Figur 2. Flödet i en kontinuerligt gjuten sträng utan FC Mold (till vänster) och med FC Mold (till höger).

Transkript

1 Hastighetsbegränsning i stränggjutningen? Online-reglering av elektromagnetisk broms för snabbare gjutning av konventionella slabs När marknadskrafterna tvingar stålproducenterna att samtidigt höja produktiviteten och förbättra kvaliteten måste stränggjutmaskinerna köras i allt högre hastigheter samtidigt som mängden icke-metalliska inneslutningar, som slagg eller gasblåsor, skall reduceras. Men här stöter man på problem: ju snabbare gjutmaskinerna körs, desto fler inneslutningar kommer slutprodukten att innehålla. Den elektromagnetiska bromsen (EMBR) togs fram för att lösa detta och liknande problem. För att ytterligare förhöja effekten av EMBR introduceras nu ett nytt on-line reglersystem med beteckningen EM Control (för Electro-Magnetic Control). Genom att i varje ögonblick optimera flödet i kokillen övervinner man de svårigheter som kan uppstå när gjutbetingelserna förändras. Av PETER M. LÖFGREN, STEN KOLLBERG, ABB När man tillverkar kvalitetsstål är det inte bara kemin som måste vara den rätta. Lika viktigt är det att stålflödet i kokillen kan regleras. Orsaken till det är att stränggjutning, i synnerhet av tunn-slab men alltmer också av tjock-slab, sker vid hastigheter som lätt kan ge upphov till turbulens i kokillen. De problem som detta medför är välkända, och det var för att lösa dem som ABB och JFE (tidigare Kawasaki Steel Corporation) i Japan under det tidiga 1980-talet påbörjade sitt banbrytande arbete med den elektromagnetiska bromstekniken. Resultatet av samarbetet blev en elektromagnetisk broms (EMBR) med två statiska magnetiska fält för konventionell slabsgjutning. Denna teknik, där två bromsområden verkar på stålet som strömmar genom ett gjutrör med två öppningar, kom snart att ses som ett viktigt genombrott och EMBR-utrustningar såldes till flera ledande japanska stålföretag. I början av 1990-talet hade man genom fortsatt utvecklingsarbete tagit fram EMBR Ruler, en utformning där ett enda magnetfält verkar över hela kokillens bredd. Den huvudsakliga idén är här att allt stål som strömmar ut från gjutröret skall passera genom en zon där det utsätts för en bromskraft. EMBR-utrustning där denna konstruktion Bergsmannen Nr

2 Böjd menisk Virvlar Lugnare och hetare menisk Tunn gjutpulversfilm Järnkärnornas läge Figur 1. FC Mold-typen av EMBR. Reducerat penetrationsdjup används har senare levererats till flera stålverk, där den utnyttjas framför allt till gjutning av tunnslabs. Ungefär vid den här tiden samarbetade JFE och ABB också om utvecklingen av Flow Control Mold (FC Mold), figur 1. I denna konstruktion finns två lika starka statiska magnetfält, ett som reglerar metallhastigheten vid meniskens nivå och ett annat i den undre delen av kokillen för reglering (d v s minskning) av penetrationsdjupet för de stålstrålar som strömmar från gjutmaskinens gjutrör, figur 2. Metallurgiska resultat med FC Mold Samtidigt som det ställs allt högre fordringar på produktens kvalitet står stålverkens ledning inför ett dilemma: produktiviteten måste höjas. Visserligen får en lägre gjuthastighet normalt till följd att produktens kvalitet blir högre, men den medför också med nödvändighet att produktiviteten sänks. Som om inte detta skulle vara nog kan tillsättning av argongas (i syfte att reducera risken för igensättning av gjutröret) också bidra till att försämra produktens kvalitet. Med FC Mold söker man lösa dessa problem genom att reducera turbulensen i det smälta stålet och reglera metallens flödeshastighet vid menisken. Ett resultat av detta är minskad meniskfluktuation. Dessutom blir temperaturen vid menisken högre genom Figur 2. Flödet i en kontinuerligt gjuten sträng utan FC Mold (till vänster) och med FC Mold (till höger). den reducerade turbulensen och genom att det heta stålet från gjutröret (SEN) hamnar högre upp i strängen (ett resultat av att stålstrålarna inte penetrerar så djupt). När penetrationsdjupet sänks blir det möjligt att gjuta med högre hastighet och dessutom blir produkten renare då eventuella inneslutningar lättare kommer att flyta uppåt mot menisken, vilket redan har slagits fast. Lika viktigt är det att FC Mold effektivt eliminerar fluktuerande osymmetriskt flöde en annan väsentlig faktor när det gäller att göra produktens kvalitet jämnare och högre. Den mycket stabila meniskprofil som erhålls är ett logiskt resultat av det statiska magnetfältets främsta funktion, nämligen att dämpa de höga frekvenser som framkallar turbulens i det smälta stålet. Enbart denna funktion gör att FC Mold är överlägsen omrörare med rörligt magnetfält. Men det här är inte den enda nyheten. I Figur 3. Jämförelse mellan yt- (a) och inre (b) defekter för varmvalsade hasplade band vid ökande produktion, med och utan FC Mold (källa: JFE). DI=Defektindex, CV=Gjuthastighet 22 Inneslutningar Figur 3 visas vad som kan hända när tillverkningstakten överskrider en viss gräns. Utan FC Mold ökar både de ytliga och de interna defekterna avsevärt vid höga gjuthastigheter, vilket starkt försämrar slutproduktens kvalitet. Med FC Mold blir det möjligt för produktionsledare att öka produktionen utan att behöva kompromissa med kvaliteten. I ett alternativ kan slutproduktens kvalitet höjas dramatiskt samtidigt som produktionen hålls kvar på samma nivå. Metallurgiska tester från Japan på gjutmaskiner med rak kokill (s k vertical bendning) Hastighetslås Stränggjutning är en komplex process och skadliga icke-metalliska inneslutningar, som slagg och gasblåsor, kan lätt fångas i den smälta metallen. Risken för inneslutningar ökar när gjuthastigheten stiger eftersom strålen av smält stål tränger djupt ner i kokillen och drar med sig gjutpulver och andra orenheter. Förekomsten av sådana orenheter i den stelnade metallen har en allvarligt försämrande effekt på stålets kvalitet. I den elektromagnetiska bromsen (EMBR), som har utvecklats och patentskyddats av ABB, används ett statiskt magnetfält för att reglera flödet av het metall i kokillen. Genom att optimal hastighet och temperatur säkerställs för det smälta stålet över hela strängens bredd blir det med EMBR möjligt att höja gjuthastigheten utan att strängens kvalitet blir lägre. Bergsmannen Nr 4 04

3 Figur 4. Optimala flödesbetingelser i en slabskokill. samt med krökt kokill har bekräftat att FC Mold i båda fallen reducerar inneslutningar av gjutpulver och ökar flotationen av ickemetalliska inneslutningar. Behov av bättre kontroll Även om dagens bromsteknik med ett magnetfält som ställs in enbart vid starten och när större förändringar görs av gjutparametrarna har stor användbarhet, insåg man att den skulle bli ännu bättre med online-reglering. Processexperter och forskare från ABB bildade därför en grupp med uppdrag att ta fram ett förfarande för beräkning av stålets kvalitet och reglering av EMBR. Målet var att optimera stålflödet i kokillen genom reglering av bromsens magnetfält on-line. En ny version av FC Mold, med oberoende reglering av de övre och nedre magnetfälten, används för att erhålla den kapacitet som krävs också för låghastighetsgjutning. I denna nya version optimeras strömningsmönstret genom att meniskens strömningshastighet regleras (huvudsakligen med det övre fältet) och penetreringen nedåt i strängen minimeras (huvudsakligen genom reglering av det nedre fältet), figur 4. Icke-metalliska inneslutningar, som kommer in tillsammans med det smälta stålet, flyter uppåt mot menisken, där inneslutningar av gjutpulver praktiskt taget har eliminerats genom reglering av turbulensen och strömningshastigheten. Resultatet blir att slutprodukten kommer att innehålla mycket färre inneslutningar. Först var man emellertid tvungen att lösa flera sinsemellan sammanhängande problem. Exempelvis måste det övre fältet regleras för att den optimala meniskhastigheten skall nås, medan det nedre fältet (normalt) måste hållas starkt för minimering av penetreringsdjupet. Vidare måste meniskhastigheten hållas vid ett optimalt värde under variationer i tillförseln av argongas, förändringar i gjuthastigheten och slab-bredden. Hänsyn måste också tas till de naturliga processvariationer som ger upphov till osymmetriskt flöde och sänkt kvalitet, som t ex igensättning, erosion av gjutröret och osymmetriskt inflöde på grund av skivventilen. Mot bakgrund av dessa överväganden påbörjade ABB utvecklingen av ett online-kontrollsystem med återkopplad reglerkrets. EM Control är resultatet av detta arbete. EM Control Ingen mätanordning som idag finns på marknaden kan tillförlitligt och direkt mäta metallhastigheten vid menisken, där temperaturen är nära 1600 C, i synnerhet inte i närvaro av ett starkt magnetfält. Denna hastighet måste därför mätas indirekt. För närvarande förefaller den bästa lösningen vara att använda två elektromagnetiska nivåsensorer (MLC) för mätning av meniskhöjden, SLAGGBILDARE Komplett produktprogram för stålindustrin från våra kalkverk i Boda, Oxelösund, Rättvik, Mo i Rana och Tornio SMA Svenska Mineral AB sma@svenska-mineral.se Bergsmannen Nr

4 Figur 5. Meniskhastighet kontra höjdskillnad. MLC = Nivågivare, Röd = Högre hastighet, Blå = Lägre hastighet. Figur 6. Efter optimering skickas parameterinställningarna till EM Control-regulatorn. figur 5. Datorsimuleringar av flödet visar att meniskens flödeshastighet kan beräknas noggrant genom mätning av meniskhöjdskillnaden baserat på avläsningar från dessa två sensorer. Nästa steg är svårare: hur kan höjdskillnadssignalen användas för att reglera de elektriska strömmarna till FC Mold, och därmed de båda magnetfälten, så att meniskflödeshastigheten blir den som eftersträvas? För detta krävs både ett datorprogram för magnetfältsberäkningarna och ett fluidflödessimulerande program. ABB har utvecklat EM Tool för simulering av flödet som själva nyckeldelen i paketet. Bland de många funktionerna används de som anges nedan för att beskriva det smälta stålets flödessärdrag och hur slagg och inneslutningar rör sig i kokillen: 3-dimensionell beräkning av de båda magnetfälten 3-dimensionell Magneto Hydro Dynamics-modellering Transient simulering med full Reynolds stress modeling (RSM) av turbulens Två-fasmodellering (stål plus gas) Transient partikelspårning (för reglering av inneslutningar) För att minimera riskerna under i drifttagning och inledande försök implementeras de parametrar som beräknats av EM Control i gjutprocessen först när resultaten verkar lovande, figur 6. Det är dessutom möjligt att till en början använda EM Control i en rådgivande mod. När användaren börjar känna sig säkrare kan nivån för den automatiska regleringen höjas i små steg tills den helt automatiska moden har nåtts. En gjutsekvens med en vertical-bending gjutmaskin simulerades för att illustrera EM Tools möjligheter. För denna simulering användes följande gjutparametrar: strängdimensioner 230 x 1300 mm; gjuthastighet 1,5 m/min; 10 l Argongas/min; gjutrör med 2 öppningar. Vid olika tidpunkter initierades förändringar/störningar i syfte att variera den uppmätta meniskhastigheten (våghöjdskillnaden); det reglerade magnetfältet i FC Mold varierades och meniskhastigheten svängde åter till börvärdet. De fyra kurvorna i Figur 7 visar meniskens flödeshastighet med EM Control (blå linje, a), det optimala fallet med konstant FC Mold magnetfält (grön, b), flödeshastigheten när EMBR inte används (röd linje, c) och meniskhastighetsbörvärdet (gul, d). Samma gjutsekvens, med samma ändringar, visas också med foton som tagits från en videoinspelning av en EM Tool-simulering av gjutprocessen, figur 8. Dessa bilder visar flödeshastigheterna i mitten av strängen i tre olika fall: FC Mold med fast optimal magnetfältsstyrka; FC Mold med EM Control samt utan FC Mold. Det framgår att FC Mold faktiskt höjer flödeshastigheten vid menisken jämfört med fallet utan broms. Det beror på att FC Mold styr strålens flöde från gjutröret mot slabbens smalsidor och bromsar hårt med det övre fältet först om meniskens flödeshastighet blir större än börvärdet. FC Mold: funktion och utrustning De huvudsakliga elektriska komponenterna i den nya versionen av FC Mold är en krafttransformator, två tyristorlikriktare för oberoende reglering av de övre och nedre fälten, ett apparatskåp, FC Mold-spolen och en kylvattenstation. FC Mold fungerar genom att två statiska magnetfält appliceras över kokillen, i rät vinkel till gjutriktningen. Stålflödet framkallar spänningar och därmed elektriska strömmar i smältan och dessa bildar, tillsammans med de statiska fälten, en kraft som verkar i motsatt riktning till stålflödet. Ju högre gjuthastigheten är, desto snabbare strömmar det smälta stålet och desto starkare är bromskraften. Uppgiften för FC Mold-spolen är att omvandla likströmmarna från tyristoromvandlarna till statiska magnetfält. Den är indelad i fyra delspolar (två på varje sida av kokillen), och genom var och en av dessa passerar en järnkärna. Spolsektionerna och de ba- kre magnetoken bildar tillsammans en magnetisk krets med två 200 till 400 mm långa mellanrum över kokillen. Magnetfältet i mellanrummen täcker så gott som hela kokillens bredd. Delspolarna är inneslutna i höljen av omagnetiskt austenitiskt rostfritt stål och är vanligen särskilt utformade för varje enskild kokill. Inne i delspolarna är de elektriska lindningarna (ihåliga kopparsektioner) kopplade i serie och kyls av avjoniserat vatten från det slutna kylvattensystemet. 24 Bergsmannen Nr 4 04

5 Diagrammet längst ner till vänster i Figur 8 visar magnetfältets styrka (bromskraft) och meniskhastigheten för de tre fallen. Med användning av EM Tool kan en beräkning göras av vilka inneslutningar som kommer att flyta upp och försvinna i gjutpulvret och vilka som kommer att fångas i stelningsfronten och därmed försämra kvaliteten. Längst ner till höger visas beräknade kvalitetsindex: ett sliverindex (inneslutningar) och ett blisterindex (inneslutningar plus argongas). Ju mer symmetriskt det i grunden tidsvarierande osymmetriska kokillflödet är, desto bättre kommer resultatet att bli. FC Mold bromsar hårdare vid högre flödeshastigheter, vilket tenderar att jämna ut meniskens hastighetsskillnader i kokillen. EM Control åstadkommer en ytterligare förhöjning av denna redan positiva effekt. Observera att de inneslutningar som simulerats endast är de som kommer med stålet, då det idag saknas en bra modell för simulering av gjutpulverinneslutningar. Dessa står normalt för merparten av alla inneslutningar. Emellertid, med EM Control och den optimerade hastigheten vid menisken kommer, enligt resultat från tunnslabs, i stort sett inga gjutpulverinneslutningar att finnas och det simulerade resultatet är därmed korrekt. Utan FC Mold kommer gjutpulverinneslutningarna att vara i majoritet och blister- och sliverindexen skall därmed vara minst dubbelt så stora som de simulerade värdena. Fallet med FC Mold men utan EM Control kommer att ligga där emellan, men klart närmare resultatet med EM Control. Resultatet av betydande forskning EM Control är resultatet av betydande forskning som har omfattat tusentals timmar simuleringar av olika gjutbetingelser och löser mångåriga problem inom en industri som i stor utsträckning styrs av traditionellt tänkande. Denna spjutspetsprodukt utbjuds av ABB som en konsulttjänst och den har därmed avsevärd marknadspotential. EM Control förväntas vara klar att lanseras på marknaden under slutet av år Figur 7. Resultat från en simulering av en gjutsekvens med vertical-bending gjutmaskin, genomförd för att illustrera effekten av EM Tool. a) Flödeshastighet med aktiv EM Control. b) Flödeshastighet med optimal konstant fältstyrka. c) Flödeshastighet utan EMBR. d) Hastighetsbörvärde för meniskhastighet. Figur 8. Förändringar av flödeshastighet i kokillens centrum, magnetfältstyrka och meniskhastighet (från videoinspelning). INDUSTRISLANGAR Vi har industrislang för alla ändamål VALLENTUNA tel fax rubber@rubberco.se UMEÅ tel fax rubber.umea@rubberco.se VÄXJÖ tel fax rubber.vaxjo@rubberco.se SUNDSVALL tel fax rubber.sundsvall@rubberco.se TRANSMISSIONSKOMPONENTER Vi har lösningen på alla transmissionsproblem Bergsmannen Nr