MODEL PREDIKCE KVALITY PLYNULE LITÝCH KRUHOVÝCH PŘEDLITKŮ NA ZPO 1 V TŽ, A.S.

MODEL PREDIKCE KVALITY PLYNULE LITÝCH KRUHOVÝCH PŘEDLITKŮ NA ZPO 1 V TŽ, A.S. Ing. Jan Morávka, Ph.D., Ing. Vladislav Mrajca, CSc. a Ing. Michal Adamik b Ing. Lubomír Lacina c a Třinecký inženýring, a. s., Frýdecká 126, 739 61 Třinec - Staré Město, ČR, jan.moravka@tzi.trz.cz b TŘINECKÉ ŽELEZÁRNY, a. s., Průmyslová 1000, 739 70 Třinec, Odbor TT Technologie a výzkum, ČR, michal.adamik@trz.cz c TŘINECKÉ ŽELEZÁRNY, a. s., Průmyslová 1000, 739 70 Třinec, Provoz VO Výroba železa a oceli, ČR, lubomir.lacina@trz.cz Abstrakt Příspěvek obsahuje popis postupu a stavu vývoje modelu predikce kvality plynule litých kruhových předlitků na zařízení plynulého odlévání č.1 v Třineckých železárnách, a.s. Datovým základem modelu predikce jsou databáze modelu kvality a modelu parametrů. Dále jsou uvedeny první zkušenosti s protiprůvalovým systémem, algoritmem ECF, systémem pro měření opotřebení a konicity krystalizátorů, fyzikálním modelem teplotního profilu, počítačovým modelováním a simulací krystalizačních dějů a s parabolickými krystalizátory. Abstract The paper gives a description of procedure and current state in the development of a prediction model for quality of round blooms continuously cast at the Continuous Casting Machine no. 1 in Třinecké železárny. The sources of data for the prediction model involve the quality model and parameter model databases. Moreover, the paper also includes an account of initial experiences with an anti-break-out system, ECF algorithm, wear and crystalliser conicity measuring system, physical model of the temperature profile, computer modelling and simulation of crystallisation actions and the application of parabolic crystallisers. 1. ÚVOD Plnění stále se zvyšujících požadavků zákazníků na povrchovou a vnitřní kvalitu plynule litých předlitků vyžaduje u výrobce výrobu v co nejvyšší kvalitě včetně reprodukovatelnosti dodávek dle požadavků konkrétního zákazníka. Pro vyhodnocení dodržení těchto vysokých kvalitativních parametrů jsou používány komplexní predikční systémy kvality obsahující široké spektrum moderních statistických metod, které pomáhají výrobci dolaďovat technologické parametry při odlévání jednotlivých jakostí oceli na zařízení plynulého odlévání (ZPO). V Třineckých železárnách je na středisku ZPO 1 aktuálně připravován k ověřování model predikce kvality (MPQ) pro kruhové předlitky průměrů 320, 410 a 550 mm, které jsou v současné době ve výrobním programu TŽ, a.s. Třinec. Při jeho budování jsou využívány první poznatky s provozováním protiprůvalového systému (PPS), systému měření opotřebení a konicity krystalizátorů (SMOKK), databází modelu kvality (MQ), testovaných parabolických krystalizátorů (KR), fyzikálního modelu teplotního profilu (FMTP) a s výsledky provozních experimentů. Cílem dlouhodobého společného úsilí pracovníků výzkumu, technologie a provozu je řešení vícekriteriální optimalizační úlohy obsahující - viz i [1]: 1

maximalizaci výrobnosti zařízení, maximalizaci kvality předlitků vzhledem k požadavkům zákazníků a současně se zohledněním konkurence na světových trzích s uvedenými komoditami, minimalizaci nekvalitní výroby s efektivním dopadem na žádoucí snížení (minimalizaci) nákladů, minimalizaci nežádoucích jevů technologického procesu výroby (povrchové i vnitřní vady, příčné a podélné trhliny, přetržení licí kůry, průvaly), maximalizaci životnosti krystalizátorů. 2. MODEL PREDIKCE KVALITY Model (systém) predikce kvality (MPQ) je nový moderní postup pro řešení problematických typů vad prostřednictvím analytických metod jakými jsou vícenásobná regrese, regulační diagramy a plánovaný experiment blíže viz [2]. Je zřejmé, že takto rozsáhlý projekt, do jehož řešení bude zapojena i část materiálového toku zahrnující tzv. předvýrobní etapu, povede k integrované účasti zařízení předcházejících ZPO 1. Budovaný SW realizovaný model predikce kvality plynule litých kruhových předlitků formátu 320, 410 a 550 mm má za cíl: nalezení faktorů, které mají statistický významný vliv na kvalitu předlitků, nalezení takových technologických postupů, které maximalizují (optimalizují) kvalitu výroby při současném splnění maximalizace výroby a minimalizace nákladů, zabezpečit včasnou reakci na technologické anomálie, on-line (v průběhu lití) označit předlitek s podezřením na vadu, přičemž v režimu off-line (při výstupní kontrole, apretaci a případné reklamaci) se toto podezření verifikuje, umožňovat technologům zpětné hodnocení taveb i kampaní za účelem úpravy, či doladění technologie odlévání dané značky oceli. Pro splnění uvedených cílů je nutné provést následující sofistikované činnosti: sběr a shromažďování dat, analýza současného stavu, tj. procentuální vyjádření četnosti všech typů vad za sledované období, analýza procesu - vytipování faktorů a interakcí, které mohou mít vliv na vady, uskutečnění vícenásobné regrese pro průřezová data a časové řady, rozbor výsledků vícenásobné regrese, včetně kvalitní moderní regresní diagnostiky, vytvoření hypotéz pomocí významných faktorů vzešlých z vícenásobné regrese, testování hypotéz v provozní praxi pomocí plánovaných a řízených experimentů s jejich vyhodnocením metodou DOE (Design of Experiment) a expertním posouzením, zavedení ověřených hypotéz do MPQ (rádce operátora, regulační diagramy důležitých veličin) a do provozní praxe (DTP). MPQ vychází z databáze modelu kvality (MQ) a jejich tabulek obsahujících důležité technologicko-technické údaje charakterizujících proces odlévání. MPQ je rozšířen o data přidružených subsystémů. Všechny uvažované údaje jsou vzájemně vázány na dvou rozlišovacích úrovních: k jednotlivým tavbám (pro přehledné sumární vyhodnocování v intervalu kampaně, měsíce, či delšího časového období) a k jednotlivým předlitkům. Veličiny pro MPQ a MQ byly vytipovány technology a řešitelským týmem. Jejich vlivnost na kvalitu a vzájemné vazby jsou testovány pomocí moderních metod matematicko-statistické analýzy i analýzy časových řad (náhodných procesů), provozních experimentů vyhodnocovaných metodami DOE, jako i pomocí fyzikálního a matematického modelování krystalizačních dějů ve spolupráci s katedrou tepelné techniky (KTT) FMMI VŠB-TU Ostrava. MPQ je HW i SW realizován v řídicím počítači technologie DEC Alpha, přičemž potřebné údaje jsou přenášeny z dalších počítačů a systémů: z počítačů PDP, ABB, z protiprůvalového systému DGS-5T i systému měření opotřebení a konicity krystalizátorů firmy DASFOS, v.o.s. a z fyzikálního modelu teplotního profilu (FMTP) KTT FMMI VŠB- TUO. 2

MPQ je ve stavu budování. Momentálně se doplňují další databázové tabulky dat, je dořešována komunikace a přenos dat mezi subsystémy a jsou konzultovány způsoby zpracování dat pro off i on-line analýzu predikce kvality předlitků. V další etapě budování by MPQ měl nabýt charakteru inteligentního informačního (expertního) systému, který technologům ZPO (a určeným pracovníkům) kromě informace o vadných předlitcích nabídne i vysvětlení důvodu vzniku vady (např. - vysoké tření = nedostatek licího prášku, nebo licí prášek s vysokou viskozitou, vysokými charakteristickými teplotami apod.). 3. PROTIPRŮVALOVÝ SYSTÉM Pro predikci a indikaci nebezpečí blížícího se průvalu je používán HW i SW systém DGS (který je aktuálně ve zkušebním provozu), v ověřovacím režimu je testován SW realizovaný algoritmus ECF. 3.1 Systém DGS Do TŽ, a.s. byl zakoupen diagnostický systém DGS-5T, vyvinutý firmou DASFOS Ostrava ve spolupráci s katedrou tepelné techniky (KTT) FMMI VŠB-TU Ostrava. Systém je určen pro monitorování odlévacích podmínek v krystalizátoru ZPO. V TŽ, a.s. je v provozu na ZPO č.1 na kruhových krystalizátorech o průměru 320, 410 a 550 mm. Je založen na dvou principech, které se vzájemně doplňují, a to na nepřímé metodě měření třecích sil a na měření teplot ve stěnách krystalizátoru pomocí speciálních teplotních sond. Algoritmus zohledňuje oba typy signálů za účelem zvýšení spolehlivosti predikce průvalů a snížení počtu falešných alarmů - podrobnější údaje o principech systému DGS jsou v [3]. Základní funkce systému DGS jsou: predikce kvality předlitku a indikace přetržení kůry i predikce průvalu. Kromě výše uvedených základních funkcí má systém doplňkové funkce, a to: diagnostika mechanického stavu oscilačního mechanismu, měření symetrie chlazení na principu vyhodnocení tepelné osy, měření tepelného toku a odvedeného tepla z 1 kg oceli do chladicí vody, tj. údaje použitelné pro výpočet průměrné tloušťky kůry. Obr. 1. Nárůst faktoru tření před průvalem systém DGS Analýza měřených veličin je dále využívána pro další účely, např. pro porovnání mazacích schopností licích prášků, porovnání tepelného odporu mazací vrstvy licích prášků, kontrolu rovnoměrnosti dávkování licích prášků, kontrolu seřízení geometrické osy krystalizátoru a kontrolu správné polohy i tvaru výlevky. Na obr.1 znázorňuje spodní křivka průběh faktoru tření před průvalem při odlévání kruhového předlitku o průměru 410 mm na parabolickém krystalizátoru. Tření se výrazně zvýšilo asi 13 minut před průvalem po skoku rychlosti lití a zde se vytvořily podmínky zvýšeného nebezpečí průvalu. Asi 2 minuty před průvalem došlo k trendovému nárůstu faktoru tření a současně k poklesu faktoru mazání. V 71. minutě tavby nastal průval. 3

Systém DGS je na základě požadavků pracovníků TŽ, a.s. dolaďován pro jednotlivé skupiny značek ocelí. Další úpravy systému pro potřeby provozu VO budou realizovány v roce 2003. 3.2 Algoritmus ECF Na pracovišti Ti, a.s. byl vyvinut a je testován algoritmus ECF (EWMA - CUSUM - FIR) pro indikaci blížícího se průvalu. ECF zatím používá pro analýzu pouze signál faktoru tření a vychází z principů teorie statistické regulace procesů (SPC), tj. z regulačních diagramů EWMA a CUSUM při zabezpečení požadavku na rychlou odezvu pomocí FIR. Pomocí ECF bylo s dobrými výsledky v off-line režimu prozkoumáno zatím asi 100 taveb při porovnání indikačních schopností se systémem DGS blíže viz [2]. 4. PARABOLICKÉ KRYSTALIZÁTORY Z literatury, výzkumných prací a zkušeností je známo, že podstatný vliv na bezchybný chod ZPO i na kvalitu předlitku má krystalizátor. Zejména jde o optimální tvar jeho pracovní části (stěn). Nejdůležitějším parametrem tvaru se přitom jeví konicita. Optimální konicita má být navržena tak, aby: její průběh po výšce odpovídal průběhům hustoty tepelného toku a součinitelů přestupu a prostupu tepla, její průběh podchycoval průběh opotřebených Cu vložek, délka kontaktu licí kůry se stěnou Cu vložky krystalizátoru byla maximální. Při zvolení optimální konicity lze předpokládat maximalizaci životnosti krystalizátorů, minimalizaci vad předlitků a současně i minimalizaci příčin průvalů způsobených nevhodným průběhem stykové plochy licí kůry a stěny krystalizátoru (přičemž další technologické příčiny vzniku průvalů, jakými jsou např. nevhodná rychlost lití, intenzita chlazení, či parametry licího prášku, samozřejmě zůstávají v platnosti) [2]. 4.1 Měření rozměrů a konicity krystalizátorů Pro měření rozměrů a konicity krystalizátorů byl TŽ, a.s. zakoupen laserový měřicí systém MKL 100/420 firmy DASFOS v.o.s. Přesnost měření průměru je ± 0,05 mm a přesnost nastavení vertikální polohy ± 0,1 mm, které byly potvrzeny akreditovanou laboratoří. Měření je prováděno s úhlovým krokem 3 (tj. 120 měřených bodů po obvodu) v 18-ti hladinách (vertikálních úrovních) po výšce KR. Obr. 2. Obrazovka systému MKL průměrná konicita Systém je provozně využíván na ZPO 1 pro měření kruhových krystalizátorů o průměru 320, 410 a 550 mm, jako i pravoúhlých krystalizátorů rozměrů 300 x 350 mm. Umožňuje z měřených poloměrů v uvedených horizontálních i vertikálních polohách vypočítat a zobrazit základní údaje o Cu vložce krystalizátoru a jejím 4

měření, mapu konicity, horizontální řezy v hladinách, odchylky od kruhovitosti, průběhy konicit v hladinách i úhlech a průměrnou konicitu v hladinách, průměry v úhlu a střední průměr, střední plochu i směrodatnou odchylku po výšce krystalizátoru. Na obr.2 je obrazovka přístroje MKL s grafem typického průběhu naměřené a vypočtené průměrné relativní konicity po výšce opotřebeného (odlito 14 601 tun oceli) kruhového krystalizátoru 410 mm. Výsledky měření jsou dále přenášeny na PC server a do řídicího počítače DEC Alpha. Měřená data je také možné transformovat do textových souborů typu CSV, které jsou použitelné v tabulkových procesorech (Excel) a v matematicko-statistických programech. 4.2 Návrh parabolických krystalizátorů Jelikož komplexní zatížení krystalizátoru i dalších zařízení licího procesu a tím i vznik nežádoucích jevů (frekvence průvalů, nekvalita předlitků a opotřebení krystalizátoru) roste úměrně s rychlosti lití, byla nejdříve pozornost zaměřena na kruhové krystalizátory a předlitky formátu 320 mm, kde se rychlost lití pohybuje v průměru kolem 0,8 m/min. v [m m ] 700 600 500 400 300 200 100 0 Formát 320 mm Při analýze rozměrů, konicit a teplotních profilů používaných Cu vložek formátu 320 mm bylo zjištěno, že nasazované typy různých víceúkosových krystalizátorů vykazují nehladké a nevhodné průběhy parametrů po výšce, jako i nízkou životnost (v průměru asi 3800 tun na renovaci, tj. 11 400 tun celkem za dobu životnosti KR). Obr. 3. Průběh průměru (d) po výšce (v) kubického KR 320 mm 323 324 325 326 327 328 d [mm] Po analýze průběhů konicit opotřebovaných Cu vložek krystalizátorů a na základě fyzikálních výpočtů i údajů z literatury byl pomocí Bernoulliho obyčejné diferenciální rovnice a Lagrangeových interpolačních polynomů navržen parabolický průběh konicity (kubický průběh průměru) po výšce krystalizátoru formátu 320 mm (obr.3). Formát 410 mm Po prvních a velice dobrých provozních zkušenostech s testovaným parabolickým KR v [m m ] 600 500 400 300 200 Návrh rozmě rů kubického KR 320 mm Návrh rozmě rů kubického KR 410 mm (2. renovace) kruhového formátu 320 mm došlo k rozhodnutí vyrobit KR tohoto typu i pro formát 410 mm. Dalšími důvody byla snaha o zlepšení plynulosti odlévání (u klasických KR docházelo k výskytům trhavého chodu licího proudu a tím i ke zhoršení povrchové kvality předlitků) a zvýšení životnosti Cu vložek KR. Pro Cu vložku KR připravenou ke 2.renovaci byl navržen následující průběh průměru po výšce (obr.4). 100 0 424 425 426 427 428 429 d2r [mm] Obr. 4. Průběh průměru (d) po výšce (v) kubického KR 410 mm 5

Po získání dostatečných zkušeností s provozováním parabolického KR formátu 410 mm bude rozhodnuto o realizaci připravovaného návrhu parabolického KR i pro největší formát 550 mm. 4.3 Zkušenosti s provozováním parabolických krystalizátorů Parabolický krystalizátor formátu 320 mm byl celkem nasazen v 10-ti kampaních a bylo na něm odlito 11 300 tun oceli. V období těchto kampaní se neobjevily žádné povrchové vady na předlitcích při apretaci a nevznikly průvaly. Obr. 5. Průběh středního průměru po výšce kubického KR 320 mm V porovnání s klasickými víceúkosovými krystalizátory vykazuje tento parabolický KR hladší průběh veličin tření i mazání. Jeho opotřebení je srovnatelné s opotřebením klasických krystalizátorů avšak parabolický krystalizátor vykazoval rovnoměrný průběh opotřebení (lineární průběh diferencí rozměrů po výšce). Na obr.5 je znázorněný průběh středního průměru po výšce KR po jeho posledním nasazení do licího procesu. Parabolický krystalizátor formátu 410 mm byl celkem nasazen v 5-ti kampaních a bylo na něm odlito 11 736 tun oceli. V období nasazení se neobjevily žádné povrchové vady na předlitcích při apretaci, ale vznikly 2 průvaly. Obr. 6. Průběh středního průměru po výšce kubického KR 410 mm V porovnání s klasickými víceúkosovými krystalizátory vykazoval testovaný parabolický KR hladší průběh veličin tření i mazání. Jeho míra opotře- 6

bení byla přibližně na poloviční úrovni jako u klasických dvou-úkosových KR, což však bylo způsobeno nedostatečnou konicitou a tím i nedostatečným stykem předlitku a stěny KR. Tato skutečnost byla potvrzena asi o 12-20 % menším odvodem tepla PCH při odlévání měkkých ocelí v porovnání s odvodem tepla u klasických dvou-úkosových KR Na obr.6 je znázorněný průběh středního průměru po výšce KR po odlití uvedeného množství oceli. 4.4 Další postup při provozování parabolických krystalizátorů Po vyhodnocení opotřebení a technologického chování testovaných parabolických KR formátu 320 a 410 mm bylo rozhodnuto o výrobě KR nových s upravenými průběhy konicit po výšce KR. V současné době je připravována jejich výroba. 5. FYZIKÁLNÍ MODEL TEPLOTNÍHO PROFILU Ve spolupráci s katedrou tepelné techniky (KTT) FMMI VŠB-TU Ostrava byl realizován fyzikální model teplotního profilu (FMTP) po výšce krystalizátorů. Model obsahuje 2 x 7 termočlánků zabudovaných do stěny Cu vložky KR (10 mm pod povrchem) po celé výšce v oblasti malého (MR) a velkého rádiusu (VR) licího stroje. Speciální software vzorkuje všechny kanály s periodou 0,44 s. Pomocí dalšího vizualizačního programu je možné nasnímaná data zobrazovat, filtrovat, třídit podle taveb a generovat textové soubory. Pracovníci KTT provádějí postupně systém experimentů se změnami veličin: hmotnostní obsah C v oceli, výška hladiny oceli v KR, licí rychlost, licí prášek a frekvence oscilací. Cílem experimentů je zjistit vliv uvedených vstupních (ovlivňujících) veličin na tvar teplotního profilu (srovnání pro klasické a parabolické KR), veličiny tření a mazání, parametry primárního chlazení a opotřebení KR. Prozatímní výsledky experimentů (více než 200 taveb s ocelí 19-ti značek s hm. obsahem C 0,152 0,666 %) ukázaly následující skutečnosti (podrobněji viz [4], [5]): 1. Teplotní profily klasických KR vykazovaly větší nerovnoměrnost v oblasti změny konicity, co podpořilo myšlenku návrhu parabolických KR. 2. Teplotní profily parabolických KR (zejména v oblasti MR) se blíží splnění podmínek ideálního přestupu tepla po výšce KR (tuhnutí a chladnutí předlitku). 3. U ocelí s vyšším obsahem uhlíku (nad 0,4 hm.%) jsou reakce teplotního profilu, tření i mazání na změny podmínek odlévání podstatné, zatímco u nízkouhlíkových (do 0,2 hm.%) jsou prakticky nevýznamné. Na obr.7 jsou viditelné 140 120 100 Teplotní profily - srpen 2001 oceli s 0.158-0.18 %C průměrné teplotní profily klasického KR formátu 320 mm při hladině oceli 50 mm pod horní hranou KR. Teplota ( C) 80 60 40 MR50 VR50 Obr. 7. Teplotní profily MR a VR pro ocel do 0,2 hm.% C klasický KR 20 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Hladina (mm) 7

Na obr.8 jsou znázorněny průměrné teplotní profily (na MR téměř ideální) parabolického KR formátu 320 mm. Teplotní profily - listopad 2001 Ocel 1059 OCEL A 140 120 100 Teplota ( C) 80 60 MR VR 40 20 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Hladina (mm) Obr. 8. Teplotní profily MR a VR pro ocel do 0,2 hm.% C parabolický KR 6. ZÁVĚR Příspěvek uvádí stručný popis vyvíjeného modelu predikce kvality plynule litých kruhových předlitků formátů 320, 410 a 550 mm. Obsahuje také popis a první zkušenosti s protiprůvalovým systémem, se systémem měření opotřebení a konicity krystalizátorů, testovanými parabolickými krystalizátory a fyzikálním modelem teplotního profilu. LITERATURA [1] MORÁVKA, J. aj. Cíle a řešené problémy optimalizace procesu plynulého odlévání oceli na pracovišti ZPO 1 v TŽ, a.s. Hutnické listy, 2001, roč. 56, č.9, s.28-33. [2] MORÁVKA, J. aj. Vývoj modelu predikce kvality plynule litých předlitků a protiprůvalový systém na ZPO 1. Hutnické listy, 2002, roč. 57, č. 10-12, s.35-41. [3] PYSZKO, R. aj. Breakout forecasting and process monitoring systém. Přednáška na mezinárodní konferenci Modern Steel Continuous Casting Technologies : XXI Century. Doněck - Ukrajina, 28.-30. května 2002, 12 s. [4] PŘÍHODA, M. aj. Vyhodnocení teplotních profilů fyzikálního modelu krystalizátoru 320 mm. Dílčí výzkumná zpráva I.etapy. Ostrava, KTT FMMI VŠB-TU, 2002, 19 s. [5] PŘÍHODA, M. aj. Vliv technologických parametrů odlévání na rozložení teplot v kruhovém krystalizátoru ZPO. In Sborník 11. mezinárodní metalurgické konference METAL 2002 (CD). Ostrava: Tanger, 2002. 7 s. 8