UDK 621.771:669.041 ISSN 1580-2949 Izvirni znanstveni članek MTAEC 9, 36(1-2)33(2002) MERILNI PRISTOP ZA OPTIMIZACIJO OGREVANJA JEKEL V KONTINUIRNI PEČI MEASURING APPROACH FOR OPTIMISATION OF STEEL REHEATING IN CONTINUOUS FURNACE Branislav Glogovac1, Anton Jaklic1, Matjaž Torkar1, Tomaž Kolenko2, Ivan Koncan3, Boris Kumer3, Tomaž Marolt3 1 Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, 1000 Ljubljana, Slovenija 2 NTF, Aškerčeva 12, 1000 Ljubljana, Slovenija 3 Inexa Štore, Železarska 3, 3220 Štore, Slovenija branislav.glogovacŽimt.si Prejem rokopisa - received: 2001-11-20; sprejem za objavo - accepted for publication: 2001-12-13 Prikazani so rezultati meritev parametrov koračne peči za ogrevanje gredic. Po rekonstrukciji transporta gredic je valjarna lahko prešla iz režima ogrevanja s tremi pečmi na ogrevanje z eno samo. Za tako zahtevno nalogo je bilo treba posodobiti peč, v kateri se ogreva vložek za obe progi. Z dopolnjevanjem merilne regulacijske opreme in instalacijo računalniškega nadzora je bila izboljšana regulacija parametrov v posameznih conah peči pri normalnem obratovanju ter pri načrtovanih in nenačrtovanih zastojih valjanja. Vse kontrolne meritve pri preiskavi peči so bile izvajane brez motilnega vpliva na normalen potek obratovanja. Količino in oprijemljivost škaje smo analizirali z vzorci jekla, ki so potovali skupaj s gredico skozi peč. Tako je bilo mogoče optimirati razmernik zrak/plin v vsaki posamezni coni peči. Pri preiskavi smo uporabili visoko- in nizkotemperaturno kisikovo sondo ter analizatorje dimnega plina in mešanice zrak-plin. Meritve vsebnosti kisika in CO2 v dimnem plinu po conah peči so pokazale, da je bila pri minimalnem prebitku zraka v gorilnikih vsebnost kisika v vlažnem dimnem plinu od 1 do 2 %. Razmernik zraka v vseh conah peči smo nastavljali glede na rezultate analize dimnega plina. Pri tem je bilo pomembno, daje bil pritisk v izenačevalni coni nastavljen na vrednost 10 Pa. Pri tako nastavljenih razmerah v conah peči je bilo doseženo dobro odpadanje škaje. Odvisno od vrste jekla, temperaturnega profila in storilnosti peči so imele različne koncentracije kisika v peči močan vpliv na količino in lastnosti škaje. Ključne besede: gredice, ogrevanje, koračna peč, meritve, zgorevanje, škaja The results of measurements on a walking-beam furnace for billet reheating are presented. After reconstuction of the billet transport system it was possible to change the existing operating practise with three furnaces to operate with only one furnace. For this purpose it was necessary to improve the measurement and control system and to install a new monitoring system. The optimisation of the parameters in individual zones of the furnace during normal production and scheduled or unscheduled delays were possible. All control measurements on the furnace were made without any disturbing influence on the furnace is normal operation. Using steel probes, which were transported with the billets, the amount and properties of the scale were analysed. The high- and low-temperature oxygen sensor and fuel-gas analysers were used. With a minimal excess of combustion air on a burner the oxygen content in exhaust gases was between 1 and 2 %. With this air/fuel ratio within all furnace zones and pressure in soak zone 10 Pa the scale fall off very easily. Depending on the steel quality, operating temperatures and throughput rate, the differences in oxygen concentrations have a significant influence on the amount and properties of the scale. Key words: billets, reheating, walking-beam furnace, measurement, combustion, scale 1 UVOD Izgradnja transportnega sistema gredic od peči "OFU" na progo (|> 550 mm v Inexi Štore je omogočila obratovanje dveh valjarskih prog z eno ogrevno pečjo. Valjarna je takolahkoprešla iz režima ogrevanja vložka s tremi pečmi na ogrevanje z enosamopečjo. Dve stari koračni peči KP1 in KP2 sta sedaj ustavljeni. OFU-peč izmenično oskrbuje obe valjarski liniji. Za tako zahtevno nalogo je bilo treba to peč posodobiti. Pri projektu posodobitve peči so sodelovali: IMT, Univerza Ljubljana NTF, ATES, d. o. o., Slovenska Bistrica in INEXA Štore, d. o. o. V okviru RR-faze projekta, ki ga je sofinanciralo MŠZŠ, smo izvedli vrsto toplotno-tehničnih preiskav peči. Za ugotovitev dejanskega stanja peči je bilo treba izvajati kontrolne meritve parametrov peči brez motilnega vpliva na normalen potek obratovanja. Z dopolnjevanjem merilno-regulacijske opreme in instalacijo računalniškega nadzora sledenja materiala skozi peč in vseh merjenih veličin peči je bila izboljšana regulacija parametrov v posameznih conah pri normalnem obratovanju ter pri načrtovanih in nenačrtovanih zastojih valjanja. Za razvoj modela ogrevanja gredic3 je bilotreba izvajati vrsto dodatnih kontrolnih meritev parametrov peči. V prvi fazi raziskave smoz matematičnim modelom in meritvami temperature na površini ugotavljali potek ohlajanja gredic med transportom od OFU-peči do prvega ogrodja4. V ta namen smo uporabljali optične pirometre in termovizijsko kamero. Pri kontroli poteka ogrevanja v peči smo uporabljali metodo merjenja temperature z oplaščenimi vlečnimi termoelementi. Pred vsakomeritvijoje bilopotrebnoizvesti umerjanje vlečnih termoelementov v laboratoriju. V tem prispevku MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 33 B. GLOGOVAC ET AL.: MERILNI PRISTOP ZA OPTIMIZACIJO OGREVANJA JEKEL V KONTINUIRNI PEČI 1300 t---------------------------------------------------------------------------------- 1200--------------------------------------------------------. Č==---------- 1100-----------------------------------------------i-------------------- 1000----------------------------------r------------L---------------------- 900-------------------------------i------------------------------------ 800-------------------.. J------------------------------------- 700-------------------i------------------------------------------------- 600----------JČ-— '--------------------------------------------------- 500--------i------------------------------------------------------------ 400 -------*---1--------1-------------------------1--------1-------- 0 100 200 300 400 500 600 700 Čas (min) ČNormala (typ B) —T1 (typ K) T2 (typ K) T3 (typK) Slika 1: Umerjanje vlečnih termoelementov Figure 1: Calibration of trailing termocouples bomo obravnavali postopek kontrole zgorevanja v posameznih conah peči. Količino in oprijemljivost škaje smo analizirali z vzorci jekla, ki so potovali skupaj z gredico skozi peč. Tako je bilo mogoče optimirati razmernik zrak/plin v vsaki posamezni coni peči. Pri preiskavi smo uporabili visoko- in nizkotemperaturno kisikovo sondo, analizatorje dimnih plinov in analizator sestave mešanice zrak-plin. 2 METODE DELA IN REZULTATI Za umerjanje vlečnih termoelementov pred izvajanjem meritev parametrov peči je bila uporabljena primerjalna metoda (slika 1). Maksimalna termperaturna razlika med preskusnimi termoelementi je bila 0,5 °C. Razlika temperatur med normalo in preskusnimi termoelementi je bila v celotnem temperaturnem območju med 4 in 7 °C. Na sliki 2 je prikazana konfiguracija prenosnih analizatorjev, priključenih na OFU-peč. V sklopu merilne opreme je bil tudi kontinuirni analizator Ultramat 23 (Siemens), s katerim smomerili sestavomešanice zemeljski plin/zrak. Slika 2: Prenosni merilni sistem za analizo plinov Figure 2: Portable measuring set-up for data acquisition 34 Slika 3: Stranska vrata peči in razmestitev gredic Figure 3: Side-wall door and billets arrangement Na sliki 3 je prikazan položaj gredic v peči. Število gredic v peči je bilo odvisno od njihovih dimenzij in pomika gibljivih gredi. Peč ima tri nepremične in dve gibljivi gredi. Zunanji fiksni gredi ležita na temelju, srednja, fiksna gred pa je oprta na jeklene stebre, ki so zasidrani v jarku temelja. Gibljivi gredi sta montirani v tekalnem okvirju. Mehanizem dvižnih gredi rabi za gibanje obeh dvižnih gredi navzgor in navzdol ter naprej in nazaj. Zaradi medsebojnega zaporedja posameznih gibanj se valjanec pomika skozi peč. Z dvižnimi gredmi se valjanec tudi postavi na izstopno valjčnico. 2.1 Meritve sestave mešanice zemeljski plin - zrak Uporabili smo inštrument SIEMENS-ULTRAMAT 23, ki lahkokontinuirnomeri sestavomešanice zemeljski plin - zrak. Popripravi merilnega mesta v skladu s predpisi omeritvah pri plinskih inštalacijah smoizvajali meritve pri dovodu mešanice za ogrevno cono, tako da je bil zagotovljen kontinuiren pretok plina. Tabela 1: Sestava mešanice zemeljski plin - zrak Table 1: Composition of gas-air mixture Komponenta Vol. % CnHm (meritev) 77,00 CO2 (meritev) 0,08 O2 (meritev) 4,78 CO (meritev) 0,00 N2 (izračun) 18,14 Skupaj 100,00 Pri izmerjeni sestavi mešanice zemeljski plin - zrak (Tabela 1) ni bilozaznati večjih nihanj sestave med meritvijo. Analizirali smosestavodimnih plinov po conah peči in z nastavitvami regulatorjev dosegli minimalno potrebni prebitek zraka v vseh conah peči. Vzporedno k sistemu računalniškega nadzora vseh meritev parametrov peči (slika 4) smopriključili prenosni sistem za avtomatsko zajemanje podatkov z namenom preverjanja uporabljenih vrednosti za vredno-MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 B. GLOGOVAC ET AL.: MERILNI PRISTOP ZA OPTIMIZACIJO OGREVANJA JEKEL V KONTINUIRNI PEČI Slika 4: Računalniški nadzor meritev parametrov peči in pomika gredic Figure 4: Monitoring of the measurements and billets movement tenje signalov merilnih senzorjev peči, ki se shranjujejo v datoteke vsako minuto. Za vzporedne kontrolne meritve smoizbrali krajši interval in sicer 1 sekundo. Tako je bilo mogoče anlizirati delovanje posameznih regulacijskih zank. Slike od 5 do 8 prikazujejoizbolj-šanoregulacijorazmernika zrak - plin poconah peči. V diagramih so z vertikalnimi črticami na časovni osi prikazani pomiki gredic v peči. Razmik med črticami 900 800 ------ZrakCI m3/h-------pomik gredic — PlinCI m3/h rtlfm%Č 700 T W"MW%ĎH .= 600 - ri "feu E 500 H w(L F ifLi N 400 300 TL Ti« 200 ™V 100 mu Hinili iiiiiiiiiiiiiiiiii i lunini un 0 10 20 30 40 50 Cas Š min ] Slika 5: Regulacija razmerja zraka in plina v predgrevni coni Figure 5: Control of air-gas ratio in preheating zone 2500 H* 2000 1500- Ŕ ffr % — Zrak C2 m3/h------Plin C2 m3/h —pomik gredic 500 0- Hill mum iiiiiiiiiiiiiiiiii i imunimi Cas Š min ] Slika 6: Regulacija razmerja zraka in plina v ogrevni coni Figure 6: Control of air-gas ratio in heating zone 2500 Zrak C3 m3/h — PlinC3m3/h —pomik gredic 2000 Ł Ł 1500 ! N 1000 -u ««4.x«««* cZtfiČČ ¦=ď:;;;!:îftČ 500 I mu u nun i ilium lili 450 400 300 — 250 E Cas Š min ] Slika 7: Regulacija razmerja zraka in plina v izenačevalni coni Figure 7: Control of air-gas ratio in soaking zone 9.00 8.00 — 02-IMT%-------pomik gredic — C02-NTF% 7.00- * 6.00- Ď I 5.00-4.00 3.00 2.00- Ww jwi/wywwWČČ /Ď 1.00- (ÜT lĚMĚml»r V\W$\ /v Cas Š min ] Slika 8: Rezultati meritev O2 in CO2 med normalnim obratovanjem in krajšim zastojem Figure 8: Results of O2 and CO2 measurement during normal operation and during delay pomeni časovni interval med pomiki. Večji razmik pomeni zastoj. Meritve vsebnosti kisika in CO2 v dimnem plinu po conah peči so pokazale, da je bila pri minimalnem prebitku zraka v gorilnikih vsebnost kisika v vlažnem dimnem plinu od 1 do 2 %. V vseh conah peči smo razmernik zraka nastavljali glede na rezultate analiz dimnega plina. Pri tem je bilo pomembno, da je bil tlak v Slika 9: Škaja pred optimizacijo (vzorec 1) Figure 9: Scale before optimization (speciment 1) MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 35 B. GLOGOVAC ET AL.: MERILNI PRISTOP ZA OPTIMIZACIJO OGREVANJA JEKEL V KONTINUIRNI PEČI Slika 10: Škaja po optimizaciji (vzorec 2) Figure 10: Scale after optimization (speciment 2) jul.98 feb.99 avg.99 mar.00 okt.00 apr.01 nov.01 Mesec in leto Slika 11: Storilnost in specifična poraba toplotne energije Figure 11: Furnace throughput and specific heat consumption izenačevalni coni reguliran na vrednost 10 Pa. Pri tako nastavljenih razmerah v conah peči je bilo doseženo dobro odpadanje škaje. Odvisno od vrste jekla, temperaturnega profila in storilnosti peči so imele različne koncentracije kisika po dolžini oziroma po conah peči močan vpliv na količino in lastnosti škaje. Na sliki 9 je prikazan vzorec jekla 16CD4, šarže z oznako 31537/8. Celotni prehodni čas vzorca skozi peč je bil 2 uri 25 min brez nadzora sestave dimnih plinov v posameznih conah peči. Ugotovljena je bila močna oprijemljivost škaje in slabo odpadanje med valjanjem. Na sliki 10 je prikazan vzorec iste vrste jekla, ki je skupaj z gredico potoval skozi peč po spremenjenih nastavitvah parametrov po conah peči. Celotni prehodni čas vzorca je bil enak kot pri prvem. Pri obeh vzorcih so bile temperature poconah peči enakonastavljene. Že iz posnetkov vzorcev na slikah 9 in 10 je vidna razlika oprejemljivosti škaje pri različnih nastavitvah peči. Na sliki 11 je prikazana skupna specifična poraba plina na tono zvaljanih gredic na obeh progah. Od meseca maja dalje je bil za celotno proizvodnjo na obeh progah material ogrevan samo v OFU-peči. Če izvzamemomesec avgust, koje bila peč v letnem remontu, je v zadnjih treh mesecih obratovala samo OFU-peč za obe progi, kar je prispevalo k bistveno nižji specifični porabi plina. Če upoštevamo mesece približno enake proizvodnje na obeh progah cca 8000 t izvaljanega materiala, je bila v primeru ogrevanja gredic v treh pečeh KP1, KP2 in OFU specifična poraba plina 80 m3/t. Pri enaki skupni proizvodnji na obeh progah je bila specifična poraba pri obratovanju samo OFU-peči 47 m3/t oziroma nižja za 33 m3/t ali 41%. 3 SKLEPI Z uporabo vzporednega merilnega sistema je bilo mogoče optimirati delovanje peči pri normalnem obratovanju in zastojih. Rezultati kažejo, da bi bilo smiselno dopolniti merilno opremo za kontinuirno analizo dimnih plinov v vseh conah peči. Z uporabo računalniškega nadzora peči in s posodobitvijo merilno regulacijskih zank so bili ustvarjeni pogoji za optimizacijo procesa ogrevanja glede na vrsto jekel in dimenzije vložka. Že v fazi trajanja RR-faze projekta je bilov valjarni doseženobistvenozmanjšanje specifične porabe toplote in emisije okolju škodljivih toplogrednih plinov. V nadaljevanju raziskave načrtujemo izvajanje meritev, potrebnih za validacijo modela ogrevanja gredic. 4 LITERATURA 1 Holman J.P.: Heat Transfer, Sixth Edition, McGraw-HillBook Company, New York,1986 2 Good Practice, Guide 77, Energy Efficiency Office: Continuous Steel Reheating Furnaces: Operation and Maintenance, Oxfordshire 4/1994 3 A. Jaklič, T. Kolenko, B. Glogovac: Simulation of billet reheating process in walking beam furnace. Metalurgija, 40 (2001), 23-27 4 A. Jaklič, B.Glogovac, T. Kolenko, B. Težak: A Simulation of heat transfer during billet transport, 7th, UK National conference on heat transfer, 11-12 September 2001 36 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2