MODELY PRO AUTOMATIZOVANÝ SYSTÉM RÍZENÍ OCELÁRNY A OPTIMALIZACE TEPELNÉ PRÁCE LICÍ PÁNVE

MODELY PRO AUTOMATIZOVANÝ SYSTÉM RÍZENÍ OCELÁRNY A OPTIMALIZACE TEPELNÉ PRÁCE LICÍ PÁNVE MODELS FOR AUTOMATIZED CONTROL SYSTÉM OF STEELWORK AND OPTIMIZATION OF THERMAL WORK OF LADLE Pavel Hašek a Petr Tvardek b Jirí Molínek a Leoš Václavík a Dalibor Jancar a a FMMI VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava, CR, pavel.hasek @vsb.cz b ISPAT NOVÁ HUT. a.s., Vratimovská 689, 707 02 Ostrava, CR, ptvardek@novahut.cz Abstrakt V rámci automatizovaného systému rízení ocelárny pracují i dílcí technologické modely, které jsou zamereny na sledování vlastního obehu licích pánví a urcení tepelného stavu jejich vyzdívek v celém pracovním cyklu. V nových technologických podmínkách ocelárny ISPAT NOVÁ HUT a.s. v Ostrave, charakteristických tím, že byla uvedena do provozu zarízení pro plynulé odlévání c. 2 a 3, vznikly v obehu pánví nové technologické úseky, které bylo nutno zahrnout do modelu rízení ocelárny. Na základe provozního sledování obehu pánve byly tyto nové úseky specifikovány, odvozeny algoritmy pro rešení zmen tepelného stavu vyzdívky pánve a vypocteny soubory konstant. Rovnež byly vytvoreny funkce pro rízení vysokoteplotního ohrevu pánví. Funkce predehrevu vyzdívek pánví zaznamenala v nových podmínkách ocelárny nekteré zmeny, které jsou dány dlouhou dobou pobytu tekuté oceli v pánvi a tím i vysokou entalpií vyzdívky na konci lití. Souhrn uvedených prací zajištuje podmínky pro optimalizaci tepelné práce licích pánví v návaznosti na zajištení vysoké kvality oceli odlévané na ZPO. Abstract In the framework of automatized control system of our steel plant are utilized partial technological models both for monitoring of the ladle cycling and determination of the thermal state of the ladle lining during their operation. Two continuous casting machines (number 2 and 3) was put into operation in ISPAT NOVÁ HUT company. New technological sections were created in these new technological conditions. It was necessary to include them into the models of automatized control system of steelwork. On the base of the plant monitoring of the ladle cycling, these new sections were specified, algoritmes for solving of the thermal state changes were made, and constants were calculated. Functions for ladle preheating control were also created. Because of the prolonged time from the tap to the end of casting of steel and high enthalpy of the ladle lining in the end of casting, the function of ladle preheating are changed in the new conditions of steel plant. By this, the conditions for optimization of thermal work of ladle are formed in the connection with the high quality of the continuous casting steel. 1

1 ÚVOD Pri dlouhodobém setrvání oceli v pánvi v dobe od odpichu tavby do konce jejího odlévání na ZPO, ve které se provádí i sekundární zpracování oceli vpánvové peci, se ve vyzdívce akumuluje znacné množství tepla. Pro jeho využití s ohledem na snížení tepelných ztrát tekuté oceli po odpichu následující tavby je nutno optimalizovat tepelnou práci vyzdívky pánve. Ke koordinaci postupu odpichu taveb z tandemových pecí a požadavku plynulosti dodávek oceli pro jednotlivá ZPO je do pracovního cyklu pánví obvykle zarazen predehrev jejich vyzdívek pred odpichem. Pro rízení tepelne akumulacních pochodu ve vyzdívce pánví a poskytování informací o aktuálním tepelném stavu vyzdívek jsou využívány 2 dílcí technologické modely automatizovaného systému rízení ocelárny. Tento príspevek využívá výsledku rešení výzkumného úkolu Optimalizace tepelné práce licí pánve v nových technologických podmínkách ocelárny, který byl rešen na VŠB TU Ostrava [1]. Úkol byl soucástí rešení grantového projektu programu KONSORCIUM Výzkum, vývoj a aplikace nových technologií v oblasti tekuté fáze ocelárského prumyslu, evidencní císlo projektu FD K/035 zr. 2002. Výsledky rešení tohoto úkolu jsou rovnež zahrnuty ve zpráve Specifikace výpocetních konstant pro obeh pánví urcených pro ZPO2 a ZPO3 [2]. Výzkum navazoval na predcházející provozní experimenty vykonané v dobe, kdy v ocelárne bylo pouze jedno zarízení pro plynulé odlévání oceli [3, 4]. 2 PREDEHREV VYZDÍVEK LICÍCH PÁNVÍ Pro sledování tepelne akumulacních pochodu ve vyzdívce licí pánve bylo v rámci rešení výzkumného úkolu [1, 2] provedeno v provozních podmínkách ocelárny rozsáhlé merení zmen teplotního pole vyzdívky pánve. Provozní merení zahrnovalo celý cyklus obehu licí pánve od ohrevu nové vyzdívky a navazující technologický úsek odpich tavby sekundární zpracování oceli v pánvové peci odlévání na ZPO, a to celkem pro 15 taveb. Príklad namerených prubehu teplot vyzdívky u 7 z techto taveb je vcetne dalších údaju o provozním experimentu uveden v príspevku [5]. Tabulka 1 Entalpie vyzdívky steny licí pánve (MJ. m -2 ) Table 1 Enthalpy of ladle wall lining (MJ. m -2 ) Entalpie vyzdívky v dobe 1. tavba MIN MAX zacátek ohrevu vyzdívky konec ohrevu vyzdívky odpich tavby do pánve konec zpracování v pánvové peci polovina doby lití na ZPO konec lití na ZPO 461 492 467 643 675 654 577 532 513 646 680 670 638 609 654 722 735 709 Prehled o zmenách entalpie vyzdívky steny licí pánve je uveden v tabulce 1, a to samostatne pro 1. tavbu po vyzdení pánve a rozmezí hodnot pro 2. až 15. tavbu. Pro porovnání údaju o entalpii vyzdívky je možno uvést, že pri dlouhodobém ohrevu vyzdívky a dosažení casove ustáleného tepelného stavu je pri ohrevu na 1000 C entalpie 492 MJ. m -2. Po odpichu tavby do licí pánve, v prubehu dalšího zpracování oceli v pánvové peci a pri odlévání na ZPO se v dusledku odvodu tepla z tekuté oceli do vyzdívky akumuluje ve vyzdívce znacné množství tepla. U všech sledovaných taveb byla entalpie vyzdívky na konci lití nad hodnotou 650 MJ. m -2, v závislosti na technologii zpracování v pánvové peci a odlévání na ZPO dosáhla maxima 709 MJ. m -2. Po ukoncení lití z pánve na ZPO dochází v dusledku tepelných ztrát do okolního prostredí k poklesu teploty vyzdívky a snižování entalpie vyzdívky. Pri dlouhé príprave pánve a cekání 2

na následující odpich je nutno do pracovního cyklu pánve zaradit predehrev vyzdívky pánve. Predehrev vyzdívky pánve byl v prubehu provozního experimentu použit témer u všech taveb. Teplota predehrevu byla nastavena na hodnotu 1000 C. Vzhledem k tomu, že entalpie vyzdívky na zacátku predehrevu byla u všech taveb vyšší než uvedená hodnota entalpie pri dosažení casove ustáleného stavu pri teplote 1000 C, dochází pri predehrevu sice ke snižování entalpie vyzdívky, avšak pokles entalpie se znacne zpomaluje. Jako príklad k objasnení zmen teplotního pole pri predehrevu vyzdívky s vysokou pocátecní entalpií je na obr. 1 uveden namerený prubeh teplot vyzdívky v casovém úseku od konce lití 4. tavby do odpichu 5. tavby. Entalpie vyzdívky na konci lití 4. tavby byla 679 MJ. m -2, na zacátku predehrevu 618 MJ. m -2 a v prubehu predehrevu poklesla na 534 MJ. m -2. V tomto prípade se jednalo o mimorádne dlouhý ohrev (5, 7 h). Po zacátku predehrevu došlo k nárustu teploty povrchu na zadanou teplotu ohrevu a výdrž na této teplote. Teplota po prurezu vyzdívky se postupne snižovala a teplotní pole se približovalo casove ustálenému stavu. Prakticky u všech ostatních predehrevu vyzdívky, které trvaly od 0,1 h do 3,1 h (prumerná doba ohrevu byla 1,15 h), se entalpie vyzdívky udržela nad hodnotou 550 MJ. m -2. Pri rychlém obratu pánve a krátké dobe ohrevu, napríklad pred tretí tavbou, bylo dosaženo maximální entalpie po predehrevu 609 MJ. m -2. Rychlost obratu pánve však závisí na aktuální provozní situaci v ocelárne. 3 REŠENÍ TEPELNÉ PRÁCE VYZDÍVKY V ASR OCELÁRNY Vzhledem k tomu, že tepelné pochody ve vyzdívce pánve v celém jejím pracovním cyklu ovlivnují zmenu teploty oceli v pánvi v dobe od odpichu do konce odlévání na ZPO, jsou v automatizovaném systému rízení ocelárny zacleneny 2 dílcí technologické modely zamerené na rešení tepelné práce vyzdívky licích pánví. Algoritmy techto dílcích modelu byly navrženy na katedre tepelné techniky ústavu prumyslové keramiky FMMI VŠB TU Ostrava. 1. Model tepelného stavu vyzdívky licí pánve Zmeny entalpie vyzdívky licích pánví vprubehu jejich cyklování v ocelárne jsou rešeny modelem tepelného stavu vyzdívky [2]. Pracovní cyklus pánve predehrev odpich zpracování v pánvové peci odlévání na ZPO je rozdelen na vetší pocet dílcích úseku podle charakteru provádených technologických operací vcetne transportu licí pánve. Pro tyto dílcí úseky jsou vypracovány algoritmy rešení zmeny entalpie vyzdívky. Konstanty použité v algoritmech byly pro konstrukci vyzdívky navrženou pro nové provozní podmínky ocelárny viz príspevek [5] odvozeny z výsledku provozního experimentu v ocelárne uvedených ve výzkumných zprávách [1, 2]. 2. Model zmeny teploty oceli v licí pánvi Zmena teploty tekuté oceli v licí pánvi ve výrobním úseku odpich zpracování oceli v pánvové peci odlévání na ZPO je rešena druhým dílcím technologickým modelem. Zmena teploty oceli v pánvi se stanoví z tepelné bilance tekuté oceli v pánvi pro konkrétní technologické podmínky zpracování a odlévání oceli [3, 4]. Jednou z hlavních položek tepelné bilance jsou tepelné ztráty vyzdívkou licí pánve. Rozhodujícím parametrem, na kterém závisí tepelné ztráty vyzdívkou, je tepelný stav vyzdívky v dobe odpichu tavby. Model zmeny teploty oceli v pánvi využívá hodnot entalpie vyzdívky I 0 stanovené 1. modelem. Konstanty použité v algoritmech 2. modelem byly rovnež odvozeny z výsledku provozního experimentu [1, 2]. 3

Císlo tavby : 1500 5 1000 1400 950 1300 900 Teplota ( C) 1200 1100 1000 900 800 700 850 800 750 700 650 600 Entalpie (MJ.m-2) 1 ts[20] 2 ts[40] 3 ts[60] 4 ts[80] 5 ts[152] 6 ts[254] 7 Entalpie Entalpie Io 600 550 500 500 400 450 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Cas od odpichu 1. tavby (h) Obr. 1: Prubeh teplot a entalpie vyzdívky steny pánve. Casový úsek: konec lití 4. tavby až 5. tavba Figure 1: Temperature and enthalpy of ladle wall lining in the course of time. Time period: from the end of casting of the 4. heat to the tap of the 5. heat 1.3 2.6 Rychlost zmeny teploty oceli RZT2,RZT5 až RZT8 (K.min -1 ) 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 2. úsek:k.toku...10.min 5. úsek:10.min...lf 6. úsek:zpracování v LF 7. úsek:lf...zpo 8. úsek:odlévání ZPO 1. úsek:odpich...k.toku 2.4 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 Rychlost zmeny teploty oceli RZT1 (K.min -1 ) 0 0 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 Entalpie steny pri odpichu tavby (MJ.m -2 ) Obr. 2: Rychlost zmeny teploty oceli RZT souhrn pro úseky: 1., 2., 5. Až 8. Figure 2: Speed of steel temperature change (RZT) summary for time periods: 1., 2., 5. to 8. 5

Tepelné ztráty tekuté oceli odvodem tepla vyzdívkou licí pánve je možno charakterizovat rychlostí zmeny (poklesu) teploty oceli. Príklad vlivu pocátecní entalpie vyzdívky I 0 pri odpichu tavby na rychlost zmeny teploty oceli RZT zpusobné tepelnými ztrátami vyzdívkou je uveden na obr. 2. Technologický úsek od odpichu do konce lití je rozdelen na dílcí úseky, na obr. 2 je rychlost zmeny teploty oceli RZT uvedena pro každý úsek samostatne. Úseky jsou oznaceny v legende obrázku. S narustajícím casem od odpichu do konce lití se postupne v jednotlivých úsecích snižuje rychlost poklesu teploty oceli RZT a soucasne klesá vliv pocátecní entalpie vyzdívky I 0. S rostoucí hodnotou pocátecní entalpie vyzdívky I 0 klesají ve všech úsecích tepelné ztráty vyzdívkou a snižuje se rychlost zmeny teploty oceli RZT. Tyto výsledky potvrzují požadavek na udržení vysoké hodnoty tepla akumulovaného ve vyzdívce pánve až do odpichu následující tavby. 4 OPTIMALIZACE TEPELNÉ PRÁCE LICÍ PÁNVE Odvození souboru konstant pro 2 dílcí technologické modely ASR ocelárny, model zmeny entalpie vyzdívky pánve a model zmeny teploty oceli vpánvi, respektive jeho cást model tepelných ztrát vyzdívkou pánve, a jejich zaclenení do databáze rídícího systému ocelárny poskytuje možnost získání presnejších informací a predikce tepelného stavu vyzdívek pánví, stanovení nároku na výši odpichových teplot tandemových pecí a potrebného ohrevu oceli v pánvových pecích a je prostredkem pro optimalizaci tepelné práce licích pánví v nových provozních a technologických podmínkách ocelárny. Z optimalizace tepelné práce vyzdívky licí pánve rešené s ohledem na snížení tepelných ztrát vyzdívkou licí pánve vyplynuly nekteré požadavky týkající se pracovního cyklu licích pánví [1,2]. Tyto požadavky byly potvrzeny i výsledky získanými pri provozním experimentu. Je možno je shrnout do nekolika bodu:?? pro dosažení co nejvyšší hodnoty entalpie vyzdívky pri odpichu a tím i co nejnižších tepelných ztrát vyzdívkou, resp. co nejnižší rychlosti ochlazování tekuté oceli, je nutno použít pánev k dalšímu odpichu v co nejkratší dobe po ukoncení lití predcházející tavby. U dvou ze sledovaných taveb byla pánev použita bez predehrevu v relativne krátké dobe (27 a 59 min po ukoncení lití) k dalšímu odpichu. V techto 2 prípadech se dosáhlo maximálních hodnot entalpie pri odpichu (654 a 644 MJ. m -2 ) a tím i nejnižších tepelných ztrát vyzdívkou.?? pro udržení vysoké entalpie vyzdívky je nutno i predehrev vyzdívek zahájit co nejdríve po ukoncení lití. Pri predehrevu se výrazne zpomaluje pokles entalpie vyzdívky.?? predehrev je nutno ukoncit co nejpozdeji a tím zkrátit dobu chladnutí pred odpichem tavby. V této dobe je rychlost ochlazování vyzdívky vysoká z duvodu vysoké teploty povrchu vyzdívky po predehrevu. K optimalizaci tepelné práce licí pánve je nutno poznamenat, že pri dalším rešení problematiky bude do dílcích modelu ASR zahrnut i vliv opotrebení vyzdívek pánví. K rešení bude mimo jiné využito i metodik shrnutých napríklad v lit. [6, 7]. 5 ZÁVER Cílem optimalizace tepelné práce vyzdívky licí pánve v nových provozních a technologických podmínkách ocelárny bylo v co nejvyšší míre využít tepla akumulovaného ve vyzdívce pánve v dobe od odpichu do konce odlévání taveb. Pri dlouhých dobách setrvání tekuté oceli v pánvi dosahuje akumulované teplo vysokých hodnot. V této provozní situaci se mení i úcinek predehrátí vyzdívek pred následující tavbou, kdy pri predehrevu ve vetšine prípadu nedochází ke zvýšení entalpie vyzdívky, ale ke znacnému zpomalení chladnutí 7

vyzdívky. I presto dosahuje entalpie vyzdívky po ohrevu vyšších hodnot, než pri dosažení casove ustáleného stavu pri ohrevu na danou teplotu. Prostredkem pro optimalizaci tepelné práce vyzdívky licí pánve byly 2 dílcí technologické modely ASR ocelárny, jejichž konstanty byly pro nové provozní podmínky ocelárny odvozeny z výsledku provozního experimentu. LITERATURA [1] 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 HUT. Výzkumná zpráva VŠB-TU Ostrava, 2003. [2] TVARDEK, P., HAŠEK, P. Záverecná zpráva výzkumného úkolu Specifikace výpocetních konstant pro obeh pánví urcených pro ZPO2 a ZPO3. Ostrava: ISPAT NOVÁ HUT, a.s., 2003. [3] HAŠEK, P. aj. Provozní zkouška dolomitové vyzdívky licí pánve urcené pro tavby zpracovávané v pánvové peci a odlévané na ZPO. Výzkumná zpráva VŠB-TU Ostrava, 1995. [4] HAŠEK, P. aj. Licí pánev s vyzdívkou z korundo - spinelového samotekoucího betonu ANKOFLO-V002 fy.veitsch-radex provozní zkouška v ocelárne NOVÉ HUTI, a.s. v Ostrave. Výzkumná zpráva VŠB-TU Ostrava, 1997. [5] HAŠEK, P. aj. Provozní výzkum pánve v nových technologických podmínkách ocelárny. In Sborník prednášek 13. Mezinárodní konference metalurgie a materiálu METAL 2004. Ostrava: Tanger. [6] SZÜCS, I., PALOTÁS, Á. B., HEGMAN, N.,MIKÓ, J., ZUBÁCS, R. Method for the Determination of dangerously thinned Areas of a Steel Plant Mixer Furnace Lining. In Proceedings 10 th International Metallurgical and Materials Conference METAL 2001. Ostrava: Tanger, Paper No. 114, 8 p., ISBN 80-85988-56-9, [CD-ROM]. [7] SZEMMELVEISZ, K., SZÜCS, I., MIKÓ, J. Reduction of the Investment and Operational Costs at the Continously Working Furnaces by Optimalization of their Wall Structure. In Proceedings II. Industrial Furnaces and Refractory Materials. Košice: Hutnícka fakulta TU, 2002, s. 50-55. ISBN 80-968743-0-6, EAN 9788096874309. 8