (1) Obr. 4. Průběh tření u taveb s,47 hm.% C při změně licího prášku VR 5

6 METAL , Hradec nad Moravicí vhodnější z hlediska velikosti tření. Střední hodnota faktoru tření se totiž snížila z 5,3 na 4,, tj. o 25 %. Kvalita mazání s práškem B se zlepšila nevýznamně z průměrné hodnoty 97,2 na 97,7 (,5 %). Obě výše zmíněné tavby tavba 2. tavba MR 4 VR Obr. 5. Průběh teploty stěny u taveb s,47 hm.% C při změně licího prášku byly odlévány s prakticky shodnými technologickými parametry a tudíž byly porovnány také průběhy teploty stěn. Jak na rozdílnou kvalitu prášku reagovala teplota stěny v úrovni 4 mm je ukázáno na obr. 5, kde jsou obě tavby odděleny čárkovanou čarou. Z každé tavby je na obrázku uveden jeden vybraný časový úsek s ustálenými parametry odlévání. U tavby č. 1 se jeho délka rovnala 17 minut, u tavby č. 2 pak 4 minut. Pro lepší přehlednost jsou teplotní křivky nakresleny na průběžnou časovou osu. V úrovni 4 mm teplota stěny na VR vzrostla v průměru pouze o 3 K, kdežto na MR poklesla o více než 18 K. Obdobně se změnily také teploty stěny v ostatních úrovních, tj. mezi 1 mm až 62 mm. Na straně VR byl nárůst teploty mezi 3 až 13 K, na straně MR naopak pokles mezi 7 až 37 K. Změna licího prášku způsobila na celé straně VR zvýšení teploty v průměru jenom o 7 K, zatímco na celé straně MR došlo k poklesu průměrné teploty stěny o více než 21 K. Příčina může spočívat v nerovnoměrné distribuci licího prášku po průřezu krystalizátoru. tření (1) tření mazání Obr. 6. Průběh tření a mazání u oceli s,175 hm.% C při změně licího prášku Vliv licího prášku na průběh tření a mazání v krystalizátoru byl rovněž ověřen u tavby s nízkým obsahem uhlíku, konkrétně s,175 hm.%. Během tavby byl původní nahrazen práškem B. Průběh tření a mazání je ukázán na obr. 6. Také v tomto případě se potvrdilo, že faktory tření a mazání u ocelí s nízkým obsahem uhlíku reagují na změny podmínek odlévání minimálně. Konkrétně se faktor tření u prášku B zvýšil o 5 % oproti prášku A. Faktor mazání poklesl o necelých 1 %. Hodnoty byly vyhodnoceny z ustálených úseků před a po odeznění přechodových dějů souvisejících se změnou prášku mazání (1) 6

7 METAL , Hradec nad Moravicí MR 4 VR Obr. 7. Průběh teploty stěny u oceli s,175 hm.% C při změně licího prášku Rozdílným způsobem než u oceli s vyšším podílem uhlíku se výše uvedená změna licího prášku projevila na průběhu teplot stěny krystalizátoru, jak dokumentuje obr. 7. Zatímco na MR došlo k nárůstu teploty v úrovni 4 mm průměrně o cca 14 K, teplota na VR se prakticky nezměnila, neboť v průměru klesla jen o 1 K. 3. ZÁVĚR Provozní experimenty na blokovém ZPO, uskutečněné při odlévání kruhového formátu u více než 2 taveb, zahrnujících jakosti od,152 hm.% do,666 hm.% C, potvrdily již dříve zjištěný rozdíl mezi odléváním oceli s nižším a vyšším obsahem uhlíku. Zatímco u ocelí s podílem uhlíku nad,4 hm.% se změna podmínek odlévání projeví podstatně na teplotním poli krystalizátoru, faktorech tření i mazání, u ocelí obsahujících pod,2 hm.% C jsou změny teplotního pole menší a tření i mazání se mění nevýznamně. Zhodnocení výsledků provozních experimentů prokázalo, že použitý úkos krystalizátoru nezaručuje pro dané parametry odlévání optimální podmínky pro odvod tepla z předlitku. Na základě učiněných závěrů byla vyrobena nová krystalizátorová vložka se změněným průběhem konicity po výšce krystalizátoru. Výsledky prvních měření nového krystalizátoru naznačují, že přestup tepla po výšce upravené měděné vložky lépe splňuje podmínky pro ideální průběh tuhnutí a chladnutí předlitku. LITERATURA [1] Příhoda, M. aj.: Nové poznatky z výzkumu plynulého odlévání oceli. VŠB TU Ostrava, Ostrava s. ISBN [2] Příhoda, M. aj.: Sdílení tepla při odlévání kruhových formátů na ZPO. In Sborník 1. mezinárodní metalurgické konference METAL 21 (CD). Ostrava: TANGER, s. ISBN Výzkum probíhá s finanční podporou Grantové agentury ČR v rámci projektu evidenční číslo 16/2/116. 7