OPTIMALIZACE VNITŘNÍ KONFIGURACE MEZIPÁNVE PRO DOSAŽENÍ TEPLOTNÍ HOMOGENITY PLYNULE ODLÉVANÉ OCELI

OPTIMALIZACE VNITŘNÍ KONFIGURACE MEZIPÁNVE PRO DOSAŽENÍ TEPLOTNÍ HOMOGENITY PLYNULE ODLÉVANÉ OCELI OPTIMIZATION OF TUNDISH INNER CONFIGURATION TOWARDS ACHIEVING CC-STEEL TEMPERATURE HOMOGENEITY Karel Gryc 1), Karel Michalek 1), Pavel Střasák 2) 1) VŠB-TU Ostrava,FMMI, Katedra metalurgie, 17. listopadu 15, 708 00 Ostrava Poruba, Czech Republic, karel.gryc.@vsb.cz 2) TechSoft Engineering, s.r.o, Táborská 31, 140 00 Praha 4, Czech Republic Abstrakt V rámci optimalizace proudění lázně v mezipánvi ZPO č. 2 v Třineckých železárnách, a. s. z hlediska teplotní homogenity lázně na jednotlivých licích proudech byly provedeny fyzikální i numerické simulace vybraných a navržených variant. Fyzikální modelování bylo provedeno pro 18 různých variant vnitřního uspořádání mezipánve, které se lišily uspořádáním přepážky mezi vstupem a výlevkou LP 5 a dále také zařazením, či nezařazením příčné přepážky. Byly rovněž provedeny numerické simulace vybraných a navržených variant. Pro numerické výpočty bylo použito pět konfigurací mezipánve, které odpovídaly některým variantám fyzikálního modelování. Všechny konfigurace MP obsahovaly stínící trubici s reálnou tloušťkou stěny, zátkové tyče a výlevky LP 5, LP 6, LP 7 a LP 8. Vzhledem k asymetrickému geometrickému uspořádání MP bylo nutné řešit celou MP. Výsledkem numerických simulací jsou rychlostní a teplotní pole taveniny, distribuce oceli v MP a doby zdržení na výstupu z MP. Byl proveden důkladný rozbor přechodových charakteristik. Cílem bylo porovnat výsledky fyzikálního modelování s výsledky numerického modelování a doporučit vhodnou variantu pro provozní verifikaci. Abstract In terms of continuous casting machine No. 2 tundish in Třinecké železárny, a. s. (CCM2) bath flow optimization from the view of temperature s homogeneity of bath at individual casting strands (CS) physical and numerical simulations of selected and designed configurations were done. The physical modeling was realized for 18 various inner tundish s configurations - different dimensions of dam between inlet area and CS 5, insertion or absence of cross dam nearby inlet area. Numerical simulations of selected and designed configurations were done too. There were five configuration s designs of tundish computed by numerical simulations, which correspond to some physically modeled configurations. All tundish s configurations contained real ladle shroud wall thickness, stoppers and upper nozzles for CS 5, CS 6, CS 7 and CS 8. It was necessary to solve whole tundish due to asymmetric geometry of this vessel. The results from numerical simulations were melt s fields for velocity and temperature, steel distribution in tundish and resident times monitored in points at tundish outlets. Complete analyses of RTD curves were done. The goal was to compare results obtained from physical modeling with numerical simulations results and to advise fitting design configuration for plant verification. 1. METODY ZKOUMÁNÍ TEPLOTNÍ HOMOGENITY OCELOVÉ LÁZNĚ V PRŮTOČNÉM REAKTORU MEZIPÁNVI Chování oceli v mezipánvi na vstupu, uvnitř i na výstupu z mezipánve má zásadní vliv na kvalitu vyráběné oceli. Protože se jedná o průtočný reaktor, ve kterém probíhají významné metalurgické fyzikálně-chemické procesy, ale taktéž procesy čistě fyzikální podstaty, je nutné 1

vnímat jako základní charakteristiku chování oceli v mezipánvi charakter jejího proudění. Z hlediska funkce mezipánve jakožto technologického agregátu připravujícího protékající oceli na bezproblémové odlévání je nutné, mimo jiné, dodržet požadované a vyrovnané teplotní rozmezí oceli opouštějící mezipánev na jednotlivých licích proudech. Problematika optimalizace chování ocelové lázně protékající mezipánví je velice rozsáhlá a v některých případech i značně komplikovaná. Mezi významné parametry mezipánve lze zařadit její vnitřní tvar, který bývá mnohdy upravován také nejrůzněji uspořádanými hrázkami a přepážkami. Pro výzkum problematiky chování lázně v mezipánvi existují propracované metodiky a postupy modelování procesů, pomocí kterých můžeme zjišťovat základní charakteristiky proudění. Při výzkumu teplotní homogenity lázně, který se provádí z důvodu zpřesnění představy o teplotních diferencích oceli opouštějící mezipánev na jednotlivých licích proudech, lze vycházet ze znalosti tzv. retenčních časů dosahovaných na jednotlivých licích proudech, který nám dává základní představu o charakteru proudění a výskytu různých anomálií jako je např. zkratové proudění apod. Lze rovněž přímo simulovat chování teplot na jednotlivých výstupech z modelu mezipánve při stabilní teplotě na vstupu do mezipánve. 2. FYZIKÁLNÍ MODELOVÁNÍ TEPLOTNÍ HOMOGENITY V MEZIPÁNVI Obr. 1. Fyzikální model mezipánve s měřící ústřednou Fig. 1. Physical model of tundish with data logger Podstata fyzikálního modelování obecně spočívá ve využití teorie podobnosti dvou systémů, z nichž jedním je dílo a druhým model. Model musí být navržen, sestaven a experimenty na něm provozovány v souladu s principy pevně danými teorií podobnosti. Jen tak mohou být, za splnění předpokladu dodržení korektně stanovených metodických postupů vlastních experimentů, výsledky získané fyzikálním modelováním transformovány na podmínky reálného zařízení díla. V případě fyzikálního modelování proudění oceli v mezipánvi ZPO č. 2 byl vlastní model a podmínky modelování navrženy v souladu s teorií podobnosti při dodržení identity Fr kriteria [1]. Model byl vyroben v geometrickém měřítku 1:3 a je zobrazen na obr.1. Tabulka 1. Fyzikální vlastnosti vody při 20 C a oceli při 1600 C [1] Table 1. Physical properties of water/steel temperature 20/1600 C [1] Fyzikální vlastnost voda (20 C) ocel (1600 C) hustota - ρ, kg. m -3 1000 7014 dynamická viskozita - η, Pa.s 1. 10-3 6,4. 10-3 kinematická viskozita - ν=η/ρ, m 2.s -1 1. 10-6 0,913. 10-6 povrchové napětí - σ, N.m -1 73,05. 10-3 1600. 10-3 2

Model s výhodou využívá podobnosti kinematické viskozity modelové kapaliny vody při standardních podmínkách a oceli při teplotách kolem 1600 C viz tab. 1 [1]. V rámci řešení úkolu byl model vybaven a doplněn novým systémem měření vodivosti modelové kapaliny a její teploty. Vodivost byla snímána na výstupech z mezipánve pomocí vodivostních Pt sond, teplota pak samostatnými Ni odporovými senzory s velmi krátkou dobou odezvy. V měřící ústředně byla pak naměřena vodivost nejdřív korigována vzhledem ke skutečné teplotě a dále byla přepočítána na koncentraci roztoku. Takto zpracovaný signál pak byl snímán pomocí PC a příslušného komunikačního softwaru, pomocí kterého probíhalo i další zpracování dat (zobrazování, filtrace, ukládání apod.). Výsledná data byla pak přenesena do prostředí MS Excel, kde byly prováděny potřebné vyhodnocení parametrů RTD křivek. 2.1 Modelované varianty vnitřního uspořádání mezipánve Řešitelský tým na základě svých dosavadních zkušeností z problematiky proudění oceli v mezipánvi ZPO č. 2 a po vzájemných konzultacích s pracovníky TŽ navrhnul celkem 18 variant vnitřní geometrie mezipánve, které byly určeny pro modelové studium. Tyto navržené varianty postihovaly následující podmínky lití a geometrii přepážek: o podmínky uzavřeného a otevřeného lití a s tím související rozdíly v průměrech výtokových uzlů, případně přítomnost či nepřítomnost zátkových tyčí a ponorné výlevky do krystalizátoru o možné vychýlení stínicí trubice z vertikální polohy v rámci práce byla na základě provozního ověření uvažována pouze jedna varianta vychýlení, a to 5 souběžně ve směru k licím proudům č. 6, 7 a 8 pro případ mezipánve B ZPO 2 (v názvech variant je popsána vložením _vyos za název jednotlivých variant), o licí rychlost 2,5 m.min -1 pro uzavřené lití a 3,2 m.min -1 pro lití otevřené, o uspořádání přepážek umístěných uvnitř mezipánve za účelem optimalizace proudění: současně provozované varianty na ZPO č. 2 varianty, které byly navrženy jako výsledky předchozích prací jako optimalizované nově navržené varianty Mimo výše definovaných proměnných, které jsou určující pro určení jednotlivých variant geometrie mezipánve, byly stanoveny parametry, které byly pro všechny experimenty shodné: o hladina lázně v modelu mezipánve byla vzhledem k zadání práce (vysledovat chování oceli v ustáleném stavu) udržována po celou dobu experimentu na úrovni 200 mm, což odpovídá 600 mm v provozní mezipánvi a hmotnosti oceli 12,5 t, o hladina lázně v krystalizátorech byla regulována na ponor výlevky 40 mm, což v provozních podmínkách představuje střední ponor výlevky v krystalizátoru na úrovni 120 mm. 2.2 Hodnocení teplotní homogenity oceli v mezipánvi využitím výsledků fyzikálního modelování Každá varianta popsaná v předešlých kapitolách byla z důvodu další možné korekce ostatních nesledovaných vlivů nepodchycených metodikou prováděna ve dvou pokusech následujících bezprostředně po sobě za maximálně nezměněných podmínek experimentu. Dvojí pokusy pro jednu variantu také umožní provedené experimenty lépe vyhodnotit případně i s využitím základních statistických metod. Celkem bylo provedeno 36 korektních pokusů. Z hlediska výrobní technologie je vhodné opět využít dělení na oblast otevřeného a uzavřeného lití. Každý způsob odlévání oceli bude i nadále hodnocen samostatně. Z praktického hlediska není vhodné výsledky z fyzikálního modelování těchto dvou odlišných technologií vzájemně porovnávat. 3

Původní představa přímého hodnocení teplotní homogenity licích proudů na jednotlivých výlevkách modelu mezipánve se ukázala při řadě testovacích pokusů jako nereálná. Důvodem byla příliš malá změna teploty lázně vystupující výlevkou v porovnání s teplotou lázně vstupující do modelu mezipánve (max. 40 C) a nepatrné rozdíly mezi jednotlivými licími proudy. Teplotní diference činily cca 0,1 C, což bylo srovnatelné již s přesností měření lázně pomocí Ni odporových senzorů. Teplotní homogenitu lázně lze rovněž do značné míry hodnotit na základě doby, kterou stráví lázeň v mezipánvi, tzn. prostřednictvím tzv. retenčních časů. Předložená práce se zaměřuje na minimální retenční čas τ min - čas prvního objevení koncentrace na výstupu z mezipánve po impulsu značkovací látky na vstupu mezipánve [2]. Z hlediska použité metodiky vyhodnocování výsledků provedených pokusů byly nejprve nalezeny pokusy, respektive varianty, které nejlépe splnily podmínku maximální vyrovnanosti minimálních retenčních časů u všech licích proudů. K objektivnějšímu vyhodnocení homogenity zdržení elementu taveniny v mezipánvi bylo vybráno využití ukazatele známého ve statistice pod názvem variační koeficient [3]. 2 s V x = ; (1) x kde: V x variační koeficient proměnné x, 2 s rozptyl proměnné x, x střední hodnota výběrového souboru proměnné x. Variační koeficient V x patří spolu se střední hodnotou x a rozptylem s 2, ze kterých vychází, mezi momentové číselné charakteristiky matematické statistiky. Na rozdíl od střední hodnoty výběru je variační koeficient statisticky robustním ukazatelem nepodléhá vlivu přítomnosti extrémních hodnot ve výběru. Hlavní předností variačního koeficientu je však to, že se při jeho výpočtu zbavíme jednotek, což umožňuje objektivně porovnávat nejen variační koeficienty výběrů s různými jednotkami, jak uvádí [3], ale zároveň je vhodný i pro objektivní vyhodnocování v rámci stejných jednotek, ale různých rozsahů krajních hodnot pokusu. Pokud je variační koeficient násobený stem vyšší než 50 %, pak empirická zkušenost říká, že analyzovaný soubor proměnné x vykazuje vysokou variabilitu. Přeneseme-li tento závěr převzatý z [3] na problematiku vyhodnocování proudění oceli v mezipánvi, lze říci, že vysoké heterogenity proudění mezi jednotlivými licími proudy č. 5 až č. 8 dosahují takové zkoumané varianty, u kterých výsledky pokusů vykazují vyšších hodnot variačních koeficientů, než 0,5 (50 % variabilita). Nejvyšší homogenity dosahují varianty s nejnižšími variačními koeficienty. Podobným způsobem lze také provést analýzu variability například minimálních retenčních časů pro jednotlivé licí proudy mezi diskutovanými variantami uspořádání. Pro praktické využití výsledků fyzikálního modelování teplotní homogenity oceli v mezipánvi ZPO č. 2 je však rozhodující rozbor chování licích proudů č. 5 až č. 8 u jednotlivých zkoumaných variant. Z hlediska variability dostatečně homogenní varianty pak byly výsledky podrobeny hledání největších hodnot minimálních retenčních časů, které signalizují absenci nebezpečného zkratového proudění. 2.2.1 Hodnocení teplotní homogenity u variant fyzikálního modelování pro technologii otevřeného lití oceli Pro fyzikální modelování otevřeného lití byly vybrány celkem 4 varianty. Bylo provedeno celkem 8 pokusů, pro každou variantu dva po sobě bezprostředně následující pokusy prováděné za stejných podmínek. 4

Dvě modelované varianty odpovídají současnému vnitřnímu uspořádání mezipánve při otevřeném lití na ZPO č. 2. Byly označeny jako BDTP a BDTP_vyos. Kromě v současnosti používaných variant vnitřního uspořádání byly pomocí fyzikálního modelování testovány varianty, které byly již dříve doporučeny pro provozní použití. Jedná se např. o variantu s optimalizovanou délkou boční monolitické přepážky (mezistěny) varianta BOpt, v kombinaci s vyosením pak BOpt_vyos. Vzhledem k tomu, že v provozních podmínkách není v současné době nastaveno standartizované vychýlení stínicí trubice, je zapotřebí pro závěrečné doporučení porovnat varianty bez vychýlení stínicí trubice, tzn. s jejím přesným vertikálním umístěním (obr. 2): u obou variant bez vychýlení stínicí trubice lze sledovat zvýšenou heterogenitu retenčních časů mezi jednotlivými licími proudy, zkratové proudění je u licího proudu č. 6 výrazněji rozvinuto v případě současně provozované varianty kratší boční přepážky. Minimální retenční čas; s 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 BOpt LP 5 LP 6 LP 7 LP 8 Označení varianty; - BDTP Varianta Variabilita % BOpt 51,12 BDTP 50,64 Obr. 2. Minimální retenční časy a jejich variabilita při fyzikální simulaci otevřeného lití Fig. 2. Minimal residence times and their variability from physical simulations under conditions of casting without tundish stoppers 2.2.2 Hodnocení teplotní homogenity u variant fyzikálního modelování pro technologii uzavřeného lití oceli Pro fyzikální modelování uzavřeného lití bylo vybráno celkem 14 variant. Bylo provedeno celkem 28 pokusů, pro každou variantu dva po sobě bezprostředně následující pokusy prováděné za stejných podmínek. Čtyři modelované varianty odpovídající v současnosti používanému vnitřnímu uspořádání mezipánve při uzavřeném lití na ZPO č. 2. Byly označeny jako DTP, DTP_vyos, ZvDTP a ZvDTP_vyos. Kromě v současnosti používaných variant vnitřního uspořádání byly fyzikálnímu modelování proudění oceli v mezipánvi ZPO č. 2 podrobena varianta již dříve doporučené boční monolitické přepážky o optimalizované délce. Rovněž byla ověřena možnost využití varianty používané při otevřeném lití. Dále byly řešitelským kolektivem navrženy a modelovány varianty, které by svým uspořádáním mohly pozitivně ovlivnit proudění oceli v mezipánvi a tím i teplotní homogenitu oceli. Hodnocením všech 14 simulovaných variant fyzikálního modelování proudění oceli v mezipánvi ZPO č. 2 za podmínek uzavřeného lití bylo zjištěno, že proudění oceli v mezipánvi má homogenní charakter v 7 ze 14 variant. Aby bylo možné nalézt a diskutovat více než dvě varianty (BDTPDL, BOptDL), které jediné mají všechny minimální retenční časy na každém licím proudu v nejhorším případě 7. nejlepší (jsou zařazeny do lepší poloviny délek retenčních časů), byly do hodnotící tabulky přibrány i dvě varianty s kratšími 5

retenčními časy na krajních licích proudech. Obr. 3 tedy znázorňuje zjištění, že nejlepší homogenity a současně nejdelších retenčních časů dosáhla varianta, která se v současnosti na ZPO č. 2 nepoužívá (BOptDL). Minimální retenční čas; s 160 140 120 100 80 60 40 20 0 LP 5 LP 6 LP 7 LP 8 DTP BDTPDL BOptDL STDTPDL Označení varianty; - Varianta Variabilita % DTP 48,43 BDTPDL 38,55 BOptDL 36,83 STDTPDL 39,14 Obr. 3. Čtyři nejlepší varianty z hlediska minimálních retenčních časů a jejich variability při uzavřeném lití Fig. 3. Four best designs from view of minimal residence times and its variability under conditions of casting with tundish stoppers 3. NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ TEPLOTNÍ HOMOGENITY V MEZIPÁNVI V rámci řešení optimalizace proudění lázně v mezipánvi ZPO č. 2 z hlediska teplotní homogenity lázně na jednotlivých licích proudech byly rovněž provedeny numerické simulace vybraných a navržených variant. Cílem bylo porovnat tyto výsledky s výsledky fyzikálního modelování a na základě jejich vzájemného porovnání pak doporučit vhodnou variantu pro provozní verifikaci. Pro výpočty bylo použito pět konfigurací mezipánve, které se lišily uspořádáním přepážky mezi vstupem a výlevkou LP 5. Všechny konfigurace MP obsahovaly stínící trubici s reálnou tloušťkou stěny, zátkové tyče a výlevky LP 5, LP 6, LP 7 a LP 8. Vzhledem k asymetrickému geometrickému uspořádání MP bylo nutné řešit celou MP. Numerické simulace byly provedeny pro podmínky odpovídající odlévání se zátkovými tyčemi, pro hmotnost oceli v mezipánvi 12,5 t (výška lázně 600 mm) a licí rychlost 2,45 m.min -1 (kv.150x150 mm). Výsledkem numerických simulací jsou rychlostní a teplotní pole taveniny, distribuce oceli v MP a doby zdržení na výstupu z MP. Na obr. 4 jsou znázorněna teplotní pole získaná z numerického modelování pro varianty BOpt a BOptDL, které vykázaly nejvhodnější charakter proudění z hlediska teplotní homogenity v mezipánvi jak ve výsledcích z fyzikálního, tak numerického modelování. 6

Obr. 4. Vybrané řezy teplotním polem pro variantu BOpt (horní řádek) a BOptDL (spodní řádek) Fig. 4. Selected temperature profiles for designs BOpt (upper row) and BOptDL (lower row) 4. ZÁVĚR V rámci optimalizace proudění lázně v mezipánvi ZPO č. 2 z hlediska teplotní homogenity lázně na jednotlivých licích proudech byly provedeny fyzikální i numerické simulace vybraných a navržených variant. Fyzikální modelování bylo provedeno pro 18 různých variant vnitřního uspořádání mezipánve, které se lišily uspořádáním přepážky mezi vstupem a výlevkou LP 5 a dále také zařazením, či nezařazením příčné přepážky v případě simulace uzavřeného lití. Prostřednictvím vychýlení stínicí trubice byl zkoumán vliv neřízených částí procesu plynulého lití na ZPO č. 2. S neřízeným vlivem také souvisí neidentická výška vyzdění šikmé dopadové desky. Všechny varianty byly provedeny pro výšku hladiny v modelu mezipánve 200 mm, což představuje hmotnost oceli v mezipánvi 12,5 t. Čtyři varianty byly zaměřeny na výzkum proudění oceli v mezipánvi ZPO č. 2 za podmínek otevřeného lití při licí rychlosti 3,2 m.min -1. Vzhledem k dominantnímu postavení technologie uzavřeného lití, bylo této oblasti věnováno 14 variant, které modelovaly nejen současně používané varianty uspořádání, tak i varianty, které by mohly přispět ke zlepšení podmínek proudění a teplotní homogenity oceli při průchodu mezipánvemi ZPO č. 2. V případě modelování uzavřeného lití odpovídala rychlost lití hodnotám 2,5 resp. 2,45 m.min -1. Je nutné upozornit, že fyzikální i numerické modelování bylo prováděno pro uvedená nastavení technologických podmínek. Z pohledu na výsledky je patrné, že jakákoliv změna vnitřního uspořádání mezipánve se významným způsobem projeví na výsledném charakteru proudění a tedy i na teplotní homogenitě oceli. Především je třeba se vyvarovat nebo maximálně omezit vliv neřízené změny uspořádání lití, zejména: nahodilému vychylování stínicí trubice s polohy striktně vertikální, nahodilému a nestandardnímu vyzdívání šikmé dopadové desky, nahodilé destrukci přepážek. Závěrečná doporučení v oblasti případné modifikace vnitřního uspořádání lze shrnout do následujících bodů: 1. V oblasti otevřeného lití bude vhodné nahradit stávající krátkou boční přepážku optimalizovanou prodlouženou boční přepážkou varianta BOpt. 2. U simulace uzavřeného lití se neprokázal výrazně pozitivní vliv momentálně používaných, konstrukčně složitých a z hlediska možnosti zanášení nekovových vměstků do oceli rizikových variant obsahujících zděnou příčnou přepážku. 7

a) Je vhodné zvážit používání z hlediska teplotní homogenity i charakteru proudění výhodnější variantu optimalizované boční přepážky, která byla doporučena i pro otevřené lití varianta BOpt. Tím by se významným způsobem zjednodušila technologie přípravy mezipánví na ZPO č. 2. b) Druhou variantou, která je také vhodnější, než stávající varianta s příčnou zděnou přepážkou, je varianta s dlouhou nízkou půdní přepážkou navazující na optimalizovanou delší boční přepážku varianta BOptDL. Práce na modelovém studium proudění lázně v mezipánvi ZPO č. 2. by se v budoucnu měla zaměřit zejména na zkoumání vlivu změny teplotní homogenity oceli za: rozdílných teplot lití (různé jakosti oceli), různých hmotnosti oceli v mezipánvi, jiných licích rychlostí, stavu uzavřených licích proudů. Další možností jak efektivně použít metod fyzikálního a numerického modelování proudění oceli v mezipánvi je jejich využití při zkoumání vlivu konfigurace mezipánve na separaci nekovových vměstků. LITERATURA [1] Kemeny, F., Harris, D. J., McLean, A. Fluid Flow Studies in the Tundish of a Slab Caster. In Continuous Casting of Steel, Proceedings of the 2nd Process Technology Conference, 1981, sv.2, s.232-245. [2] Michalek, K. Využití fyzikálního a numerického modelování pro optimalizaci metalurgických procesů. VŠB-TU Ostrava, 2001, 125 s. ISBN 80-7078-861-5. [3] Tošenovský, J., Dudek, M. Základy statistického zpracování dat. VŠB-TU Ostrava, 2001, 82 s. ISBN 80-248-0006-3. 8