LD-KG-konvertterin hallintaan käytettävät mittaukset

Transkriptio

1 LD-KG-konvertterin hallintaan käytettävät mittaukset Jari Ruuska Oulun Yliopisto, Säätötekniikan laboratorio, PL 4300, OULUN YLIOPISTO Puh , Seppo Ollila Rautaruukki Oyj, Ruukki Production, Raahe, Kauko Leiviskä Oulun Yliopisto, Säätötekniikan laboratorio, AVAINSANAT: LD-KG-konvertteri, mittaukset, dynaaminen säätö, teräksen valmistus TIIVISTELMÄ Teräksen valmistuksessa käytettävien konverttereiden ohjaus perustuu erilaisiin staattisiin ja dynaamisiin malleihin. Konvertteriprosessin mittauksia hyödynnetään happipuhalluksen loppupisteen ennustamiseen, mutta mittauksia ei hyödynnetä prosessiparametrien dynaamiseen säätöön puhalluksen aikana. Tärkeimmät parametrit ovat happipuhalluslanssin korkeus, puhallettavan hapen kokonaismäärä ja virtausnopeus sekä inertin pohjapuhalluskaasun virtausnopeus. Puhallusparametrit siis valitaan ennen puhallusta, eikä niitä normaalisti muuteta puhalluksen kulun aikana. Rautaruukki Oyj:n yrityshankkeessa, jonka osarahoittajana on TEKES, tehtiin tutkimustyötä Säätötekniikan laboratoriossa. Tavoitteena oli kehittää konvertterin puhalluksen ohjausta parantamalla nykyisten mittausten käytettävyyttä ja testaamalla uusia mittausmahdollisuuksia. Ohjausta kehittämällä voidaan pienentää puhallustulosten hajontaa ja parantaa raudan saantia puhalluksen aikaisten roiskeiden määrää vähentämällä. Tähän päästään säätämällä prosessia niin, että hiilen palamisnopeus hallitaan eikä siinä esiinny suuria, hetkellisiä vaihteluja. Projektin valmistuessa on määritetty säätöstrategia, jonka avulla voidaan dynaamisesti säätää puhallusparametreja puhalluksen aikana optimaaliseen tulokseen pääsemiseksi. Uusien, teräksen valmistuksen prosesseihin soveltuvien mittausten löytäminen on haasteellinen ja mielenkiintoinen tehtävä. Konvertterista on hankala mitata suoraan, joten usein joudutaan tyytymään epäsuorien mittausten tuottamiin tuloksiin. Projektin aikana hyviksi todennettavat mittaukset tullaan ottamaan käyttöön tehdasmittakaavassa Ruukin Raahen terästehtaalla. Tehtaalla on käytössä kolme teräksen valmistuskonvertteria. Vuosituotanto on noin 2.8 miljoonaa tonnia terästä. 1 JOHDANTO LD-KG-konvertterissa tapahtuva teräksenvalmistus on panosprosessi, jossa konvertteriin panostetaan sulaa raakarautaa (n. 80 % panoksesta) sekä teräsromua (n. 20 % panoksesta). Prosessin päätarkoitus on poistaa raakarautasulan sisältämä hiili puhaltamalla konvertteriin happea, jolloin hiilen palamisreaktio vapauttaa runsaasti lämpöä romun sulattamiseen ja sulan lämpötilan kohottamiseen. Raakarauta sisältää hiiltä n. 4.5 % ja tavoitehiilipitoisuus happipuhalluksen jälkeen on keskimäärin 0.05 %. Teräksen lämpötila nousee puhalluksen aikana raakaraudan noin 1300 C:sta raakateräksen lähes 1700 C lämpötilaan. Happipuhallus kestää n. 18 minuuttia, jonka jälkeen sulatus on valmis jatkokäsittelyjä varten. Teräksen valmistuksessa käytettävien konvertterien ohjaus perustuu yleensä erilaisiin staattisiin ja dynaamisiin malleihin. Staattisella panostusmallilla lasketaan panostusmateriaalit ja puhallettava happi siten, että tavoitelämpötila saavutetaan ilman lisäpuhallusta tai ylimääräistä jäähdytysainetta. Lämpötilatavoite lasketaan lämpötilan ohjausmallista, joka huomioi kaikki prosessivaiheet konvertterilta jatkuvavaluun. Mallit perustuvat täsmälliseen tietoon raaka-aineista ja ne toimivat parhaiten silloin kun peräkkäiset sulatukset toistetaan niin samanlaisina kuin mahdollista. Erityisesti romun määrä ja laatu on vaikea määritellä ja se vaikuttaa mallien käytettävyyteen. Muita virhelähteitä ovat mikserikuona ja erityyppiset pöly- ja roiskehäviöt.

2 Projektissa on kartoitettu kirjallisuusselvityksen /Tenkku/ avulla erilaisia, uusia mittauksia, joita voitaisiin soveltaa konvertteriympäristössä. Projektin aikana on testattu tehdasolosuhteissa kuva-analyysiin perustuvaa roiskeiden määrän mittausta. Konvertterista tapahtuva roiskuminen aiheuttaa merkittäviä rautahäviöitä, joiden vähentäminen olisi tärkeää. Roiskeiden pienelläkin vähentämisellä saavutetaan suuria, taloudellisia tuottoja terässaannin kasvaessa. Jatkossa on tarkoitus kartoittaa ne prosessiolosuhteet, jolloin tapahtuu voimakasta roiskumista, ja pyrkiä löytämään parhaat prosessin ohjausparametrit, jotta epäsuotuisiin prosessiolosuhteisiin ei ajauduttaisi. 2 PROSESSIKUVAUS, NYKYISET MITTAUKSET JA MITTAUSSELVITYS 2.1 LD-KG-konvertteriprosessi LD-KG konvertteri (Kuva 1.) on ns. yhdistelmäpuhalluskonvertteri, jossa sulaa terästä sekoitetaan inertillä kaasulla. Inertti kaasu (Ar tai N 2 ) syötetään sulaan monireikäsuutintiilien läpi konvertterin pohjasta. Sekoitusta käytetään alentamaan teräksen happitasoa hiilipitoisuuteen nähden happipuhalluksen loppuvaiheessa. Tämä lisää teräksen ja teräkseen lisättävien seosaineiden saantoa. Kuvasta 2 nähdään, miten sulan teräksen hiilipitoisuus ja lämpötila käyttäytyvät puhalluksen viimeisten minuuttien aikana. Kuva 1. LD konvertteriprosessi. LD-KG-konvertterissa on lisäksi pohjapuhallussuuttimet inertille kaasulle. Sulan teräksen lämpötila [C] Savukaasun lämpötila 400 Käännepiste 0, Puhalluksen 0 lopetuspiste 0 6:48:58 6:51:50 6:54:43 6:57:36 7:00:29 7:03:22 7:06:14 7:09:07 7:12:00 Kuva 2. Sulatuksen eteneminen. Sulan teräksen lämpötilamalli Pudotussondimittaus Hiilimalli 0,12 Tavoitelämpötila 0,1 0,08 0,06 Tavoitehiilipitoisuus 0,04 Hiilipitoisuus [%] 2.2 Nykyiset mittaukset LD-KG-konvertterista on melko vaikeaa saada suoria mittauksia vaativista olosuhteista johtuen. Joitakin mittauksia prosessista kuitenkin saadaan. Tässä mittausten listauksessa rajoitutaan Ruukin Raahen terästehtaalla käytössä oleviin mittauksiin, koska tutkimusprojekti suoritettiin ko. ympäristössä. LD-KG-konvertteri on mittausteknisesti haastava ympäristö, mutta sinne on edelleen mielekästä pyrkiä löytämään uusia, käyttökelpoisia mittauksia. Prosessin paremman hallittavuuden kannalta on tärkeää tietää prosessin kulusta mahdollisimman paljon.

3 Happilanssin puhalluskorkeus sovitetaan oikeaksi verrattuna konvertterissa olevaan sulapintaan. Happilanssin korkeudelle on ohjelmoitu erilaisia ohjelmia, joiden avulla konvertterissa tapahtuvaa hiilen palamista voidaan säädellä puhalluksen aikana. Yleensä happipuhallus aloitetaan korkeammalla lanssilla eli lanssi on kauempana sulan pinnasta. Tällöin muodostetaan konvertteriprosessille välttämätön kuonakerros lisäaineista ja raakaraudasta palavista aineista. Sulatuksen edetessä lanssia lasketaan alemmaksi ja hiilen palaminen tehostuu. Jotta happilanssin korkeutta terässulan pinnasta voidaan luotettavasti mitata, konvertterin tilavuus on tunnettava luotettavasti. Sulan pinta konvertterissa voi vaihdella jopa yhden metrin kolmessa kuukaudessa eli konvertterin yhden vuorauskampanjan aikana. Tätä varten lasermittaus suoritetaan säännöllisesti noin kolme kertaa vuorokaudessa. Lasermittauksella mitataan konvertterin vuorauksen paksuus joka puolelta ja tuloksena saadaan kolmiulotteinen kuva konvertterista, joka ilmaisee konvertterin sisätilavuuden. Täten pystytään laskemaan panospinta, jonka mukaan happilanssi voidaan säätää oikeaan korkeuteen. Äänimittauksen avulla voidaan arvioida kuonan muodostumisen onnistumista puhalluksen aikana. Äänimittaus perustuu äänen intensiteetin mittaamiseen konvertterin suuaukon lähelle sijoitetulla mikrofonilla. Äänen intensiteetti on kääntäen verrannollinen muodostuvan kuonan määrään ja puhallusäänikäyrä kertoo puhallusten eri vaiheiden kuonan olomuodosta. Mikrofonin sijoituspaikka on kuitenkin ongelmallinen, mikrofonin kestoikä on rajattu ja häiriöitä esiintyy usein, esim. lisäainekouru sijaitsee lähellä mikrofonia. Hyvin viritetyllä äänimittauksella voidaan ohjata lanssia dynaamisesti ja hallita kuona paremmin sekä parantaa puhalluksen toistettavuutta. Piombinon terästehtaalla Italiassa on ollut käytössä adaptiivinen ohjausmalli, joka perustuu äänimittaukseen. Äänimittauksen perusteella säädetään lanssin korkeutta, hapen virtausnopeutta ja/tai pohjapuhalluksen määrää /Bencini/. Lisäksi esimerkiksi Birk et al. ovat tutkineet vesimallin avulla äänimittauksen soveltuvuutta kuonan kuohumisen hallintaan /Birk 2001/. Ruukin Raahen terästehtaalla kaikilla kolmella konvertterilla on käytössä pudotussondijärjestelmät. Pudotussondi on toimintaperiaatteeltaan normaali termoelementtiin perustuva lämpötilan mittausmenetelmä. Pudotussondeilla voidaan mitata hetkellinen teräksen lämpötila puhalluksen aikana ja teräksen lämpötila ja happipitoisuus puhalluksen jälkeen. /Laine/ Lisäksi mm. konvertterin savukaasulämpötila mitataan jatkuvatoimisesti savukaasukanavasta ja sen avulla voidaan päätellä hiilen palamisnopeus. Yllä oleva listaus osoittaa, että Ruukin Raahen terästehtaalla on pyritty kehittämään mittaustekniikkaa pitkäjänteisesti ja edelleen mittauksien kehitykseen osoitetaan kehitysresursseja ja prosessin hallittavuutta ja ohjattavuutta pyritään parantamaan systemaattisesti. 2.3 Projektin mittausselvitys Konvertterin dynaamisen ohjauksen toteuttaminen vaatii myös mittauksilta hyvää luotettavuutta ja tarkkuutta. Projektissa tehdyssä kirjallisuusselvityksessä selvitetään joidenkin mittaustekniikoiden soveltuvuus LD-KGkonvertterin ohjaukseen. Mittauskohteina ovat savukaasut, sulan ja kuonan pinta, konvertterin ja lanssin värähtely sekä metallin roiskumisen havaitseminen kuva-analyysiä käyttäen. Savukaasumittauksista tarkastellaan lähemmin massaspektrometrin käyttöä. Savukaasun CO/CO 2 -suhteen avulla voidaan määrittää hiilen palamisnopeus koko puhalluksen ajan ja siten seurata prosessin kulkua. Raportissa on käsitelty myös röntgenfluoresenssiin perustuvaa XRF-menetelmää konvertterissa tapahtuvan pölyämisen mittaamiseksi. Pinnanmittausta käsittelevässä luvussa esitellään menetelmiä, jotka eivät ole fyysisessä kosketuksessa sulaan, ja jotka tarjoavat jatkuvan pinnanmittauksen lisäksi vielä lisäinformaatiota sulan ja kuonan kerrosten paksuuksista. Lopuksi tarkastellaan lyhyesti konvertterissa tapahtuvaa värähtelyä ja kuva-analyysin soveltamista metalliroiskeiden mittaamiseen. 3 ÄÄNIMITTAUS JA ROISKEMITTAUS 3.1 Äänimittaus Projektin alussa tutkittiin nykyisen äänimittauksen käyttömahdollisuuksia konvertterin ohjaukseen. Aluksi yhdessä tehtaan asiantuntijoiden kanssa havaittiin kaksi selkeää asiaa, jotka oli oikaistava. Taajuus, joka äänimittaukseen oli asetettu, oli virheellinen, koska toisinaan prosessiautomaatioon tuleva äänisignaali leikkaantui 120 db:n kohdalla. Selvisi, että anturilta tuli signaali oikein myös yli 120 db:n äänenvoimakkuuksilla, mutta prosessiautomaatiossa signaali leikkaantui ohjelmallisesti. Taajuusalueen uudelleenasetuksen jälkeen signaali alkoi näkyä oikein. Toinen ongelma oli se, että äänisignaali sisälsi häiriöitä, jotka johtuivat erityisesti lisäainekourun aiheuttamasta melusta; mikrofoni sijaitsi lähellä lisäainekourua. Äänisignaalia keskiarvoistamalla pystyttiin to-

4 dentamaan, että häiriö aiheutui lisäainekourun melusta kalkkia lisättäessä. Ko. häiriö saadaan hallintaan jäädyttämällä äänenvoimakkuus lisäaineiden lisäyksen ajaksi. Kuvassa 3 nähdään äänisignaali ennen taajuuskaistan uudelleenasetusta ja sen jälkeen. Kuvassa 4 nähdään äänisignaali ilman keskiarvoistusta ja keskiarvoistettuna; keskiarvoistetussa kuvaajassa pystyviivat ilmaisevat kalkin lisäyshetkiä. Kuvassa 5 nähdään tyypillinen sulatus, jossa on äänisignaali sekä muita mittauksia, joilla on vaikutusta äänisignaalin vaihteluihin. Äänimittauksen tutkimisella ei arveltu löydettävän merkittäviä parannuksia lyhyellä aikavälillä, joten projektissa päätettiin keskittyä muiden mittausten tutkimiseen. Äänimittauksen todettiin kuitenkin olevan mahdollinen, mielenkiintoinen mittaus jatkotutkimuksissa. Kuva 3. Äänisignaali ennen taajuuskaistan uudelleenasetusta ja sen jälkeen Kuva 4. Äänisignaali ilman keskiarvoistusta ja 10 mittausarvon keskiarvoistuksella Kuva 5. Tyypillinen sulatus; äänisignaali ja muita mittauksia

5 3.2 Roiskemittaus Projektissa testattiin tehdasmittakaavassa kuva-analyysiin perustuvaa roiskemittausta. Ruukin Raahen tehtaalla kuvataan konverttereita alapuolelta. Näitä olemassa olevia kameroita hyödynnettiin roiskemittauksen kehittämisessä. Kameralta kaapatusta kuvasta rajattiin tutkittava alue, jossa olevat kuvapisteet analysoitiin. Roiskumisen määrää tutkittiin laskemalla kirkkaiden kuvapisteiden määrää suhteessa tummempiin kuvapisteisiin, raja-arvona käytetty kirkkaus oli vapaasti aseteltava. Valkoisten ja mustien pisteiden suhteesta saatiin roiskumisen määrää kuvaava numeerinen arvo. Analysointia varten hetkellisistä roiskearvoista laskettiin roiskeintegraali koko sulatukselle. Projektissa pyrittiin etsimään syitä roiskumisen suurelle vaihtelulle sulatusten välillä. Syitä tähän on useita, mutta pyrittiin löytämään sellaisia, joihin erilaisilla ohjaustoimenpiteillä pystytään vaikuttamaan. Kuvasta 6 nähdään roiskeintegraalin vaihtelu ja sijoittuminen eri bineihin eräässä sulatussarjassa. Jaottelemalla sulatussarjaa eri muuttujien suhteen ryhmiin voidaan tutkia eri muuttujien vaikutusta. Lisäksi pyrittiin etsimään mittauksia, joita voitaisiin ohjata. Ko. mittauksilla prosessi voitaisiin pitää toiminta-alueella, jossa roiskumista ei tapahdu voimakkaasti. Taulukosta 1 voidaan havaita, että ainoastaan panoskoolla on voimakas vaikutus roiskumiseen. Ryhmässä C1 on niin vähän sulatuksia, ettei sillä ole tilastollista merkitystä. Ferropiilisäyksessä ei niinkään määrällä ole merkitystä, vaan lisäysajankohdalla. Taulukon 1 lyhenteiden merkitykset ovat seuraavat: FeSi* = lisätty ferropiimäärä [kg], C3 = loppuhiili %, C2 = % < loppuhiili 0.06 % ja C1 = loppuhiili >0.06 %. Kuva 6. Roiskeintegraalin vaihtelu ja sijoittuminen eri bineihin Taulukko 1. Roiskeintegraalin arvot, hajonnat ja ryhmien väliset suhteet Ryhmä Keskiarvo Keskihajonta Suhde Panos105k (76 sul.) 691,33 381,79 1 Panos120k (402 sul.) 1121,01 498,19 1,62 FeSi0 (131 sul.) 864,05 449,40 1 FeSi (200 sul.) 932,36 487,62 1,08 FeSi200+ (197 sul.) 1269,77 476,26 1,47 Kalkki/panos(<5.0%)(222 sul.) 1106,20 491,95 1,10 Kalkki/panos(>=5.0%)(256 sul.) 1006,30 514,82 1 Romu/panos(<22%)(209 sul.) 902,79 457,51 1 Romu/panos(>=22%)(269 sul.) 1169,16 512,44 1,30 C3 (252 sul.) 977,98 446,19 1 C2 (213 sul.) 1116,28 546,46 1,14 C1 (13 sul.) 1459,30 616,57 1,49 Panos120kK/P(<5%)(222 sul.) 1106,20 491,95 1 Panos120kK/P(>=5%)(180 sul.) 1139,29 506,55 1,03 Panos120kR/P(<22%)(133 sul.) 1023,63 454,48 1 Panos120kR/P(>=22%)(269 sul.) 1169,16 512,44 1,14 Panos120kC3 (184 sul.) 1081,25 424,87 1 Panos120kC2 (205 sul.) 1135,25 542,81 1,05

6 Havaittiin, että muun muassa happilanssin ohjauksella, happivirtauksen suuruudella ja kalkin ja ferropiin lisäyshetkellä on vaikutusta roiskumiseen. Näiden muuttujien vaikutuksien selvittämiseksi tullaan suorittamaan laaja tehdasmittakaavan koesarja, jonka tulokset tullaan raportoimaan myöhemmin. Koesarjassa tullaan testaamaan esimerkiksi lanssin ohjausohjelmia, happisyötön säätöä sekä kalkin ja ferropiin syöttösekvenssejä. Ko. koesarjalla tullaan varmistamaan asiantuntijatietoa, jota konvertteriprosessin toiminnasta on käytettävissä runsaasti. Kuvasta 7 nähdään, että koesarjassa testattavilla asioilla on suuri merkitys roiskumiseen. Vasemmanpuoleinen sulatus edustaa hyvää tapausta ja oikeanpuoleinen edustaa huonompaa tapausta; yksi eroavaisuus sulatuksissa on alussa lisätty ferropii, joka aiheuttaa ongelmia hiilen palamisen hallinnassa, koska pii palaa pois ensin aiheuttaen hiilen palamisnopeuteen vaihtelua. Kuva 7. Esimerkki testattavan muuttujan, ferropiilisäys, vaikutuksesta roiskeintegraaliin 4 JOHTOPÄÄTÖKSET LD-KG-konvertterille soveltuville mittauksille on kovat vaatimukset, kuten korkea lämpötila ja kuluttavat olosuhteet; pöly, tärinä, ym. Projektin aikana löydettiin hyvin lupaava uusi mittaus, roiskemittaus, joka perustuu kuva-analyysiin. Projektissa tehtävän mittavan koejakson jälkeen tullaan laatimaan säätöstrategiaehdotus, jota käyttämällä prosessin hallittavuus paranisi ja esim. terästuotanto nousisi roiskeiden vähentyessä ja tuottavuus nousisi. Eräs asia, jota tällä hetkellä ei pystytä luotettavasti mittaamaan, on sulan, sekä kuonan että teräksen, pinnankorkeus. Prosessin hallittavuuden kannalta pinnankorkeus olisi ensisijaisen tärkeä suure. Projektin aikana hyviksi todennettavat mittaukset voidaan ottaa käyttöön tehdasmittakaavassa Raahen terästehtaalla. Projektin aikana käsitys siitä, että konvertterin ohjattavuus ja hallinta on monimutkaista ja useiden muuttujien vuorovaikutusten summa, vahvistui. Tämä sinällään tekee kyseisessä tutkimusaiheesta haasteellisen ja mielenkiintoisen, koska prosessissa on edelleen paljon tutkittavaa ja kehitettävää. Uudet, entistä kehittyneemmät mittausmenetelmät tuovat mukanaan uusia piirteitä tutkimusongelmaan. Kokonaisvaltaisen säätöstrategian laatiminen LD-KG-konvertterille vaatii pitkäjänteistä, intensiivistä paneutumista. 5 KIRJALLISUUSLUETTELO /Bencini/ Bencini, C., Poli, A., Lunardi, E., Dynamic slag control in LD/LBE process at Ilva/Piombino steel shop, 1st European Oxygen Steelmaking Congress, Düsseldorf 1993, pp /Birk/ Birk, W.; Arvanitidis, I.; Jonsson, P.G.; Medvedev, A., Physical modeling and control of dynamic foaming in an LD-converter process, IEEE Transactions on Industry Applications, Volume: 37 Issue: 4, Jul/Aug 2001, pp /Laine/ Laine, Kim, Pudotussondien käyttö konvertterin lämpötilan hallinnassa, diplomityö, Oulun yliopisto, prosessiosasto, 1998, 94 s. /Tenkku/ Tenkku, Heikki & Ruuska, Jari, Kirjallisuusselvitys eräiden mittausten soveltuvuudesta LD-KGkonvertterin ohjaukseen, Oulun yliopisto, Säätötekniikan laboratorio, Raportti B nro 53, Oulu, Joulukuu 2004, 32 s.