VIZUÁLNÍ ŘÍZENÍ PROCESU SEKUNDÁRNÍ METALURGIE PODPOROVANÉ POČÍTAČOVÝM ZPRACOVÁNÍM OBRAZU

Transkript

1 VIZUÁLNÍ ŘÍZENÍ PROCESU SEKUNDÁRNÍ METALURGIE PODPOROVANÉ POČÍTAČOVÝM ZPRACOVÁNÍM OBRAZU VISUAL PROCESS CONTROL SUPPORTED BY COMPUTER IMAGE ANALYSIS FOR SECONDARY METALLURGY Milan Raclavský a Miroslav Krayzel b Martin Korbáš b a ForSTEEL, spol. s r.o. Vědecko-technologický park Ostrava, Technologická 372/2, 78 Ostrava Pustkovec milan.raclavsky@forsteel.cz b VÍTKOVICE STROJÍRENSTVÍ, a.s Ostrava-Vítkovice miroslav.krayzel@vitkovice.cz; martin.korbas@vitkovice.cz Abstrakt Článek prezentuje současný stav grantového projektu Vizuální řízení procesu sekundární metalurgie podporované počítačovým zpracováním obrazu. V článku jsou shrnuty výsledky počítačového zpracování obrazu chování strusky v procesu VD. Jsou zde popsány souvislosti mezi množstvím a kvalitou strusky a kinetikou procesu. Výsledky je možno shrnout takto: Nedostatečná emulgace strusky zhoršuje kinetiku odvodičení Oko není stabilní a osciluje s periodou až desítek sekund Oko se postupně rozvíjí v průběhu celého procesu Rozhodující jsou první 2-4 minuty spojené s vznikem hlubokého vakua Průměr oka se zmenšuje v průběhu procesu Abstract Paper describes present status of grant project Visual process control supported by computer image analysis for secondary metallurgy. Paper summarises results of computer image analysis of slag behaviour in VD process. Relation between slag amount and quality and process kinetics are described. Results are: Insufficient slag emulsification leads to worse process kinetics Eye is not stabile and oscillate with period of tens seconds Eye is developed gradually in the process course First 2-4 minutes when vacuum is created are of main importance Eye diameter decreases in process course ÚVOD Kinetika heterogenních procesů je definována velikostí volných povrchů a intenzitou přenosu hmoty. Mezifázové rozhraní struska kov ovlivňuje nejenom kinetiku procesu reakcí mezi kovem a struskou, ale fyzikální vlastnosti strusek ovlivňují i velikost oka na povrchu lázně. 1

2 Rozhraní plyn/kov je tvořeno povrchem vyplouvajících bublin a plochou volné hladiny lázně. Pro kinetiku procesů plyn kov je rozhodující velikost tohoto rozhraní. Podrobný rozboru významu jednotlivých fázových rozhraní pro proces VOD provedl Kitamura [1]. Chování strusky tedy determinuje všechny povrchové reakce. Rozvoj metody vyhodnocování chování strusky nám umožní zavedení efektivní a levné metody řízení procesů VD a případně i VOD. Navržená metoda využívá rozhodujícího významu mezi fázového rozhraní struska/kov/plyn na kinetiku metalurgických reakcí. Kvantitativní ohodnocení chování tohoto fázového rozhraní je velmi náročné a výsledky řešení jsou popsányv následujícím článku, který navazuje na [2]. STRUČNÝ POPIS ZAŘÍZENÍ VD V NS 32 CCD kamera je namontována na zařízení VD 8 t v NS 32. Původní keson a vývěvový systém má provedenou nástavbu hydraulického pojízdného víka na U rampě s pracovní plošinou s možností legování ve vakuu, legování feroslitin pomocí podavačů drátu a toto zařízení je dále vybaveno první úrovní řízení a zařízením Hydris a sondou Ganox. Téměř 1 % výroby prochází tímto zařízením. Obr. 1 Exploze kapky v níž proběhla homogenní nukleace podle [5] TEORIE ODPLYNĚNÍ Metalurgická reakce s plynnými produkty může probíhat na fázovém rozhraní kov/plyn. Za podmínek vysokého přesycení mohou vznikat bubliny homogenně. Sledování této problematiky v podmínkách levitačního tavení se zabýval například Pepřica [3]. Bohužel film snímaný rychlokamerou se nezachoval. Matematický popis postupného přesycení uvnitř kapky provedl Raclavský [4]. S odstupem času se tomuto významnému problémy věnovali Gao a Sun [5 a 6], 2

3 kteří sledovali vliv síry a teploty na podmínky homogenní nukleace. Exploze kapky v níž proběhla homogenní nukleace je znázorněna na obrázku 1. Podrobný rozbor významu jednotlivých fázových rozhraní pro proces VOD provedl Kitamura [1]. Rozbor prokazuje, že pro vakuové procesy je podstatný stav hladiny, protože zde probíhá hlavní podíl reakce. Důležitý je rovněž rozdílný význam jednotlivých fázových rozhraní pro jednotlivé reakce. Bohužel Kitamura neuvádí odhad významu hladiny pro reakci odvodičení, ale lze očekávat, že hladina bude stejně významná jako pro reakci oduhličení. V případě oddusičení je na hladině vyšší obsah povrchově aktivních prvků, které zmenšují volný povrch. P (kpa) Dmýchání O Odplynění 2 P (kpa) Dmýchání O 2 Odplynění Obsah [C] (ppm) 2 Obsah [N] (ppm) 8 4 Podíl na oduhličení (%) Čas (min) Podíl na oddusičení (%) CO bubliny Čas (min) Hladina Ar bubliny Obr. 2 Podíl jednotlivých reakčních povrchů na celkové rychlosti reakcí oduhličení a oddusičení podle [1]. 3

4 CHOVÁNÍ STRUSKY PŘI DMÝCHÁNÍ PLYNU SPODEM Při dmýchání kovu spodem dochází k interakci bublin s rozhraním struska kov a k emulgaci strusky. Emulgace strusky vede k zdánlivému zmenšení objemu strusky a k uvolnění hladiny pro reakci kov/plyn. Schémata emulgace jsou znázorněna na obrázku č. 3. Pro emulgaci strusky do kovu je třeba dosáhnout určité rychlosti a směru prodění kovu. Minimální úhel α je dán mezi fázovým povrchovým napětím. Proto chemické složení strusek hraje tak významnou roli. Struska α Roj bublin Kov Obr. 3 Schéma různých typů emulgace strusky a kovu HLEDÁNÍ ZPŮSOBU ROZEZNÁNÍ STRUSKY A KOVU Východiskem pro nalezení mechanismu rozeznání strusky a roztaveného kovu byl předpoklad, že rozdíl není v emisivitě, ale v povrchové teplotě, která je pro strusku poněkud nižší vzhledem k pomalejší rychlosti výměny povrchu, což vede k zdánlivě tmavším barvám strusky. Toto východisko se potvrdilo pouze částečně. Je platné v oblasti trvalejšího výskytu strusky. Překvapivý je zejména výskyt relativně velni tmavých oblastí ve středu oka, které odpovídají bublinám. Tato skutečnost je znázorněna na obrázku 4 včetně vyznačeného rozhraní struska kov. Z obrázku je patrné, že určité oblasti ve středu oka jsou mnohem tmavší než oblast řídké strusky. Jednoduché využití jasu není pro rozeznání strusky a kovu není tedy možné. 4

5 Okraj pánve Silně viskózní struska Řídká struska Střed oka Obr. 4 Jednotlivý snímek záznamu CCD kamery Sekvence čtyř jednotlivých snímků získaných s periodou 1 sekunda je na obrázku 5. Sekvence obrázků dokumentuje značnou proměnlivost oka. Metody průměrování snímků se rovněž ukázaly jako nepoužitelné. Další sledovanou metodou bylo využití časového průběhu intenzity v daném bodě. Tato metoda byla pro řadu taveb použitelná, ale v koncové podobě je výpočetně nesmírně náročná. Potvrzení vlivu rozhraní struska kov na kinetiku procesu je dokumentováno na obrázku 6, kde pro dvě různé tavby je patrný rozdíl v rozhraní. Tento rozdíl se projevil zlepšením odvodičení v případě tavby charakterizované snímkem Tento pozitivní výsledek však není možno přeceňovat neboť není podložen dostatkem statistických dat umožňující stanovit tvar závislosti a zejména hodnotu korelačního koeficientu mezi charakterem rozhraní a kinetikou metalurgických reakcí. 5

6 Obr. 5 Sekvence čtyř jednotlivých snímků získaných s periodou 1 sekunda Obr. 6 Srovnání dvou snímků z rozdílných taveb při nichž došlo k výrazně odlišnému odvodičení. V tavbě se snímkem bylo odvodičení podstatně lepší. VÝVOJ OKA Oko vzniká postupně a roste s časem. Rozvoj oka je spojen zejména s poklesem tlaku v reaktoru a vzrůstem hladiny. Tento vzrůst hladiny se projeví praskáním strusky a vznikem jednotlivých 6

7 ker. Tyto kry jsou následovně vtahovány proudem kovu pod hladinu. Celý proces vytváření základního oka trvá asi 2-4 minuty. Tento čas dobře souhlasí s náběhem vakua. Plocha oka výrazně osciluje a probíhá v pulsech s periodou až desítek sekund. Oscilace oka mohou souviset s množstvím a viskozitou strusky Výrazná oscilace je dokumentována rovněž na obrázku 5 v sekvenci snímků s periodou jedné sekundy a obrázku 7 kde je vidět výrazný rozptyl velikosti oka. V průběhu procesu postupně dochází ve většině sledovaných případů (11 z 12 analyzovaných taveb - řádově 25 snímků) ke zmenšování oka až do konce hlubokého vakua. Tento poznatek je velmi překvapivý neboť jsme očekávali zvětšování oka, které by bylo spojeno s postupnou emulgací strusky. Pozorovaný opačný trend je obtížně vysvětlitelný. Mezi možné důvody opačného trendu patří: pokles teploty, růst viskozity v důsledku změny chemického složení, snižování průtoku plynů zhoršení průchodnosti tvárnice a snížení průtoku argonu. Všechny uvedené mechanismy přispívají pravděpodobně k zmenšení plochy oka. Za dominantní považujeme snižování průtoku plynů. V tomto případě myslíme zejména celkový objem plynu spojený s reakcemi odplynění. Tato zjištění ukazují, že metoda je na kinetiku rekce odplynění značně citlivá. Aktivní plocha volného kovu (%) 1, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1,, 7:3 7:36 7:42 7:48 7:54 Čas Obr. 7 Časový průběh velikosti oka pro vybranou tavbu ZÁVĚR Článek prezentuje dosažený stav grantového projektu Vizuální řízení procesu sekundární metalurgie podporované počítačovým zpracováním obrazu a výsledky, které byly získány mimo 7

8 řešení v roce 25. Teoretický rozbor ukazuje, že proces odplynění probíhá dominantně na hladině kovu a v jeho blízkosti. Rekce na povrchu bublin v objemu kovu tvoří méně než třetinu celkového rozsahu reakce. Oko vzniká v počátku procesu o Rozhodující jsou první 2-4 minuty spojené s vznikem hlubokého vakua Nedostatečná emulgace strusky zhoršuje kinetiku odvodičení Oko není stabilní a osciluje s periodou až desítek sekund V průběhu procesu dochází k zmenšování oka. Možné důvody jsou: o pokles teploty, o růst viskozity strusky v důsledku změny chemického složení, o snižování průtoku plynů o zhoršení průchodnosti tvárnice Provedená pozorování ukazují, že metoda určující velikost oka z počítačového zpracování obrazu je na kinetiku rekce značně citlivá. PŘEHLED POUŽITÉ LITERATURY [1] KITAMURA, T.- MIYAMOTO, K.- TSUJINO, R.- MIZOGUCHI, S.- KATOI, K.: Mathematical Reaction Model tor Nitrogen in VacuumDegasser Desorption and Decarburization, ISIJ International, Vol. 36 (1996), No. 4, pp [2] KORBÁŠ, M. - RACLAVSKÝ, M. - KRAYZEL, M.: Zpracování obrazu v sekundární metalurgii, In. Celostátní konference s mezinárodní účastí, České ocelářství ve XXI. století, perspektivy a rozvoj v rámci EU, Velké Losiny, [3] PEPŘICA, T.: Kinetika oduhličení, Kandidátská disertační práce, Ostrava, ÚTHP ČSAV [4] RACLAVSKÝ, M.: Matematické modelování oduhličovací reakce na povrchu vyplouvajících bublin, Kandidátská disertační práce/. Ostrava, ÚTHP ČSAV 199. [5] GAO, K.- SAHAJWALLA, V.- SUN, H.- WHEATLEY, Ch.- DRY, R.: Influence of Sulfur Content and Temperature on the Carbon Boil and CO Generation in Fe C S Drops, ISIJ International, Vol. 4 (2), No. 4, pp [6] SUN, H.- GA, K.- SAHAJWALLA, V.- MORI, K.- PEHLKE, R. D.: Kinetics of Gas Oxidation Boil Phenomenon of Liquid Fe-C-S Alloys and Carbon, ISIJ International, Vol, 39 (1999), No. 11, pp Práce byla řešena za finančního přispění Grantové agentury ČR v rámci grantového úkolu č. 16/3/159 a v roce 25 za finančních podpory společnosti ForSTEEL 8