VÝZKUM A VÝVOJ TECHNOLOGICKÝCH POSTUPŮ V OBLASTI MEZIPÁNVE RESEARCH AND DEVELOPMENT OF TECHNOLOGICAL METHODS WITHIN TUNDISH AREA

Transkript

1 VÝZKUM A VÝVOJ TECHNOLOGICKÝCH POSTUPŮ V OBLASTI MEZIPÁNVE RESEARCH AND DEVELOPMENT OF TECHNOLOGICAL METHODS WITHIN TUNDISH AREA Ladislav Válek a Marcel Német a Jiří Kaluža a a ArcelorMittal Ostrava a.s., Vratimovská 689, Ostrava - Kunčice, ČR, ladislav.valek@arcelormittal.com, marcel.nemet@arcelormittal.com, jiri.kaluza@arcelormittal.com Abstrakt V ArcelorMittal Ostrava a.s. je řešen grantový projekt, financovaný Ministerstvem průmyslu a obchodu - program IMPULS, pod názvem Komplexní snižování měrných emisí CO 2 (g) při výrobě oceli. Projekt bude ukončen v roce Grantový projekt se skládá z několika dílčích úkolů. V rámci daného publikačního příspěvku jsou uvedeny dílčí výsledky úkolu 2C Sledování heterogenních soustav a vývoj nových řídících postupů: Mezipánvová metalurgie. Diskutovány jsou zkušenosti s ověřovaným zařízením pro měření výšky hladiny oceli a strusky v mezipánvi bramového ZPO. Uvedeny jsou dílčí výsledky z oblasti mezipánvové metalurgie a závěry ze studie úpravy architektury mezipánve bramového ZPO. Cílem příspěvku je prezentovat práce provedené v rámci projektu. The grant project financed by Ministry of Industry and Trade of Czech Republic - program IMPULS is solved at ArcelorMittal Ostrava a.s. under title Complex reduction of CO 2 during steel production. The project will be finished in The grant project has several partial tasks. Results of task 2C Observation of heterogenic systems and development of new controlling methods: Tundish metallurgy are shown in this article. Experiences of verified device for steel and slag level measuring at tundish of slab caster are discussed. There are introduced partial results from area of tundish metallurgy and results from the study of new architecture of tundish of slab caster. The aim of the article is present works made under this project. 1. ÚVOD V roce 2009 je ukončováno řešení grantového projektu, který je zaměřen do oblasti mezipánvové metalurgie (zjednodušeně řečeno) na bramovém ZPO v ArcelorMittal Ostrava a.s. Cílem projektu je zejména zvýšit efektivitu výroby bram, a tak snížit emise CO 2 (g) při vlastní výrobě oceli. Z tohoto důvodu má grantový projekt, financovaný Ministerstvem průmyslu a obchodu - program IMPULS, název: Komplexní snižování měrných emisí CO 2 (g) při výrobě oceli. Vlastní problematika mezipánvové metalurgie je řešena v rámci jedné části projektu pod názvem: Sledování heterogenních soustav a vývoj nových řídících postupů: Mezipánvová metalurgie. V rámci sledování heterogenních soustav je v ArcelorMittal Ostrava a.s. věnována pozornost oblastem výroby a mimopecního zpracování oceli. Samostatnou částí řešení je problematika optimalizace ohřevu hutní keramiky - licích pánví. 1

2 2. POPIS BRAMOVÉHO ZPO Bramové ZPO je konstruováno pro odlévání jednotlivých bram. Při uvádění ZPO do provozu však bylo možno odlévat i dvě bramy na jeden krystalizátor. Základní parametry ZPO jsou uvedeny v tabulce 1. Tabulka 1 Vybrané parametry bramového ZPO Table 1 Selected informations of slab CCM kapacita 12/1997 1,0 mil. t/rok 12/2003 1,2 mil. t/rok - modernizace 01/2008 1,5 mil. t/rok - modernizace hmotnost tavby 205 t (2003) r oblouku 5 m metalurgická délka 21,9 m - poslední váleček 5. horizontálního segmentu licí rychlost max. 2,75 m/min rozměry bram mm teplota bramy cca C (za sekundárním chlazením) stojan mezipánve dva vozy, vážící zařízení, ponorná výlevka s regulací ponoru, možnost letmé výměny mezipánve mezipánev max. objem oceli 28 t (teor.), hloubka 1 m, plynulé měření teploty, systém vážení oceli a strusky, zátková tyč s automatickým řízením hladiny oceli v krystalizátoru, výměna ponorné výlevky během odlévání krystalizátor rovný, 900 mm, predikce průvalu (termočlánky; výpočet odvodu tepla), EMBR, rychlá změna šířky pomocí 4 el. pohonů na zvedacím stole, servo-hydraulické řízení oscilace oblouk krystalizátor s patními válečky, ohýbací segment, tři obloukové segmenty, dva rovnací segmenty, pět horizontálních segmentů s možností instalace šestého, vodovzdušné trysky (kromě chlazení patních válečků), metalurgické chlazení o 6. zónách, horizontální segmenty pouze s chlazením válečků, křížové ostřiky mohou být použity na spodní válečky (od rovnacích segmentů) Z tabulky je patrné, že první modernizace ZPO byla provedena v prosinci roku V souvislosti se zvyšováním výkonu bylo ZPO přestavěno z tloušťky bramy 125 na tloušťku 150 mm. V rámci modernizace byla provedena řada úprav, zejména je nutné zmínit instalaci třetího horizontálního segmentu. Další modernizace probíhaly postupně v létech 2006 a 2007, kdy byly instalovány do oblouku další dva horizontální segmenty a byla zavedena maximální licí rychlost 2,75 m/min [1]. Mezipánev bramového ZPO je uzpůsobena pro možnost odlévání na dva licí proudy, pracovní objem mezipánve je však uzpůsoben pro odlévání oceli na jeden licí proud viz obrázek 1. 2

3 Pokud se v tomto publikačním článku hovoří o mezipánvové metalurgii, pak jsou tím míněna všechna opatření učiněna v rámci mezipánve bramového ZPO, která mají vliv na metalurgické faktory. První práce v oblasti mezipánvové metalurgie bramového ZPO byly provedeny v roce 2000 a jednalo se o zvětšení pracovního objemu mezipánve [2]. Byl potvrzen příznivější vliv zvětšeného objemu mezipánve na mikročistotu oceli. Proto byla upravena forma pro betonování trvalé vyzdívky mezipánve. Další práce probíhaly od roku 2001 přibližně do roku Jednalo se o optimalizaci dopadového místa mezipánve, přičemž byl zaveden optimalizovaný lichoběžníkový Turbostop [3]. Následně byla prováděna řada drobných vývojových aktivit, např. byla posuzována možnost a význam zavedení porézních tvárnic a hrázek do mezipánve. Obr. 1 Schéma mezipánve bramového ZPO (šířka pracovního prostoru u dna 666 mm a u hladiny 1140 mm) Fig. 1 Scheme of tundish of slab CCM (width of workspace near tundish floor 666 mm and near steel level 1140 mm) První práce týkající se ověřování nových rafinačních a izolačních strusek v mezipánvi byly prováděny v období 2004 až 2006 [4]. Byly ověřeny nové typy strusek a byly provedeny změny přídavků strusek během odlévání v sekvenci. První zkouška s novou technologií přípravy pracovní vrstvy mezipánve byla provedena v dubnu 2006 (technologie suchého zásypu nahradila torkret). Od roku 2007 je technologie suchého zásypu běžně využívána na bramovém ZPO [5]. Významnější práce týkající se architektury mezipánve bramového ZPO byly provedeny v období let 2006 až 2008, v rámci možnosti řešení grantového projektu (uvedeného v úvodu tohoto příspěvku) a v rámci spolupráce s fa TechSoft Engineering a fa FOSECO [6]. Výsledkem prací byla studie, na jejímž základě byla navržena: - úprava délky mezipánve - zvětšení; - zavedení profilovaného dna mezipánve; - zavedení nového optimalizovaného Turbostopu. Výsledný návrh zajišťuje dostatečný objem oceli v mezipánvi pro bezpečnou výměnu taveb v sekvenci při odlévání oceli na maximálních licích rychlostech, dále zajišťuje snížení hmotnosti slitku v mezipánvi po odlití sekvence a zajišťuje lepší podmínky pro zajišťování mikročistoty oceli. 3

4 3. MĚŘENÍ VÝŠKY HLADINY OCELI A STRUSKY V MEZIPÁNVI Cílem řešení dané části ukončovaného grantového projektu (uvedené v úvodu) byl návrh a ověření měření hladiny kovu a strusky v mezipánvi, a to za účelem: - detekce zbytku oceli při dolévání mezipánve; - udržování optimální výšky hladiny oceli v mezipánvi; - udržování optimální vrstvy tekuté strusky v mezipánvi; - zajišťování optimálního tvaru hladiny oceli v mezipánvi; - snížení spotřeby a zvýšení životnosti funkční keramiky pro ZPO. V rámci řešení projektu byl proveden návrh způsobu měření hladin v mezipánvi a bylo provedeno provozní ověření. Využita byla metoda na principu mikrovln, ale rovněž na principu elektromagnetickém. Pro práce byla vybrána Švédská firma Agellis Group. 3.1 Zařízení se senzorem na bázi mikrovln První měření výšky hladiny oceli a strusky v mezipánvi byly provedeny se zařízením fa Agellis Group, které pracovalo se senzorem na bázi mikrovln [7]. Bylo vybráno místo instalace a byl proveden vývoj mechanismu pro uchycení senzoru (dle projektu vypracovaného v ArcelorMittal Ostrava a.s.). Byla řešena otázka chlazení senzoru a přenosu dat do ASŘ bramového ZPO. Pohled na vlastní měřící zařízení je uveden na obrázku 2. Po instalaci zařízení a potřebných součástí bylo zařízení ověřeno v provozních podmínkách. Na základě provozních zkoušek byly postupně provedeny úpravy nastavení měřícího senzoru polohy a provedeny úpravy úchytného mechanismu. Na základě provozních zkoušek bylo zjištěno chování hladiny kovu a strusky v průběhu odlévání sledovaných taveb. Porovnávací měření výšky oceli v mezipánvi bylo provedeno pomocí ocelové tyče. Spočívalo ve fyzickém měření výšky hladiny oceli a strusky v mezipánvi Obr. 2 Zařízení v pozici měření Fig. 2 Equipment at measuring position pomocí ocelové tyče. Pro verifikaci byly rovněž měřeny také utuhlé tloušťky slitků oceli a strusky po jejich vyklopení z mezipánve. Ukázka zaznamenaných průběhů měřených hladin je uvedena na obrázku 3. Na daném obrázku jsou uvedeny rovněž průběhy hmotnosti v licí pánvi a mezipánvi a je uvedena také licí rychlost. K vlastním křivkám (hodnotám) hladin je nutno doplnit, že se jedná o vzdálenosti od senzoru k hladině strusky nebo hladině oceli. Proto při poklesu hmotnosti oceli a strusky v mezipánvi dochází k nárůstu hodnot hladin v mezipánvi - viz šipka na obrázku 3. 4

5 Obr. 3 Ukázka výstupu ASŘ bramového ZPO změna hmotnosti oceli v mezipánvi (viz šipka) Fig. 3 An output from automatization system of slab caster steel weight changing at tundish (view arrow) 3.2 Zařízení s cívkami na bázi elektromagnetického pole V průběhu řešení projektu bylo rozhodnuto ověřit jiný typ měřícího senzoru (bez mikrovlnné jednotky), a to na základě výsledků provozních experimentů. V podmínkách mezipánve bramového ZPO v ArcelorMittal Ostrava a.s. nebylo dosahováno požadované přesnosti u naměřených hodnot hladin oceli a strusky v mezipánvi. Bylo konstatováno, že nepřesnosti jsou pravděpodobně způsobeny: malým otvorem ve víku mezipánve, vyššími obsahy uhlíku ve strusce a obecně nižšími hodnotami signálu mikrovlnné jednotky. Následně byla dohodnuta úprava vlastního měřícího senzoru ve spolupráci s fa Agellis Group. Došlo k náhradě mikrovlné jednotky, za jednotku na principu elektromagnetickém (cívky zabudované v žárobetonu mezipánve). Po montáži cívek na jednu mezipánev, včetně napojení na vyhodnocovací jednotku, byla provedena úprava vyhodnocovacího zařízení a byly provedeny studené testy. S takto upraveným systémem měření bylo provedeno několik provozních experimentů. Zařízení měří výšku hladiny oceli v mezipánvi. Výška hladiny strusky je určována na základě měření hladiny oceli s dopočtem výšky strusky. Upravený způsob měření je dále testován a vyhodnocován. 4. VÝVOJ MODELŮ V průběhu řešení grantového projektu (uvedeného v úvodu) probíhala spolupráce s fa Ecofer. Byly vyvíjeny a ověřovány dva modely pro oblast mezipánve bramového 5

6 ZPO: Model struska a Model ocel (v prostředí MS Excel) a byla věnována pozornost vlivu složení strusky v mezipánvi na mikročistotu oceli [8]. 4.1 Model struska Model struska počítá množství strusky v mezipánvi a chemické složení strusky, a to zejména na základě přídavků rafinační a izolační strusky, na základě zásypu ze šoupátka licí pánve a na základě metalurgických reakcí v mezipánvi. K vývoji a ověřování modelu byly využity systémy měření hladiny oceli a strusky fa Agellis Group. V rámci provozních experimentů byly prováděny rovněž odběry vzorků strusek a byla prováděna jejich chemická analýza. Tyto údaje, společně s údaji o spotřebě rafinačních a izolačních strusek a další řadou údajů byly použity jako vstupní data do modelu. Základní grafický výstup Modelu struska je uveden na obrázku 4. Je zde uveden ternární diagram, ve kterém je zakreslen vývoj chemického složení strusky v mezipánvi z pohledu tří hlavních oxidů CaO-SiO 2 -Al 2 O t LP t LP t LP t LP t LP t LP t LP t LP t LP t LP Obr. 4 Vývoj chemického složení strusky v mezipánvi (experimentální sekvence se zvýšenými přídavky rafinační strusky) Fig. 4 Evolution of chemical composition of tundish slag (experimental sequence with higher additions of refining slag) V rámci řešení dané části projektu byl ověřen nový typ rafinační strusky a zvýšené přídavky této rafinační strusky během odlévání taveb v sekvenci. Na obrázku 4 je uveden vývoj chemického složení strusky v mezipánvi v průběhu experimentální sekvence o 5. sledovaných tavbách. U druhé až páté tavby v sekvenci bylo přidáváno zvýšené množství rafinační strusky. Je patný pozitivní vývoj chemického složení, a to blíže k šrafované oblasti, považované za ideální, z pohledu chemického složení rafinačních strusek. Pomocí Modelu struska je možno provádět sledování materiálové bilance strusky v mezipánvi. S využitím daného modelu bylo také ověřeno množství strusky, které 6

7 uniká z licí pánve na konci dolévání tavby. Množství strusky, unikající při uzavírání licí pánve, se pohybovalo v množství 30 kg. 4.2 Model ocel Model ocel zahrnuje všechny důležité parametry týkající se materiálové bilance během odlévání oceli na bramovém ZPO. Jsou to rozměrové parametry licí pánve, mezipánve a odlévané bramy, vlastnosti taveniny, údaje o hmotnostech oceli, rychlosti odlévání atp. Hlavním výstupem modelu je grafická závislost, na které jsou uvedeny pro dané podmínky odlévání: hmotnost oceli v licí pánvi a mezipánvi, kritická hmotnost oceli v mezipánvi, hladina oceli v mezipánvi, průtok oceli a licí rychlosti odlévání. Pomocí modelu Ocel byl proveden návrh optimalizace hladiny oceli v mezipánvi v okamžiku výměny tavby v sekvenci. Byly promodelovány všechny šířkové intervaly odlévaných bram, a to s ohledem na používané licí rychlosti a na dobu výměny licí pánve (normální a s propalování výlevky). Byly zjištěny podmínky odlévání, při kterých není dostatek času na bezpečnou výměnu tavby v sekvenci hladina oceli v mezipánvi je na kritické hodnotě (přepočtem na hmotnost oceli činí kritická hodnota 8 tun). Výsledky jsou předmětem provozního ověřování. 5. VÝVOJ NOVÉ ARCHITEKTURY MEZIPÁNVE Výsledná navržená varianta architektury mezipánve je schematicky uvedena na obrázku 5. Final proposal Obr. 5 Schéma výsledné varianty architektury mezipánve Fig. 5 Scheme of final variant of tundish architecture Tato varianta spočívá v: - zvětšení délky pracovního prostoru mezipánve o 1 metr; - zavedení profilovaného dna mezipánve - oblast Turbostopu a dále směrem k zaslepenému licímu proudu; - použití nového typu Turbostopu. Zvětšením pracovní délky mezipánve o 1 metr bylo zajištěno potřebné zvětšení pracovního objemu mezipánve o 5,2 tun oceli, přičemž nebylo obětováno dobré proudění v mezipánvi. Změna profilu dna mezipánve byla na modelu provedena navýšením tloušťky dna o 9 cm, a to v oblasti Turbostopu a směrem k nevyužívanému licímu proudu. Upravené dno mezipánve sníží hmotnost slitku oceli o 0,5 tun, což při roční produkci oceli na bramovém ZPO znamená úsporu cca 400 tun oceli. Zvětšení objemu mezipánve s upraveným dnem umožní přitom zvýšit 7

8 kapacitu oceli v mezipánvi z 21 na 25,7 tun. Tato hodnota je již bezpečnější z pohledu výměny taveb v sekvenci, při využívání maximálních licích rychlostí. Byl vyvinut nový typ Turbostopu, pomocí kterého byly zjištěny velmi dobré výsledky při modelových zkouškách, a to jak za ustáleného stavu, tak při olejovém testu. Nová architektura mezipánve zvyšuje retenční dobu z 36 na 59 s, zvyšuje objem promíchávané oblasti z 29 na 39 % a snižuje objem nepromíchávané - mrtvé oblasti z 30 na 26 %. Výsledky modelování jednoznačně ukazují na zlepšení podmínek proudění oceli v mezipánvi. 6. ZÁVĚR V rámci řešení grantového projektu byly navrženy a ověřeny metody měření hladiny oceli a strusky v mezipánvi bramového ZPO, a to ve spolupráci s fa Agellis Group. Metoda na bázi mikrovln vykazovala nepřesnosti v měření a proto byla ověřována rovněž metoda na bázi elektromagnetického pole. Posledně zmíněna metoda je ověřována při ukončování projektu. V rámci projektu byly ve spolupráci s fa Ecofer vyvinuty dva modely pro oblast mezipánve. Jeden je určen pro bilanční výpočty oceli a druhý pro výpočty kvality strusky v mezipánvi. V rámci projektu byla navržena nová architektura mezipánve. Realizací provedených návrhů bude zajištěna zvýšená účinnost výroby na bramovém ZPO. Tento článek mohl vzniknout díky řešení grantového projektu Tandem, ev. č. FI-IM3/165, za finanční podpory Ministerstva průmyslu a obchodu České republiky. LITERATURA [1] VÁLEK, L., KALUŽA, J. Zvyšování výkonu na bramovém ZPO a vývojové aktivity. Hutnické listy, 5/2008, s. 20 až 26 (ISSN ). [2] VÁLEK, L. a kol. The Effects of Experimental Enlargement of Tundish Dimensions and Steel Depth in the Tundish. Acta Metallurgica Slovaca, Košice, 5/2001 (2/3), s. 450 až 454 (ISSN ). [3] VÁLEK, L. a kol. Teoretické a praktické závěry změny tvaru dopadového místa mezipánve ZPO č. 2 v NOVÁ HUŤ, a. s. In. Teorie a praxe výroby a zpracování oceli, Hotel Relax, Rožnov pod Radhoštěm, Ostrava: Tanger, duben, 2003, s. 169 až 176 (ISBN X). [4] BAŽAN, J. a kol. Možnosti využití mezipánve a mezipánvové metalurgie při zvyšování čistoty oceli a jakosti náročných plochých výrobků. Závěrečná zpráva grantového projektu GAČR, reg. č. 106/04/0024, Ostrava, 2006, 78 s. [5] VÁLEK, L. a kol. Ekonomické zhodnocení zavedení nové technologie přípravy mezipánve k plynulému odlévání oceli. In. Teorie a praxe výroby a zpracování oceli, Hotel Relax, Rožnov p. Radhoštěm. Ostrava: Tanger, duben 2007, s. 195 až 201 (ISBN ). [6] VÁLEK, L. a kol. Návrh úprav v oblasti mezipánve bramového ZPO na základě numerického a fyzikálního modelování. In. Teorie a praxe výroby a zpracování oceli, Hotel Relax, Rožnov pod Radhoštěm. Ostrava: Tanger, duben, 2009, v tisku. [7] Tundish Measurement System AGELLIS pt TU1209 Slag and Steel Levels. Technical information, Agellis Group: Sweden. [8] RACLAVSKÝ, M. Vliv složení strusky v mezipánvi na vměstky a na metalurgické reakce v mezipánvi. Výzkumná zpráva. Ostrava: Ecofer, 2008, 121 s. 8