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 4 –04
21
Tunn gjutpulversfilm
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
Lugnare
och hetare
menisk
Järnkärnornas
läge
Reducerat
penetrationsdjup
Figur 1. FC Mold-typen av EMBR.
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.
Böjd
menisk Virvlar
Figur 2. Flödet i en kontinuerligt gjuten sträng utan
FC Mold (till vänster) och
med FC Mold (till höger).
Inneslutningar
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
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
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.
Bergsmannen Nr 4 –04
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
0590-164 00
[email protected]
www.svenska-mineral.se
23
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.
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.
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.
24
Bergsmannen Nr 4 –04
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.
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.
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 2004.
Figur 8. Förändringar av flödeshastighet i kokillens centrum, magnetfältstyrka och
meniskhastighet (från videoinspelning).
R
GA
N
A
ISL
TR
S
DU
IN
VALLENTUNA
tel 08-514 305 70 fax 08-514 305 99
[email protected]
UMEÅ
tel 090-71 55 80 fax 090-71 55 90
[email protected]
VÄXJÖ
tel 0470-70 72 50 fax 0470-70 72 60
[email protected]
ER
NT
E
N
PO
M
KO
NS
O
I
SS
MI
S
AN
TR
SUNDSVALL
tel 060-64 63 90 fax 060-61 84 40
[email protected]
Vi har industrislang
för ”alla” ändamål
Bergsmannen Nr 4 –04
www.rubberco.se
25
Vi har lösningen på ”alla”
transmissionsproblem
