Vibration-Based Monitoring of Gas Stirring in Steelmaking Ladles: Effects of Fluid Properties and Operational Parameters

Abstract

Gasomrörning används i stor utsträckning inom skänkmetallurgi för att förbättra kemiska reaktioner och avlägsnandet av icke-metalliskainneslutningar (NMI) före produktionen av högkvalitativt stål och högförädlade legeringar. Trots att gasomrörning är av stor betydelse har ännu inte tillräckligt exakta tekniker utvecklats för förbättrad övervakning och styrning av omrörningsprocessen i ståltillverkningsskänkar. Indirekta mätmetoder såsom vibrationsmätningar har visat en ökad potential för attövervaka och styra omrörningsprocessen. Vibrationsmätningar i laboratorieskala liksom i industriella skänkar är värdefulla för utveckling av processövervaknings- och styrverktyg. Dock har den mesta befintliga forskningen baserats på laboratoriemodeller som använder vatten som modelleringsvätska, vars fysikaliska egenskaper skiljer sig avsevärt från de hos smält stål. Det har visats att vätskornas fysikaliska egenskaper påverkar egenskaperna hos tvåfasflöden avsevärt. Därför är undersökningar med mekanistiska modeller fyllda med vätskor som mer liknar smält stålsegenskaper avgörande för att bättre förstå exempelvis vibrationer i ståltillverkningsskänkar.

I detta arbete genomfördes vibrationsmätningar under argoninjektion i två olika modelleringsvätskor: Sn–40 wt% Bi-legering vid 200 °C och vatten vid rumstemperatur, med användning av samma experimentella skänk. Experimenten utfördes vid LIMMCAST-laboratoriet vid Helmholtz-ZentrumDresden-Rossendorf i Tyskland. Dessutom genomfördes vibrationsmätningar i en industriell ståltillverkningsskänk under vakuumavgasning (VD) hos Uddeholms AB i Hagfors, Sverige.

Vid LIMMCAST-tes tanläggningen utfördes vibrationsmätningar vid argoninjektion i vätskefasen genom olika typer av omrörningspluggar såsom orificieplugg, porös plugg och spaltplugg. Mätningarna utfördes vid omgivningstryck för både Sn–40 wt% Bi och vatten, samt vid reducerat tryck vid den fria ytan av den flytande Sn–40 wt% Bi. Sambandet mellan vibrationsamplitud och flödeshastighet skilde sig mellan de två undersökta vätskorna, trots användning av samma mätuppställning och experimentella skänk. Experimenten visade tydliga karaktäristiska frekvensområden sommotsvarade olika bubbelhändelser – från bubbelbildning vid omrörningspluggarna till uppstigning och kollaps vid vätskans fria yta. Variationer i vattnets fysikaliska egenskaper ledde till förändringar i storlek och antal producerade bubblor, vilket skiftade vibrations frekvenserna tillhögre värden. Dessutom påverkar bubblornas form vibrations karaktäristikendär avlånga bubblor från spaltpluggar genererar högre frekvensvibrationer på grund av ökade formoscillationer och bubbel-vätskeinteraktion. Spaltens bredd och antal påverkar plymdynamiken där smalare och fler spalter förstärker bubbelfrekvensen och den resulterande turbulensen, vilket ökar vibrationsamplituden. Reducerat tryck vid den fria ytan av metallvätskan leder till bildning av större bubblor, vilket skiftar vibrationsfrekvenserna till lägre värden och ökar amplituden.

Vibrationsmätningar i en industriell skänk visade god överensstämmelse med de som erhölls vid LIMMCAST fylld med Sn–40 wt% Bi, både i mönstret för vibrationsamplitudens ökning med stigande flödeshastighet och i de observerade vibrationsfrekvenserna. Analys av lågfrekvensområden (100–300Hz) i ståltillverkningsskänkar gav insikter i bubbelbildning ochgasinjektionsförhållanden. I kontrast gav högfrekvensområden (900–1600 Hz) information om omrörningsdynamik och rörelser vid den övre ytan. Vibrationsmätningar utgör ett effektivt sätt att bedöma blandningsförhållanden i skänkar under VD och kan bidra till utveckling av modeller för övervakning av omrörning. Medan IR-kameror fångar temperaturfördelning och rörelser vid ytan, finns det begränsningar i att upptäcka subtila flödesfenomen såsom mjuk omrörning. Vibrationsbaserade modeller kan komplettera IR-övervakning genom att även kunna bedömamjuk omrörning, vilket möjliggör förbättrad processtyrning.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-365378