STANOVENÍ PRŮBĚHU ENTALPIE VYZDÍVKY PRO MODELOVÁNÍ OBĚHU LICÍCH PÁNVÍ V PODMÍNKÁCH OCELÁRNY MITTAL STEEL OSTRAVA

STANOVENÍ PRŮBĚHU ENTALPIE VYZDÍVKY PRO MODELOVÁNÍ OBĚHU LICÍCH PÁNVÍ V PODMÍNKÁCH OCELÁRNY MITTAL STEEL OSTRAVA DETERMINATION OF THE COURSE OF ENTHALPY OF LINING FOR MODELLING OF CIRCULATION OF POURING LADLES AT MITTAL STEEL OSTRAVA Pavel Hašek a - Petr Tvardek b - Dalibor Jančar a a FMMI VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava, ČR, dalibor.jancar@vsb.cz b ISPAT NOVÁ HUŤ. a.s., Vratimovská 689, 707 02 Ostrava, ČR, ptvardek@novahut.cz Abstrakt Do automatizovaného systému řízení ocelárny společnosti MITTAL STEEL OSTRAVA (dříve ISPAT NOVÁ HUŤ) byl začleněn model tepelného stavu vyzdívky licí pánve. Model je schopen pracovat s jakýmkoliv typem vyzdívky pánve, pokud jsou známy konstanty v příslušných algoritmech. Parametry pro konkrétní typ vyzdívky lze určit proměřením teplotního profilu vyzdívky pánve přímo v provozních podmínkách. Hodnoty parametrů (konstant) modelu pro dolomiovou a monolitickou vyzdívku, které jsou používány v současné době ve společnosti MITTAL STEEL OSTRAVA vedle vyzdívky typu KOMEX a ORIND pro sekundární metalurgii a následné kontinuální odlévání oceli, byly získány na základě provozního měření změn teplotního pole vyzdívky a sledování tepelné práce pánve v technologickém toku: tandemová pec pánvová pec plynulé odlévání včetně předehřevu vyzdívky pánve po ukončení odlévání. Abstract The model of the thermal state of ladle lining was integrated into the automatized control system of our steel plant. Model is able to work with any sort of refractory if constants of right algorithms are known. Parametres for the right sort of the refractory lining can be determined by measuring of the temperature field of lining during the operational testing. Values of parametres of models for the dolomite and the concrete linings which are now used in the MITTAL STEEL OSTRAVA company beside KOMEX and ORIND linings were taken by the the plant measurements of the thermal field changes in the ladle lining and the monitoring of the thermal processes in a ladle throughout the technological flow: tandem furnace ladle furnace continuous casting and during preheating of the ladle lining after steel casting. 1

1. ÚVOD V automatizovaném systému řízení ocelárny pracují dílčí technologické modely, které jsou zaměřeny na sledování vlastního oběhu licích pánví a určení tepelného stavu jejich vyzdívek v celém pracovním cyklu. Současné technologické podmínky ocelárny jsou charakterizovány především provozem tří zařízení pro plynulé odlévání oceli, včetně pánvových pecí, a použitím nových zařízení k předehřevu vyzdívek pánví. Uvedením do provozu zařízení pro plynulé odlévání č. 2 a 3 vznikly v oběhu pánví nové technologické úseky, které bylo nutno zahrnout do modelů řízení ocelárny. Na základě provozního sledování oběhu pánve byly tyto nové úseky specifikovány, odvozeny algoritmy pro řešení změn tepelného stavu vyzdívky pánve a vypočteny soubory konstant pro dva typy žárovzdorných materiálů, korundo-spinelového žárobetonu a dolomitových staviv [1], [2], [4]. Rovněž byly vytvořeny funkce pro řízení vysokoteplotního ohřevu pánví [3]. Funkce předehřevu vyzdívek pánví zaznamenala v nových podmínkách ocelárny některé změny, které jsou dány dlouhou dobou pobytu tekuté oceli v pánvi a tím i vysokou entalpií vyzdívky na konci lití. Souhrn uvedených prací zajišťuje podmínky pro optimalizaci tepelné práce licích pánví v návaznosti na zajištění vysoké kvality oceli odlévané na ZPO. Pro návrh a optimalizaci vyzdívek pecí, pánví a jiných tepelných zařízení se rovněž využívají matematické modely a počítačové programy zaměřené na minimalizaci tepelných ztrát vyzdívek [9],[10]. V práci jsou uvedeny výsledky provozního měření teplotního pole vyzdívky a určení průběhu entalpie obou výše uvedených typů vyzdívek (monolitické a zděné) pro řízení oběhu licích pánví. 2. PROVOZNÍ MĚŘENÍ Provozní měření spočívalo v instalaci termočlánků do jednotlivých vrstev vyzdívky pomocí nichž bylo určeno teplotní pole vyzdívky licí pánve během celého provozu licí pánve. Na základě těchto údajů byla vypočítána entalpie vyzdívky a soubory konstant. Jelikož entalpie vyzdívky závisí na druhu a tloušťce používaných žárovzdorných a izolačních materiálů, kterými je licí pánev vyzděna, je nutno provést provozní měření zvlášť pro každý typ licí pánve. K provoznímu měření byla vybrána licí pánev s vyzdívkou z korundo-spinelového samotekoucího betonu firmy VEITSCH RADEX (dále jen betonová pánev) a licí pánev vyzděna převážně dolomiovým stavivem (dále jen dolomiová pánev). 2.1 Vyzdívka betonové pánve Pracovní vrstva vyzdívky stěny a dna pánve byla zhotovena z materiálu značky ANKOFLO - V002. Pracovní vyzdívka struskového pásma byla zhotovena z magnezitouhlíkatého staviva značky ANCARBON - SL 32 vyrobeného firmou Veitsch - Radex. Pro izolaci stěny pánve byly použity desky z keramického vlákna. Označení materiálu: PYRONAP 50 firmy Frings Werke. Vyzdívka není zesílena v pásmu dopadu oceli při odpichu. vyzdívka dna 1. kříž žárobeton ŽO 1200 2. parket šamot SNKI 3. půda beton ANKOFLO - V002 2

vyzdívka stěny 1. pracovní vrstva beton ANKOFLO - V002 2. šamotová izolace šamot SNKI 3. vláknitá izolace PYRONAP-50 struskové pásmo 1. pracovní vrstva ANCARBON-SL 32 2. výduska PENTARAM (Dolomite Franchi) 3. izolace šamot SNKI [5]. 2.2 Vyzdívka dolomiové licí pánve K provoznímu experimentu byla použita 230 tunová licí pánev s vyzdívkou navrženou pro nové technologické podmínky ocelárny. Vyzdívka pánve je pásmová s pracovní vrstvou z dolomiových staviv a magneziohlíkového staviva ve struskové zóně. Vyzdívka je zesílena v oblasti dopadu proudu oceli po odpichu. V oblasti nad argonovací dmyšnou je v horní části stěny vložena zóna z magneziouhlíkového staviva. Konstrukce jednotlivých pásem vyzdívky je následující: vyzdívka dna 1. kříž žárobeton ŽO 1200 2. parket šamotové normálky C30 SP35 3. podsyp dolomiová zásypová hmota 4. půda dolomiové tvarovky SINDOFORM T, tvar 5P0 vyzdívka stěny 1. vláknitá izolace ASFILBOARD 120 ZK 2. šamotové tvarovky 16 N K 3. dolomiová dusací hmota PENTARAM 4. dolomiové tvarovky PENTABRICK T1, tvar SU660 dopadová oblast stěny - dolomiové tvarovky PENTABRICK HR27, tvar SU960 struskové pásmo MgO-C tvarovky KOMEX 96 MGP-12T, klíny 25/30 a 25/8 zesílení vyzdívky stěny v oblasti nad argonovací dmyšnou je zhotoveno z magnezitouhlíkového staviva LOVINIT LIUB10, tvar SU760 [6]. 2.3. Sledování teplotního pole vyzdívky Provozní měření zahrnovalo celý cyklus oběhu licí pánve od ohřevu nové vyzdívky a navazující technologický úsek odpich tavby sekundární zpracování oceli v pánvové peci odlévání na ZPO. Čidla pro měření teploty vyzdívky byla zhotovena z termočlánků typů B a plášťových termočlánků typu K a byla rozmístěna tak, aby bylo možno získat co nejúplnější údaje charakterizující teplotní pole vyzdívky v průběhu celého provozního cyklu pánve. Vzhledem k tomu, že teplotní pole vyzdívky je rozhodujícím způsobem ovlivněno tepelnými pochody v pracovním prostoru pánve, bylo nutno největší množství měřicích míst umístit v blízkosti pracovního povrchu vyzdívky. Jak byly rozmístěny termočlánky v dolomiové licí pánvi je znázorněno na Obr. 1. V betonové pánvi bylo rozmístění termočlánků velmi podobné a pro obě pánve platí, že nejvíce měřících míst bylo umístěno ve střední rovině. [7]. Pro záznam teplot naměřených ve zvolených měřících místech byly použity měřící ústředny Grant Squirell. Ústředna byla uložena v chlazeném tepelně izolovaném boxu 3

navařeném na plášti pánve. Toto uspořádání umožnilo kontinuální záznam teplot vyzdívky v průběhu všech technologických operací, kterými pánev prochází, včetně transportu pánve. dolomitová výduska hladina oceli magnezito-uhlík 6 20 18 19 40 5 12 13 14 15 16 17 20 40 3120 60 80 152 254 1820 4 10 11 20 720 3 40 1 2 220 dolomit dolomitová dusací hmota 7 8 310 460 šamot vláknitá izolace 9 žárobeton ocelový plášť Obr. 1. Rozmístění termočlánků na povrchu a uvnitř vyzdívky licí pánve. 4

3 VÝSLEDKY PROVOZNÍCH MĚŘENÍ Výsledky provozního měření (především naměřené průběhy teplot ve zvolených měřících místech, ale i další sledované údaje) byly využity, jak už bylo výše řečeno, ke stanovení parametrů modelu hodnocení tepelného stavu licí pánve a následnému určení tepelných ztrát vyzdívkou pánve a změny teploty oceli způsobené těmito ztrátami. 3.1 Model tepelného stavu vyzdívky licí pánve Při určování tepelného stavu vyzdívky licí pánve byl pro současné podmínky přípravy oceli v pánvi a kontinuální odlévání oceli pracovní cyklus sledované pánve rozdělen do těchto dílčích časových úseků: 1. Sušení nově vyzděné pánve 2. Předehřev pánve před 1. tavbou 3. Chladnutí vyzdívky pánve: a) po sušení nebo předehřevu před 1. tavbou b) pod víkem ZPO c) po ukončení lití (a zvednutí víka v případě ZPO) d) pod víkem zařízení pro vysokoteplotní ohřev e) po ohřevu mezi tavbami 4. Úsek od odpichu do konce lití 5. Ohřev pánve mezi tavbami: a) po chladnutí vyzdívky pánve bez víka b) po chladnutí pánve zakryté víkem Jako nejvhodnější parametr pro definici tepelného stavu pánve byla zvolena entalpie vyzdívky: Ι = n ( Si si c ti ) vi i= 1 ρ (J) (1) p i V našem případě byla k hodnocení tepelného stavu vyzdívky pánve zvolena entalpie vyzdívky pánve vztažená na 1 m 2 pracovního povrchu vyzdívky: Ι vyzd = Ι S p (J. m -2 ) (2) kde: n počet materiálů vyzdívky i pořadové číslo materiálu s tloušťka vrstvy (m) ρ v objemová hmotnost materiálu (kg. m -3 ) c p střední měrná tepelná kapacita (J. kg -1.K -1 ) t průměrná teplota vrstvy ( C) S povrch jednotlivých vrstev vyzdívky (m 2 ) S p pracovní povrch vyzdívky (m 2 ) 5

Model tepelného stavu vyzdívky licích pánví, spolu se subsystémem ASŘ oběhu pánví, musí v systému ON-LINE zabezpečovat tyto úkoly: v každém okamžiku pracovního cyklu pánve určit tepelný stav ( entalpii) vyzdívky, stanovit dobu ohřevu tak, aby při odpichu měla pánev požadovanou entalpii, umožnit komplexní sledování oběhu pánví od vyzdění až po vybourání vyzdívky a zaznamenávání všech údajů, umožňujících zpětně získat přehled o historii pánve, umožnit komplexní sledování oběhu pánví od vyzdění až po vybourání vyzdívky a zaznamenávání všech údajů, umožňujících zpětně získat přehled o historii pánve, racionalizovat oběh pánví tak, aby byly minimalizovány tepelné ztráty pánví a současně splněny tepelné podmínky pro provozování bazických vyzdívek. Model obsahuje několik programových modulů (výpočet entalpie při chladnutí prázdné pánve s víkem nebo bez víka, výpočet entalpie při vysokoteplotním ohřevu pánve, výpočet entalpie vyzdívky pánve naplněné ocelí), z nichž každý popisuje změnu entalpie pánve v daném provozním stavu. Jednotlivé moduly na sebe navazují, to znamená, že entalpie, která je vypočtena v rámci jednoho modulu, je vstupní (počáteční) hodnotou pro následující stav pánve (modul). Na základě rozboru a fyzikální podstaty děje byly jako algoritmy modelu zvoleny jednoduché rovnice (polynomy a exponenciály), které s dostatečnou přesností charakterizují entalpii pánve v různých provozních podmínkách. Pomocí odvozených rovnic je možné v systému ON-LINE vypočítat entalpii vyzdívky pánve a určit dobu ohřevu potřebnou pro dosažení žádané hodnoty entalpie pánve před odpichem [8]. 3.2 Výsledky provozního měření Průběh teploty vyzdívky betonové pánve a z něho odvozený nárůst (rychlost změny) entalpie v technologickém úseku od odpichu 1. tavby do konce lití 5. tavby je znázorněn graficky na obr. 2 a 3. Časy odpichu a konce lití taveb jsou na časové ose označeny kosočtvercovými body. V posloupnosti od 1. do 4. tavby se zvyšuje entalpie vyzdívky při odpichu. V posloupnosti od 1. do 4. tavby se zvyšuje entalpie vyzdívky při odpichu. Z obr. 3 je rovněž patrné, že přírůstek entalpie v údobí odpich - konec lití se však s rostoucí počáteční entalpií snižuje. Jako příklad výsledků měření teplotního pole vyzdívky dolomitové licí pánve jsou na obrázcích 4 a 5 uvedeny průběhy teplot naměřených v 6 měřicích místech v měřicí rovině II stěny pánve, a to pro prvých 7 taveb po vyzdění pánve. Tavby byly odlévány na ZPO č. 2. Jednotlivé teploty jsou označeny vzdáleností měřicího místa od povrchu vyzdívky, např. ts[20] teplota stěny ve vzdálenosti 20 mm od povrchu. Měřící místo 5 bylo umístěno ve vzdálenosti 152 mm od povrchu, tzn. na styku dolomitové tvarovky a výdusky. Měřicí místo 6 bylo ve vzdálenosti 254 mm od povrchu vyzdívky na styku šamotových tvarovek a izolační desky. Současně je v grafech na obr. 4 a 5 uveden vypočtený průběh entalpie vyzdívky stěny pánve v rovině II. Entalpie je vztažena na objem vyzdívky, který má na pracovní straně vyzdívky povrch 1 m 2. Entalpie vyzdívky I 0 v době odpichu tavby do pánve jsou zvýrazněny bodem. 6

Teplota ( 0 C ) 1 1 1400 1200 400 Ohřev pánve: Číslo tavby: 1. 2. t. oceli t [0] t [40] t [80] t [220] 3. 4. 5. 0 6 12 18 24 30 36 Čas od odpichu 1. tavby ( h ) Obr. 2. Průběh teploty oceli v pánvi a teplot naměřených ve vyzdívce stěny pánve 1200 Ohřev pánve: Teplo Q, entalpie I ( MJ/m2 ) 400 200 0 I vyzd entalpie vyzdívky I o počáteční entalpie Číslo tavby: 1. 2. 3. 4. 5. Q přiv Q odv 0 6 12 18 24 30 36 Čas od odpichu 1. tavby ( h ) Obr. 3. Průběh entalpie vyzdívky pánve Svislými čarami jsou vyznačeny časy odpichu taveb (označené číslem tavby) a časy konce lití oceli z pánve do mezipánve. Doby setrvání oceli v pánvi od odpichu do konce lití byly u sledovaných 7 taveb velmi dlouhé, pohybovaly se v rozmezí 3,3 až 4,4 h a entalpie vyzdívky dosahovaly vysokých hodnot. S výjimkou 1. tavby byly u následujících 6 taveb entalpie na konci lití nad hodnotou 700 MJ. m -2 (702 až 731 MJ. m -2 ). U 1. tavby dosáhla entalpie na konci lití z důvodu nízké odpichové entalpie (I 0 = 467 MJ. m -2 ) hodnoty pouze 675 MJ. m -2. 7

Číslo tavby : 1 1500 2 3 4 1050 1400 1300 950 Teplota ( C) 1200 1100 900 700 900 850 750 700 650 Entalpie (MJ) 1 ts[20] 2 ts[40] 3 ts[60] 4 ts[80] 5 ts[152] 6 ts[254] 7 Entalpie Entalpie Io 500 550 400 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas od odpichu 1. tavby (h) Obr. 4. Průběh teplot a entalpie vyzdívky dolomitové licí pánve v časovém úseku 1. až 4. tavby Číslo tavby : 1500 5 6 7 1400 950 1300 900 Teplota ( C) 1200 1100 900 700 850 750 700 650 550 Entalpie (MJ) 1 ts[20] 2 ts[40] 3 ts[60] 4 ts[80] 5 ts[152] 6 ts[254] 7 Entalpie Entalpie Io 500 500 400 450 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 Čas od odpichu 1. tavby (h) Obr. 5. Průběh teplot a entalpie vyzdívky dolomitové licí pánve v časovém úseku 5. až 7. tavby 8

4 ZÁVĚR Cílem optimalizace tepelné práce vyzdívky licí pánve v nových provozních a technologických podmínkách ocelárny bylo v co nejvyšší míře využít tepla akumulovaného ve vyzdívce pánve v době od odpichu do konce odlévání taveb. Při dlouhých dobách setrvání tekuté oceli v pánvi dosahuje akumulované teplo vysokých hodnot. Získané výsledky a následné řešení dané situace v ocelárně MITTAL STEEL OSTRAVA lze shrnout do těchto bodů: Po ukončení lití určit entalpii vyzdívky licí pánve pomocí algoritmů získaných provozním měřením. Z takto zjištěné entalpie rozhodnout, kdy je nutno začít s vysokoteplotním ohřevem. Licí pánev v každém možném okamžiku přiklápět víkem, aby nedocházelo k odvodu tepla. Licí pánev nechat co nejvíce cyklovat bez zařazení vysokoteplotního ohřevu, umožňuje-li to daná provozní situace ocelárny a splňuje-li vyzdívka licí pánve minimální entalpii po odpichu. Prostředkem pro optimalizaci tepelné práce vyzdívky licí pánve je model hodnocení tepelného stavu licích pánví, jehož konstanty byly pro nové provozní podmínky ocelárny odvozeny z výsledků provozního experimentu. V nejbližší době bude provedeno nové provozní měření na licí pánvi vyzděné novou žárovzdornou vyzdívkou typu KOMEX a následně odvozeny algoritmy pro výpočet entalpie. 5 LITERATURA [1] HAŠEK, P. aj. Modely pro automatizovaný systém řízení ocelárny a optimalizace tepelné práce lící pánve. 13. Mezinárodní konference metalurgie a materiálů METAL 2004, 18. 20.5. 2004, Hradec nad Moravicí. ISBN 80-85988-95-X. [2] HAŠEK, P. aj. Provozní výzkum pánve v nových technologických podmínkách ocelárny. 13. Mezinárodní konference metalurgie a materiálů METAL 2004, 18. 20.5. 2004, Hradec nad Moravicí. ISBN 80-85988-95-X. [3] TVARDEK, P. Zařazení automatických vstupů z VTO do modelu výpočtu entalpie licí pánve. [Výzkumná zpráva]. NH, a.s., Ostrava VZÚ, 1997. [4] TVARDEK, P.: Specifikace výpočetních konstant pro oběh pánví určených pro ZPO2 a ZPO3. [Výzkumná zpráva]. ISPAT NOVÁ HUŤ a. s., Ostrava, 2003. [5] TVARDEK, P., HAŠEK, P.: Tepelná práce licí pánve s korundo - spinelovou vyzdívkou. Sborník přednášek z konference Teorie a praxe výroby zpracování oceli. 2002, Rožnov pod Radhoštěm. Ostrava: Tanger. [6] HAŠEK, P. aj. Optimalizace tepelné práce 230 t licí pánve s pásmovou vyzdívkou z dolomitového a magnezitouhlíkového staviva v nových technologických podmínkách ocelárny ISPAT NOVÁ HUŤ a.s. v Ostravě : Výzkumná zpráva VŠB-Technická univerzita Ostrava. Ostrava, 05/2003. 9

[7] JANČAR, D. aj. Utilization of casting ladle lining enthalpy for heating gas saving in the course of ladle preheating at ISPAT NOVÁ HUŤ. International Scientific Conference microcad 2005. 10 11.3. 2005.University of Miskolc. ISBN 963 661 651 5. [8] HAŠEK, P. aj. Současný stav ASŘ ocelárny v oblasti určení tepelného stavu licích pánví a predikce změny teploty oceli. IX. International Scientific Conference Iron and Steelmaking, 22. - 24. 9. 1999, Malenovice. ISBN 80-7078-699-X. [9] SZÜCS, I., JÁRMAI, K., RÉZ. I., SZEMMELVEISZ, K. Optimization of Refractory Wall Structures of Furnaces in the Rolling Mills. In Sborník přednášek konference Hutní keramika, Rožnov pod Radhoštěm, 19. 20. 10. 1999. Ostrava : TANGER, s. r. o., s. 25-30. [10] SZÜCS, I., SZEMMELVEISZ, K., MIKÓ, J. Üvegolvasztó kemencék költségeinek csökkentése a falszerkezet optimalizálásával, Miskolc, 20.- 21. 5. 2003. Szakmai tudományos konferencia : Kerámia és sztilikátipari Kutatások és mérnökképzés a Miskolci Egyetem, p. 124-132. ISBN 963-9466-02-6. 10