VYUŽITÍ ANALÝZY VIBRAČNÍCH SPEKTER A REZONANČNÍCH VLASTNOSTÍ TECHNOLOGICKÉHO SYSTÉMU ZPO PRO OPTIMALIZACI PROCESU A SNÍŽENÍ PRŮVALOVITOSTI KONTISLITKŮ Prof. Ing. Longin Tomis, CSc. a Ing. Bohumil Pýcha, CSc. b Ing. Petr Horký c Ing. Stanislav Wojtas c a) Racionál, Hlavní třída 685, 708 00 Ostrava - Poruba b) Poradenství, Sokolovská 1133, 708 00 Ostrava - Poruba c) NOVÁ HUŤ, a. s., Vratimovská 689, 707 02 Ostrava 7 Abstrakt Measurements in the steelmaking plant NH, a. s. Ostrava concerning amplitude and frequency analysis of mould oscillations during continous casting is studied in this paper. These sceptron information can be applied for causes of break-outs identification or at least for reducing the probability of their initiation. Analysis of response of oscillations which are consequent to the friction between the mould and the formed blank is the heart of the matter. Fast Fourier transformation (FFT) is used for the analysis. The frequency response, i. e. the individual amplitudes dependence on the relevant frequencies is the result. 1. ÚVOD A VSTUPNÍ TERMINACE Zcela obecně lze konstatovat, že analýza vibračních a akustických spekter a rezonančních vlastností technických systémů dává možnost netradičního získávání informací o průběhu a stavu vlastního technologického procesu, jeho diagnostiky a v neposlední řadě i možností optimálního řízení. Tyto informace, kterým se říká sceptronní, mají většinou harmonický charakter a syndetickou strukturu. Jejich vyhodnocení o dekódování je skoro vždy daleko složitější než získávání informací ze zařízení pro měření stavových veličin jako například teplota, tlak apod. V těchto souvislostech jsme z iniciativy pana Ing. Chowaniece, tehdy ředitele Ocelárny NOVÉ HUTI, a. s., již v roce 1996 zpracovali studii [1], která hodnotila jednak možnosti vzniku vibrací krystalizátoru a kontislitku, které se někdy objevovaly na ZPO a mohly by způsobit zhoršení vlastního technologického procesu a zvýšit četnost průvalů, a jednak dávala možnost analyzovat vibrační spektra a rezonanční vlastnosti kontislitku s cílem získat významné informace k řízení a optimalizaci technologického procesu. Z této iniciativy vznikl řešitelský tým, složený ze zástupců technologů, měřící skupiny z oddělení diagnostiky a analytické skupiny, kterou tvořili p. prof. Tomis a p. ing. Pýcha. Koordinátorem prací byl z VZÚ NOVÉ HUTI, a. s. p. ing. Wojtas. 2. KLASIFIKACE MOŽNOSTÍ VZNIKU ŠKODLIVÝCH VIBRACÍ Analytická skupina navrhla program měření, směřující k odhalení příčin vzniku škodlivých vibrací a jejich lokalizaci: a) měřením potvrdit nebo zamítnout možnost vzniku kavitačních jevů, které vznikají při vysokých rychlostech vody v zúžených místech. Podle Bernouliho rovnice se stoupající rychlostí vody klesá tlak a v extrémních případech může klesnout až k bodu varu vody.
Tím vznikne kaverna naplněná párou, která vlivem stoupnutí tlaku okamžitě zanikne. Jde o prudké rázy většinou neharmonického průběhu s četností až několika desítek khz. Jinými slovy se dá definovat vznik kavitačních jevů tak, že při vzniku náhlého podtlaku v kapalině vzniknou v těchto místech malé bublinky (kaverny), které v krátkém časovém okamžiku (tlak se opět zvýší) zmizí. Vodní ráz, způsobený kapalinou, která se opět s velkou energií srazí, je nazýván kavitací. b) měřením potvrdit nebo zamítnout možnost vzniku vibrací, které mají původ v cirkulaci vzduchových bublin v systému uzavřeného oběhu chladící vody. Vzduch se dostal do oběhu při nedostatečném odvzdušnění po výměně krystalizátorů. V praxi se odvzdušnění provádí při spuštěných vodních čerpadlech, čímž se dostávají bubliny vzduchu do celého chladícího systému a odvzdušňovacím ventilem se dostane mimo okruh jenom část vzduchu s vodou. Odvzdušnění by se mělo provádět při zastavených čerpadlech - staticky, pomocným zdrojem doplňující vody. c) měřením potvrdit nebo zamítnout možnost vzniku vibrací, jejichž původ je odvozen od exhaustorů, odvádějících směs páry a vody z prostoru sekundárního chlazení. Exhaustory jsou dva - levý a pravý, přičemž u pravého je nesymetricky umístěn menší exhaustor pro odsávání licího prášku, který se přidává do krystalizátoru za účelem snížení tření mezi kontislitkem a krystalizátorem. Podle našich informací se lopatky pravého exhaustoru velmi intenzívně opotřebovávají, vzniká nevyváženost, způsobující silné vibrace a rázové vlny v potrubí, které se přenášejí na konstrukci celého technologického celku. d) měřením potvrdit nebo zamítnout možnost vzniku nebezpečných vibrací, jejichž původ je odvozen od technologicky nezbytného sinusového harmonického pohybu krystalizátoru o frekvenci cca 3 Hz, třením mezi stěnou krystalizátoru a kontislitkem. 2.1 Metodika měření a měřící místa Jedním z nejzávažnějších problémů, které musely být vyřešeny, byly otázky spojené s umístěním piezokeramických snímačů, registrujících hodnověrně celý frekvenční rozsah vibračních fluktuací. Přitom musela být překonána řada překážek jak technického typu, tak také problematiky, týkající se bezpečnosti práce, nenarušení vlastního provozu technologického zařízení, ale i způsobu vyhodnocení naměřených hodnot. Umístění snímače přímo na krystalizátoru by se zdálo optimální, ale prakticky to je nereálné, a proto jsme hledali jiné alternativy. Nabízí se možnost využít k přenosu akustických informací rozvod chladící vody primárního okruhu na výstupu z krystalizátoru. V tomto případě můžeme informace o vibracích a rezonančních charakteristikách snímat v bezpečné vzdálenosti na výstupním potrubí ve vodním sále. Je překvapivé, že při tomto způsobu snímání se poměr signál - šum zhoršil zanedbatelně. Objevily se některé parazitní amplitudy, ale na frekvencích, které studujeme, informační obsah neznehodnotily, ale naopak rezonanční vlastnosti potrubí uzavřeného chladícího okruhu se během technologického procesu nemění a lze ho využít jako pevného filtru pro hodnocení změn rezonančních vlastností kontislitku nebo krystalizátoru. Pro registraci frekvenčních spekter a jejich analýzu byl použit přístroj Vibrotest 60 s bateriovým napájením pro digitální zpracování signálu pomocí rychlé Fourierovy transformace (FFT). 2.2 Způsoby vyhodnocení vibračních fluktuací Digitalizované záznamy, získané z piezokeramických snímačů, zpracované následně na PC pomocí FFT umožňují konstrukci frekvenční amplitudové charakteristiky téměř v reálném čase. Z těchto charakteristik můžeme odečíst jednak absolutní hodnoty amplitud na rezonujících částech technologického zařízení, které charakterizují úroveň nebezpečných
vibrací, a které mohou zvyšovat pravděpodobnost průvalů; a jednak vytvořit podíl dvou maximálních amplitud na různých frekvencích a identifikovat tak změny rezonančních frekvencí, týkající se kontislitku nebo krystalizátoru. Tento podíl je vlastně kriteriálním modelem, charakterizujícím veškeré změny, které mají vliv na tyto součásti technologického zařízení. Jde hlavně o výšku hladiny v krystalizátoru, intenzitu přenosu tepla z kontislitku do chladící vody primárního okruhu, ale i jakost licího prášku. Příkladně kriteriální model KM 1 pak bude KM 1 = A A 853 Hz 2762 Hz Tento KM 1 vlastně charakterizuje změnu rezonanční frekvence, která nastala změnou fyzikálních podmínek. U kontislitku je to délka kapalného klínu (tzv. metalurgická délka) nebo (a to je totéž) změna střední integrované hodnoty modulu pružnosti. Obecně je tato funkce dána vztahem: f r kontislitku = E γ 2l kde: E je střední integrovaný modul pružnosti γ je střední specifická hmotnost kontislitku l je délka kontislitku. 3. SHRNUTÍ PŘÍKLADNÝCH VÝSLEDKŮ MĚŘENÍ A ZÁVĚREČNÉ HODNOCENÍ Vzhledem k tomu, že podrobný popis měření a hodnocení jeho výsledků se vymyká svým rozsahem možnostem tohoto referátu, uvedeme pouze některé příkladné části s příslušnými závěry. Detailní závěru jsou uvedeny v práci [2]. Pokud budeme hodnotit některé závěry, týkající se vlivu měřených vibrací na četnost průvalů, musíme především upozornit na skutečnost, že tyto vibrace ani na rezonančních frekvencích zpravidla nejsou primární příčinou vzniku průvalu. Jsou to především vměstky, zhoršený přestup tepla mezi krystalizátorem a kontislitkem, vysoká teplota oceli nad bodem likvidu a řada jiných. Jisté však je, že vibrace sekundárně mohou podstatně zvýšit pravděpodobnost vzniku průvalu. Toto konstatování je velmi významné pro následnou analýzu výsledků měření a statistické hodnocení průvalovitosti. 3.1 Analýza vibrací, jejichž původ je v nevyváženosti lopatek exhaustorů v systému sekundárního chlazení Tato měření byla prováděna jednak přímo na tělesech obou exhaustorů a jednak na potrubí výstupní chladící vody primárního chlazení. Vibrace měření přímo na tělesech exhaustorů vykazovaly v některých případech mimořádně vysoké amplitudy na frekvencích, které odpovídaly otáčkám (a jejich násobkům) oběžného kola a počtu lopatek na rotoru. Mimořádně agresivní prostředí odsávaného média v prostoru sekundárního chlazení kontislitku způsobilo rychlou abrazi lopatek, a tím rozvážení rotoru. Pracovníci oddělení diagnostiky čas od času rotory vyvážili, čímž se poněkud amplitudy vibrací snížily. Při současném měření vibrací na potrubí výstupní vody v primárním okruhu (ve vodním sále) byly amplitudy na stejných frekvencích podstatně utlumeny (asi o 40 db). Tento útlum je dán tím, že exhaustory mají samostatné základy a přenos je jen spojovacím potrubím. Tím
se podstatně omezuje nepříznivý vliv vibrací na krystalizátor a kontislitek. Upozornili jsme však na to, že motory exhaustorů jsou předimenzovány a doporučili jsme, aby se uvažovalo o zakoupení frekvenčních měničů, pomocí kterých by bylo možné optimalizovat otáčky exhaustorů. 3.2 Analýza vibrací, jejichž původ je odvozen od kavitačních jevů a od nedostatečného odvzdušnění uzavřeného primárního okruhu chlazení Již při měřeních v průběhu roku 1996 jsme náhodně objevili mimořádně silné vibrace až v oblasti 13 KHz. Tyto vibrace vznikaly jenom na některých proudech a jejich ohnisko se stěhovalo z krystalizátoru také do regulačních orgánů pro řízení množství chladící vody v primárním okruhu. Vysoké hodnoty amplitud při tak vysokých frekvencích nás přiměly k tomu, že jsme začali systémově hledat příčinu jejich vzniku. Po podrobné analýze jsme studovali způsob odvzdušnění uzavřeného primárního okruhu chlazení a zjistili jsme, že odvzdušnění se provádí po výměně krystalizátoru při spuštěných vodních čerpadlech asi po dobu 10-15 min. Jelikož čerpadla jsou v provozu, vytváří se směs vody a vzduchu a k dokonalému odvzdušnění nemůže nikdy dojít. Podle délky tohoto odvzdušnění a důslednosti obsluhy se v hydraulickém systému objevuje více nebo méně vzduchových bublinek, které jednak mohou zhoršit přestup tepla z kontislitku do krystalizátoru, ale mohou být také příčinou vzniku kavitačních jevů, které jsou příčinou vibrací. V této souvislosti jsme provedli statistické hodnocení příčin průvalů na ZPO č. 1 za léta 1997, 1998 a do pátého měsíce 1999. Přitom už v průběhu roku 1998 vedení závodu mimořádně zpřísnilo dohled na průběh prací při provádění odvzdušnění. Chtěli bychom zdůraznit, že z našich měření vibračních spekter, která jsme prováděli v říjnu 1998 - intenzívní amplitudy v oblasti 13 KHz zcela zmizely. Zajímavé je také statistické porovnání počtu průvalů v létech 1997, 1998 a 1999. Podstatné snížení průvalovitosti, které je jednoznačně patrné (viz tab. č. I), může být samozřejmě způsobeno i jinými opatřeními, které vedení závodu realizovalo. Tabulka 1. Vývoj průvalovitosti za období 1997 až 5./1999 Parametr 1997 1998 1999 počet % počet % počet % Počet průvalů 161 100 99 61,5 51 76 Rozdíl oproti r. 1997 0-38,5-24 Příčina nezjištěna 79 45,3 37 37,4 15 29,4 Vliv lidského faktoru 24 14,9 18 18,2 10 19,6 3.3 Analýza vibrací, odvozených od třecích sil, vznikajících při sinusovém pohybu krystalizátoru mezi jeho stěnami a povrchem kontislitku Vzhledem k tomu, že jsme si chtěli ověřit vznik nebezpečných vibrací, které mohou zvyšovat pravděpodobnost průvalu kontislitku, provedli jsme speciální měření, která měla prokázat extrémní nárůst amplitud v případě, že se zcela zastaví přidávání licího prášku do krystalizátoru v průběhu odlévání. Experiment byl proveden na jednom licím proudu. Náš původní předpoklad, že po zastavení přídavku licího prášku se budou amplitudy extrémně zvyšovat, se nepotvrdil. Naopak, došlo k útlumu a amplituda na rezonančních frekvencích kontislitku jako kdyby byla nasycena. Vznikaly však amplitudy na jiných frekvencích, blízkých rezonančním frekvencím kontislitku, které vykazovaly prudké změny. Kdybychom tento jev chtěli vyjádřit lidově, řekli bychom, že krystalizátor doslova poskakoval
po kontislitku. Tyto vibrace krystalizátoru mají pravděpodobně příčinu ve značně rozdílných hmotnostech krystalizátoru a kontislitku a rozkmitávají povrchové části ztuhlé kůry kontislitku, a i když nemusejí být přímo příčinou průvalu, zvyšují pravděpodobnost jeho vzniku. K dokreslení této anomálie bychom chtěli ještě porovnat průběh absolutních hodnot amplitud, které jevily charakter tzv. nasycenosti, jak již bylo uvedeno výše. Bylo zjištěno, že hodnoty kriteriálního modelu KM 1 se zvýšily z hodnoty 0,915 na hodnotu 1,975, což činí více jak o 100 %. Přes toto zjištění však nedošlo k průvalu ani po 10 min. odlévání bez použití licího prášku. Po této době byl experiment přerušen, poněvadž docházelo k zatahování hladiny oceli v krystalizátoru a hrozilo nebezpečí utržení ponorné výlevky. Bylo znovu přikročeno k přidávání licího prášku do krystalizátoru a odlévání na tomto licím proudu pokračovalo bez potíží dále. 4. ZÁVĚR V referátu jsou shrnuty některé závěry dlouhodobých měření na ZPO č. 1 v NOVÉ HUTI, a. s., které se týkaly amplitudové a frekvenční analýzy vibrací, vznikajících při vlastním technologickém procesu. Tyto sceptronní informace mohou být využity pro identifikaci příčin průvalů nebo alespoň snížit pravděpodobnost jejich vzniku. Byla prokázána souvislost mezi vznikem vibrací, které mají původ v nedokonalém odvzdušnění primárního okruhu chlazení krystalizátoru a statistickém hodnocení počtu průvalů při zlepšení kvality odvzdušnění. Byly zkoumány přenosy vibrací, odvozené od exhaustorů, odsávajících vodní tříšť, páru a zbytky licích prášků z prostoru sekundárního chlazení, na krystalizátor a kontislitek. Byl vytvořen kriteriální model, charakterizující změny rezonančních frekvencí, majících původ od změn středního integrovaného modulu pružnosti kontislitku, respektive od změn tzv. metalurgické délky kapalného klínu, a tím i vlivu licích prášků. Frekvenční analýzy, týkající se změn rezonančních vlastností kontislitku jsou také předmětem základního výzkumu grantového úkolu, který je řešen na fakultě Metalurgie a materiálového inženýrství VŠB - TU v Ostravě. LITERATURA [1] TOMIS, L., PÝCHA, B. Zpráva o řešení úkolu, týkajícího se oblasti optimalizace procesu kontinuálního lití oceli, zaměřeného na analýzu vibrací a rezonančních vlastností krystalizátoru včetně okolí modelovými kriteriálními vztahy. Ostrava, srpen 1997. [2] TOMIS, L., PÝCHA, B. Analýza technického stavu oscilačních zařízení na ZPO. Závěrečná zpráva výzkumného úkolu TR ev. č. H-03-103/711. Ostrava, červen 1999.