Контроль потока в кристаллизаторе при непрерывной разливке слябов имеет решающее значение для обеспечения высочайшего качества и стабильности производства стальных слябов. Мартин Седен, физик из металлургической команды ABB, применяет свою страсть к электромагнитному управлению потоком для достижения главной цели отрасли — автоматизации оптимизации скорости потока жидкой стали и распределения температуры в ответ на постоянно меняющиеся переменные.
Ставки в вопросах экологической устойчивости сталелитейной промышленности высоки, но на трансформацию сложных процессов и уставших активов потребуется время. В ближайшей перспективе усовершенствованное управление потоком в процессе разливки стали является жизненно важным шагом на пути к оптимизации качества, минимизации брака и, как следствие, снижению выбросов в отрасли. Настраивая процессы для стабильного получения стали более высокого качества, управление потоком, по словам физика Мартина Седена, "существенно увеличит выход годного при разливке, снизит углеродный след стали и улучшит рациональное использование наших природных ресурсов".
Седен — инженер по научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам (R&D) в металлургическом подразделении ABB. Его цель? Объединить технологии датчиков и автоматизации с динамичными и мощными устройствами электромагнитного перемешивания и торможения для достижения максимального контроля потока и оказания положительного влияния на безопасность, качество стали, снижение энергопотребления и минимизацию отходов в сталелитейных процессах.
Спрос на чистую, безупречную и специальную сталь растет в самых разных областях применения, таких как автомобилестроение, производство электродвигателей, инструментальное производство и машиностроение, а также в строительстве и общей инфраструктуре. Сталелитейные заводы производят больше специализированных марок стали, чем когда-либо прежде, и для поддержания конкурентоспособности качество конечного продукта имеет жизненно важное значение.
Разработка компании ABB — кристаллизатор с управлением потоком (Flow Control Mold или FC Mold) — уже является самой передовой технологией в своем роде, предлагая одновременное перемешивание и торможение в кристаллизаторе из одного фиксированного положения для оптимального контроля процесса при разливке толстых слябов. Ее разработка основана на многолетнем опыте, включая более 140 установок для слябовых кристаллизаторов по всему миру. Она также является выбранной платформой для таких крупных производителей стали, как POSCO, JFE, Hyundai Steel Company, Tata Steel и Thyssenkrupp, и интегрирована в оборудование для разливки всеми ведущими производителями оригинального оборудования (OEM), среди которых SMS Group, Primetals, Danieli и SPCO.
Современные и новейшие инновации позволяют устройствам электромагнитного управления потоком обеспечивать еще более высокие показатели производительности в сталелитейных процессах. Седен применяет свои навыки в области численного моделирования и разработки продуктов, чтобы максимизировать гибкость этих технологий ABB и в конечном итоге использовать их потенциал в качестве основного компонента для реализации управления по замкнутому циклу при непрерывной разливке слябов.
"Адаптированные под процессы конкретного производителя, устройства электромагнитного управления потоком предлагают множество различных режимов работы", — говорит он. "Что важно, ими можно управлять постепенно и с высокой точностью, что делает их идеальным дополнением к процессу, в котором условия постоянно меняются".
Имея более 140 установок электромагнитного перемешивания и торможения для слябовых кристаллизаторов, технологии ABB доказали свою способность повышать производительность и качество конечного продукта.
Наука о более прочной стали
Работа Седена в сфере R&D для металлургической команды ABB началась в 2005 году, и с тех пор он стал соавтором нескольких научных работ, направленных на приближение отрасли к автоматическому управлению по замкнутому контуру при непрерывной разливке слябов. Его ранние исследования охватывали магнитные поля в стальном кристаллизаторе; мониторинг кристаллизатора; взаимосвязь между измерением температуры, перемешиванием и торможением потока расплава; роль волоконно-оптических датчиков температуры; а также необходимость устранения асимметричного потока жидкой стали в кристаллизаторы непрерывного литья, что привело к получению множества технологических патентов.
"Производство высококачественной стали в больших масштабах — это сложный процесс, чувствительный к ряду критических препятствий", — поясняет Седен. Сосредоточившись только на одном этапе — затвердевании стали в машине непрерывного литья заготовок, он отмечает: "Трещины, неравномерный состав материала, неметаллические включения, прорывы расплава и другие проблемы безопасности — это лишь некоторые из многих факторов риска".
Несколько из этих проблем обусловлены течением жидкой стали в кристаллизаторе, которым по своей сути трудно управлять извне из-за интенсивного тепла жидкого металла и непрерывного характера процесса. "Внутренние изменения потока могут быть достигнуты только с помощью электромагнитных сил, проникающих в жидкость", — говорит Седен. "Устройства электромагнитного управления потоком облегчают настройку и оптимизацию потока литейного расплава во избежание потенциальных проблем с качеством".
Посмотрите, как Мартин Седен из ABB простыми словами объясняет работу технологии электромагнитного перемешивания.
Тот факт, что современные машины непрерывного литья заготовок обычно используют различное сырье для производства ассортимента стальной продукции, говорит Седен, "повышает потребность в динамическом управлении потоком расплава с учетом разнообразия условий разливки и диапазона нежелательных отклонений процесса, которые могут возникнуть".
Ценность существующих решений ABB по управлению потоком в кристаллизаторе заключается в том, что они уже помогают обеспечивать стабильное и более высокое качество стали с течением времени, сводя к минимуму необходимость отправки некондиционных материалов в отход или их перевод в низшие сорта. Асимметричный поток при непрерывной разливке слябов, например, является одним из явлений, которое может повлиять на качество стали до такой степени, что она перестанет продаваться по премиальным ценам.
Седен поясняет: "У вас есть сотни тонн жидкой стали, выливающейся через стакан-дозатор в водоохлаждаемый медный кристаллизатор, где она начинает затвердевать с боков, превращаясь в сплошной непрерывный поток". Сам стакан-дозатор является важнейшим компонентом распределения потока в кристаллизаторе. Плохо спроектированный стакан, его неправильная геометрия или смещенное от центра положение — все это известные потенциальные причины асимметричного течения в кристаллизаторе. "Мы сотрудничаем с производителями погружных стаканов-дозаторов, чтобы минимизировать асимметричные направленные потоки и максимизировать возможности управления потоком за счет комбинированной конструкции стаканов и электромагнитных устройств управления потоком". Тем не менее, загрязнения в массе расплава могут налипать и неравномерно накапливаться в стакане, вызывая асимметричные (несбалансированные) потоки, которые негативно влияют на однородность и, следовательно, на качество затвердевшего продукта.
"В идеале", — говорит он, — "поскольку мы не можем предсказать этот тип дисбаланса, мы хотели бы, чтобы система автоматически определяла отклонение и вовремя реагировала на него для стабилизации процесса или гомогенизации потоков массы расплава путем активации или регулировки работы устройств электромагнитного управления потоком".
Существующие технологии управления потоком в кристаллизаторе от ABB уже помогают обеспечивать более стабильное и высококачественное производство стали, сводя к минимуму необходимость отправки некондиционных материалов в отход или их перевод в низшие сорта.
Внедрение гибкости и оперативности в сложную производственную систему
Среди трудностей на пути к абсолютному управлению процессом Седен отмечает то, что каждый производитель стали может выпускать несколько разных стальных сплавов («разных рецептов»), которые ведут себя по-разному во время разливки. Изготовители также могут эксплуатировать машины непрерывного литья заготовок в разных форматах (например, широком или узком) и на разных скоростях, что влияет на скорость затвердевания и условия в кристаллизаторе. Эти изменения в технологическом процессе требуют решения, в идеале с помощью программного обеспечения, которое подстраивается как под запрограммированные параметры, так и под данные в реальном времени.
«Мы стремимся создать, — говорит Седен, — систему, которая поможет операторам управлять этими машинами более эффективно и безопасно, выявляя потенциальные проблемы и реагируя на них быстрее, чем это может сделать самый опытный человек».
Он называет полностью замкнутую систему управления «святым Граалем» производства стали.
По словам Седена, лет 20–30 назад «электромагнитные перемешиватели (ЭМП) управлялись вручную — включались или выключались без особых нюансов». Следующим шагом, реализованным ABB, стало параметрическое управление, которое, например, позволило производителям металлов в реальном времени регулировать работу ЭМП в зависимости от изменения скорости разливки. «Имея этот сигнал в системе, вы можете автоматически подключить ЭМП для создания большей интенсивности перемешивания при более низкой скорости разливки, например».
Сегодня шаблоны данных системы FC Mold Control настраиваются на основе обратной связи от систем качества, а также численного моделирования для обеспечения автоматического онлайн-управления электромагнитным кристаллизатором. Такой тип управления потоком крайне полезен при работе с запланированными изменениями на МНЛЗ, однако это по-прежнему разомкнутая однонаправленная система, которая не фиксирует неожиданные и нежелательные изменения процесса. Оптимальным решением для управления процессом является замкнутая система, которая постоянно подстраивается под непрерывную обратную связь от датчиков мониторингового оборудования, обнаруживающего отклонения от заданных характеристик процесса.
Датчики, которые видят и чувствуют
Новое поколение датчиков позволит быстрее измерять более широкий спектр влияющих факторов расплава с более высоким пространственным разрешением. Программное обеспечение будет точно интерпретировать и связывать сигналы. «Мы работаем над тем, чтобы наши технологии были настолько гибкими и адаптивными, чтобы они могли реагировать на любые возникающие особенности, — говорит Седен. — Разработка подходящих устройств электромагнитного управления потоком и создание математических алгоритмов, обеспечивающих управление, — это то, чем я занимаюсь».
Видение ABB заключается в достижении автоматического управления электромагнитным кристаллизатором в реальном времени по замкнутому циклу для раскрытия еще более высокого потенциала производительности непрерывной разливки слябов.
Модернизация ключевой отрасли
Седен говорит, что для него электромагнитная привлекательность ABB Metallurgy заключается «в сочетании работы над разработкой технологий и возможности видеть их практическое применение». Во многих других крупных компаниях, добавляет он, «я занимался бы исследованиями в узкой, детально описанной и четко определенной сфере и не смог бы увидеть всю цепочку событий. В ABB я разрабатываю технологии в ответ на потребности клиентов и оптимизирую продукцию на основе их отзывов. Это сложная должность, но работа приносит колоссальное удовлетворение, когда удается добиться успеха».
Седен вспоминает свой первый визит на сталелитейный завод: «Масштабы предприятия вызывают благоговейный трепет, как будто приезжаешь в горы или впервые видишь океанский горизонт. Ощущение масштабов производства стали внушает мысль, что продукция этих заводов в силу одних лишь своих объемов неизбежно влияет на людей и планету».
Он говорит, что «с эмоциональной точки зрения именно это заставило меня увлечься производством металлов». Сегодня «на рациональном уровне это выражается в стремлении внести свой вклад в сокращение выбросов углекислого газа. Сталелитейная промышленность является одним из крупнейших загрязнителей в мире, и мы вносим свой вклад в решение этой проблемы».
