Temperaturvariation under gjutning

Under gjutning räknar Tempsim med att skänken innehåller 75 % av smältans totala volym under den första halvan av gjutningen. Under den andra halvan innehåller skänken 25 % av den totala volymen.

Svalningsförloppet under gjutning simulerades i Tempsim och jämfördes med ett beräknat svalningsförlopp. Det beräknade svalningsförloppet, som baseras på värmeförluster i steady state, görs med samma volymantagande som i Tempsim-modellen. Den avgivna effekten i steady state beräknades till 516 kW. Se kapitel 15.

Jämförelsen ses i figur 39.

Svalning av stål under gjutning

1580 1585 1590 1595 1600 1605 1610 1615 1620 1625

0 10 20 30 40 50

Tid från skänköppning (min)

Temperatur (grader C)

Simulerat Handberäknat

Fig. 39. Svalkurvor för stål under gjutning simulerat med Tempsim jämfört med handräknat.

Simuleringen visar, förutom hur temperaturvariationen ser ut under gjutning, även att handräkningen som gjorts verkar vara rimlig.

Observera att Tempsim inte beaktar temperaturskiktningen i stålet. Detta gör att modellen inte är rättvisande för ståltemperaturens variation i gjutlådan.

54 8.8 Värmning av skänk under brännare

8.8.1 Värmning av kall skänk

En kall skänk med en homogen temperatur av 25 °C ställdes under en brännare. Lågans temperatur antas vara 1000 °C. Uppvärmningsförloppet ses i figur 40.

Fig. 40. Temperaturprofiler i skänkvägg under uppvärmning under brännare.

Simuleringen av skänk under brännare visar att temperaturen i bakteglet ökar under 23-timmarsperioden.

Brännarfunktionen i Tempsim kan inte användas till att simulera ett torkningsförlopp, eftersom energi åtgår till att förånga vatten vid en torkningsprocess. Detta tar inte Tempsim hänsyn till.

8.9 Jämförelse mellan svalning av tom skänk och skänk under brännare En varm skänk tilläts svalna under 40 minuter utan lock. Därefter fick skänken svalna under lock i 2 timmar. Detta jämfördes med ett fall där skänken istället ställdes under brännare i 2 timmar. Som jämförelse simulerades även ett fall där skänken svalnar i 2 timmar utan lock.

Temperaturprofilerna ses i figur 40 och 41.

55

Fig. 40. Simulerade temperaturprofiler i botten för tom skänk 2h under brännare samt 2h svalning med och utan lock.

Fig. 41. Simulerade temperaturprofiler i väggen för tom skänk 2h under brännare samt 2h svalning med och utan lock.

Figur 40 och 41 visar hur temperaturen i infodringen skiljer sig åt då skänken står under brännare jämfört med om den står lockad.

8.10 Svalning av skänkens insida

För att se vilken effekt ett lock har på slitfoderytans temperatur när skänken är tom, gjordes en jämförelse mellan två skänkar med lika temperaturprofil initialt. Den ena skänken fick stå öppen under 3 timmar, medan den andra var lockad under samma tid.

56

Svalningsförloppen framgår av figur 42 och 43. Observera att temperaturen vid

startögonblicket är samma för de två fallen, men grafiken gör att detta inte framgår tydligt i figurerna.

Svalning av slitfoderyta (botten)

600 700 800 900 1000 1100 1200

0 50 100 150 200

Tid (min)

Temperatur (grader C)

Utan lock Med lock

Fig. 42. Simulerade svalningsförlopp för slitfoderytan i botten.

Svalning av slitfoderyta (vägg)

600 700 800 900 1000 1100 1200

0 50 100 150 200

Tid (min)

Temperatur (grader C)

Utan lock Med lock

Fig. 43. Simulerade svalningsförlopp för slitfoderytan i väggen.

Simuleringsresultatet visar att temperaturen stiger på slitfoderytan när locket läggs på och det anmärkningsvärda är att det tar cirka 3 timmar innan temperaturen återigen är nere i den temperatur som rådde innan locket lades på.

När skänken är utan lock förloras största delen värme genom strålning. Värmen i väggen och botten leds då åt två håll, dels mot manteln och dels mot slitfoderytan. När locket läggs på upphör strålningsförlusterna nästan helt, men trögheten gör att värme fortfarande leds mot slitfoderytan. Detta medför att temperaturen på slitfodrets yta stiger.

57

9. Alternativ simuleringsmodell

Som alternativ till Tempsim-modellen byggdes en simuleringsmodell av skänken upp som kunde användas i simuleringsprogrammet Fluent. Fluent är ett CFD-program och fördelen med detta program jämfört med Tempsim är att strömningar och temperaturskiktningar i smältan kan simuleras, samtidigt som temperaturprofiler i infodringen kan studeras.

Efter modellen byggts upp simulerades ett fall där en skänk innehöll stål under 3 timmar.

Syftet med simuleringen var att studera strömningar och isotermer i smältan, samt att jämföra temperaturprofiler med de profiler som simulerats i Tempsim.

9.1 Uppbyggnad av skänkmodell

Simuleringsmodellen byggdes genom solidmodellering i programmet Gambit. [11].

9.1.1 Geometri

Skänkmodellen gjordes fullstor, vilket medför att den totala höjden på modellen är 3,335 m, den yttre toppdiamatern är 3,566 m och den yttre bottendiametern är 3,217 m.

Först byggdes manteln upp. Detta gjordes genom att generera två solida koner, där måtten på konerna motsvarande mantelns ytter- respektive innermått. Den inre konen gjordes 55 mm lägre än den yttre eftersom godstjockleken i mantelbotten är 55 mm. Därefter

sammankopplades dessa koner till en enhet, genom kommandot ”split volumes”. Se figur 44.

58

Fig. 44. Principskiss över modellbygget.

Sedan genererades en kon med mått enligt innerdiametrarna i topp och botten för isolerduken. Mantelgodset ”splittades” med konens volym för att skapa godset för isolerduken.

Koner genererades och ”splittades” sedan på samma sätt med mått motsvarande innerdiametrar för isolertegel, säkerhetstegel och slitfoder.

Säkerhetsteglets tjocklek är 32 mm i väggen och 53 mm i botten. Isolerteglet är 32 mm tjock i både vägg och botten. Isolerduken är 5 mm tjock i både vägg och botten. Mantelplåten är 30 mm tjock i väggen och 55 mm i botten.

9.1.2 Mesh

Efter att modellen byggts upp delades den in i 34627 små celler. Detta kallas för meshning.

Meshningen görs för att modellen ska kunna läsas av Fluent. Vid simuleringarna räknas varje cell i modellen igenom. Modellen meshades med ”T-grid”.

Den meshade skänkmodellen ses i figur 45.

59

Fig. 45. Meshad skänkmodell i Gambit.

9.1.4 Skillnader mellan modell och verklighet

Den uppbyggda simuleringsmodellen skiljer sig något från den i verkligheten. I verkligheten delas isolerteglet i väggen och botten med bottens säkerhetstegel. Se bilaga 1. Detta skulle bli svårt att modellera, så av denna anledning togs ingen hänsyn togs till detta i modellbygget.

I modellen finns inte slagglinjen och megablocket med.

9.2 Simuleringar i Fluent

I det här kapitlet används referenserna [2] och [12].

Efter att modellen ”meshats” importerades meshfilen till Fluent.

9.2.1 Materialdata

Efter att mesh-filen importerats definierades materialdata för manteln, infodringen och för flytande stål. Materialdatan, som antas vara oberoende av temperaturen, ses i tabell 12.

60

Isolertegel 1000 0,32 1000

Säkerhetstegel 2730 1,70 1226

Slitfoder 2950 2,70 1300

Tabell 12. Materialdata för vägg och botten.

Materialdata för flytande stål framgår av tabell 13.

Densitet,



 m3

ρ kg ⁷⁸⁰⁰

Specifik värmekapacitet,



Molekylvikt, M





molkg 55,844

Viskositet, ^ν

[ ]

^m2 _s ^0,0064

Termisk expansion, ^β

[ ]

¹_K ^0,000138

Tabell 13. Materialdata för flytande stål.

9.2.2 Uppvärmningsfas

För att värma upp bakfodret gjordes inledningsvis en simulering där smältans temperatur var konstant (1800 K). För att få en gradient genom väggen och botten sattes även en konstant temperatur på mantelns utsida (473 K). Vägg- och bottentemperaturen initierades på 473 K.

Under denna fas rådde adiabatiskt tillstånd i toppen, dvs. inget värmeutbyte med omgivningen.

Temperaturprofilen i skänkväggen efter uppvärmningsfasen ses i figur 46.

61

Fig. 46. Temperaturprofil i steady state simulerad i Fluent.

I figur 46 motsvaras slitfodret av sträckan –1,45 till –1,62 (m); säkerhetsteglet av –1,65 till – 1,652 (m) och isolerteglet av –1,652 till –1,684 (m).

9.2.3 Simuleringsfas

När infodringen värmts upp och uppnått steady state övergick uppvärmningsfasen i simuleringsfasen.

I simuleringsfasen behölls den konstanta manteltemperaturen på 200 °C, men smältans temperatur var inte längre konstant. Smältans temperatur initierades till 1650 °C.

För att beakta förluster via slagglagret sattes även ett konstant värmeflöde på 32800



 m2

W från toppen. Värmeflödet är framräknat med Fouriers värmeledningsekvation

(ekvation 21) och baseras på att slagglagrets tjocklek är 1 dm, värmeledningstalet i slaggen är 0,32 



°

× C m

W , temperaturen på insidan är 1650 °C och temperaturen på utsidan är 625 °C.

I simuleringsfasen användes bossinesq-inställningen för stålets densitet. Bossinesq innebär att densiteten endast beror av temperaturen enligt ekvation 35.

( )

(

₀

)

0 1− T −T

=ρ β

ρ (Ekv.35)

där ρ₀ =den konstanta densiteten 

 m3

kg , =β termiska expansionskoefficienten

[ ]

¹_K ^,

0 =

T operationstemperaturen

[ ]

K och T= den aktuella temperaturen

[ ]

K .

62

Operationstemperaturen och den konstanta densiteten ställs in i programmet.

Densiteten i stål ökar med sjunkande temperatur. Den förvalda operationstemperaturen i Fluent är 488 K. För att densiteten skall öka krävs att T₀ >T . Se ekvation 35. Därför valdes operationstemperaturen till 1923 K.

9.2.4 Simuleringsresultat

Konvektionsströmmar uppstod omgående vid starten av simuleringsfasen. Detta beror på de densitetsskillnader som uppstår på grund av att värme leds bort via väggen, botten och toppen.

Stål närmast väggen rasar ned och kontinuiteten gör att en det uppstår en strömning uppåt i mitten. Se figur 47.

Fig. 47. Strömningar i skänken efter 45 sekunder.

63

Fig. 48. Strömningar i skänken efter 3 min 15 sekunder.

Efter 3 minuter och 15 sekunder har strömningen i skänken ändrat utseende. Se figur 48.

Området i mitten är ganska stiltje, medan virvelströmmar uppstått längs väggar och botten.

Detta orsakas troligen av att stålet närmast toppen är kallare (på grund av värmeförluster via toppslaggen) och tenderar därför att rasa nedåt, vilket motverkar uppåtströmningen.

64

Motsvarande temperaturfördelning ses i figur 49. Temperaturfördelningen följer

strömningsbilden. Det kallare stålet trycks upp från botten och de varmare partierna är vid toppen. Temperaturskillnaden mellan de kallaste och varmaste partierna är endast 1,8 °C.

Fig. 49. Temperaturfördelning i smältan efter 3 min 15 sekunder.

Maxtemp: 1649,8 ºC Mintemp: 1648 ºC

65 Efter 30 minuter ser strömningen ut enligt figur 50.

Fig. 50. Strömningar i skänken efter 30 minuter.

De virvelströmmar som kunde urskiljas efter 3 minuter och 15 sekunder uppträder nu inte lika tydligt. Strömningen har blivit mer oregelbunden.

66

Temperaturfördelningen efter 30 minuter ses i figur 51.

Fig. 51. Temperaturfördelning i smältan efter 30 minuter.

Maxtemp: 1635,4 ºC Mintemp: 1631 ºC

Efter 30 minuter kan isotermer urskiljas. Skillanden mellan maximal och minimal temperatur är dock endast 4,4 ºC.

67

Efter 3 timmar är strömningen väldigt oregelbunden. Det går inte att urskilja något direkt strömningsmönster. Se figur 52.

Fig. 52. Strömning i skänken efter 3 timmar.

68

Efter 3 timmar såg temperaturfördelningen ut enligt figur 53.

Fig. 53. Temperaturfördelning i smältan efter 3 timmar.

Skalan i figur 53 är endast inställt på en skillnad på 2 ºC, vilket innebär att det inte skulle vara någon temperaturskiktning i smältan efter 3 timmars hållningstid.

Detta verkar inte vara rimligt. Resultatet av tidigare gjorda simuleringar [14] visar att skillnaden i temperatur, efter 19 minuters hållningstid, mellan topp och botten är cirka 4 ºC för stål som tappats i en varm skänk. Temperaturskiktningen ökar sedan med hållningstiden enligt sambandet:

*

* =2,0×C

λ _^{ °} _^ min

C (Ekv.36)

där C = den genomsnittliga svalningshastigheten ^* 

 ° min

C

Antag att den genomsnittliga svalningshastigheten för stål i skänk är 0,3 

 ° min

C .

Ekvation 36 ⇒λ^* =2,0×0,3=0,6 _^{ °} _^ min

C

Detta innebär att temperaturskillnaden i smältan temperatur bör vara 0,6×

(

3×60

)

=108 ºC

69

efter 3 timmars hållningstid. Detta föranledde en ny simulering med ändrade initialförhållanden.

9.2.5 Ändrade initialförhållanden

I början av simuleringsfasen var skänken mycket varmare än vad skänkar är innan tappning.

Temperaturen på slitfodrets yta var 1527 ºC i simuleringsfasens början medan temperaturen i normala driftfall är cirka 800 ºC innan tappning. Anledningen till den höga

slitfodertemperaturen är att skänken inte förlorat någon värme mellan uppvärmnings- och simuleringsfasen.

För att undersöka om detta var orsaken till den näst intill obefintliga temperaturskiktningen sänktes smältans temperatur i slutet av uppvärmningsfasen, i syfte att sänka temperaturen i slitfodret. Smältans temperatur sänktes successivt från 1527 ºC till 700 ºC enligt

nedanstående förlopp.

I startögonblicket var temperaturen 1527 ºC på slitfodrets yta. Smältans temperatur sattes till 1000 ºC under 5 min, 900 ºC under 20 min, 800 ºC under 65 min och 700 ºC under 90 minuter. Dessa tider och temperaturer motsvarar en rektangelkurva för det simulerade svalningsförloppet av slitfoderytan. Se figur 23. Temperaturprofilen ses i figur 54.

Fig. 54 Temperaturprofil innan skänken fylls med stål.

Efter temperaturkorrigeringen av smältan ses att temperaturen sänkts i slitfodret medan temperaturen i bakfodret är oförändrad. Se figur 54.

Nu startade återigen simuleringsfasen. Smältans temperatur initierades på 1650 ºC och temperaturen på mantelns utsida hölls konstant (200 ºC ). Förluster genom slagglagret

70 beaktades som tidigare.

Efter 30 minuters hållningstid såg temperaturfördelningen ut enligt figur 55. Skillnaden i temperatur mellan topp och botten är endast 4 ºC.

Fig. 55. Temperaturfördelning i smältan efter 30 minuter.

Enligt ekvation 36 bör skillnaden i maximal och minimal temperatur vara 2×0,3×30=18 ºC efter 30 minuter.

Slutsatsen som kan dras är således att orsaken till att temperaturskiktningen inte uppstår i simuleringen inte beror på slitfodrets temperatur.

Orsaken till fenomenet har inte hunnit utredas desto mer i det här projektet.

10. Jämförelse av simuleringsresultat mellan Tempsim & Fluent

10.1 Jämförelser av temperaturprofiler

Eftersom värmeledningen genom skänkväggen och skänkbotten är dynamiska förlopp, är det svårt att göra exakta temperaturjämförelser mellan de olika simuleringsmodellerna.

Mätningarna och simuleringar i Tempsim visar dock att temperaturen i bakteglet är relativt konstant under driften.

I tabell 14 jämförs simulerade temperaturer med uppmätta. Jämförelsen är gjord för simuleringsmodell 2. De uppmätta temperaturerna i tabell 14 är ungefärliga medelvärden i respektive material.

71

Tempsim [ºC] Fluent [ºC] Uppmätt [ºC]

Mantel ~280 200 ~200

Isolerduk - ~200 ~300

Isolertegel ~700 ~ 620 ~650

Säkerhetstegel ~900 ~930 ~800

Slitfoder (50 mm in) ~1100 ~ 1130 ~1100

Tabell. 14. Jämförelse av simulerade och uppmätta temperaturer.

10.2 Orsaker till avvikelser

En orsak till avvikelsen mellan simulerade temperaturer i Tempsim och Fluent är att

värmeledningstalen i respektive material är konstanta i Fluent-modellen, oavsett temperatur.

I Tempsim-modellen finns värmeledningstal specificerade vid varierande temperaturer, vilket medför att värmeledningsförmågan i materialen ändras med temperaturen.

En annan orsak till avvikelsen är randvillkoren. I Fluent-modellen sattes en konstant temperatur på 200 ºC på mantelns utsida för att få temperaturgradienter genom vägg och botten. Tempsim-modellen beräknar temperaturgradienterna genom med hänsyn till den omgivande luftens temperatur.

10.3 Jämförelser av svalningskurvor

En jämförelse mellan svalningen av stål simulerat med Tempsim-modellen och Fluent-modellen ses i figur 58. Fluent-simuleringen startade med en skänk som kan betraktas som kall. Se figur 57. Detta gjordes för att påvisa det exponentiellt avtagande svalningsförloppet, som blir tydligare ju kallare skänk som används.

Svalningskurvan som simulerades i Fluent jämfördes med en kurva simulerad i Tempsim.

För att jämförelsen skulle bli rättvis användes även en kall skänk i Tempsim-simuleringen.

Se figur 56. Svalningen innan tappning har skett utan lock.

72

Fig. 56. Temperaturprofil i väggen innan tappning, simulerat med Tempsim.

Fig. 57. Temperaturprofil i väggen innan tappning, simulerat med Fluent.

Slitfodret motsvaras av området -1,4 till -1,64 i figur 57.

Starttemperaturen i respektive simuleringsfall var olika. I simuleringen med Fluent-modellen var starttemperaturen 1650 ºC och med Tempsim-modellen 1670 ºC. Se figur 58.

73 Svalning av stål i skänk

1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 1640 1660 1680

0 50 100 150 200 250 300

Tid (min)

Temperatur (grader C)

Fluent Tempsim

Fig. 58. Jämförelse mellan simulerade svalningskurvor.

Vid jämförelse mellan de två simulerade svalningsförloppen inses att svalningskurvan simulerad med Fluent följer ett mer linjärt förlopp än Tempsim-kurvan. Eftersom temperaturen i slitfodret är låg innan tappning bör ståltemperaturen sjunka fort i början, vilket kan ses i resultatet av simuleringen. Av denna anledning bör Tempsim-kurvan betraktas som mer rättvisande är Fluent-Tempsim-kurvan. Orsaken till att Fluent-Tempsim-kurvan blir linjär har inte hunnit utredas, men det är troligt att det hänger ihop med skiktningsproblemet.

10.4 Jämförelser av avgivna effekter

Simuleringsresultat från Fluent-modellen visar att totalt 479,5 kW förloras från en skänk innehållande stål av 1600 °C. Av dessa 479,5 kW förloras 210 kW genom väggen, 33,5 kW genom botten och 236 kW genom slagglagret.

En simulering som gjordes med Tempsim-modellen visar att 480 kW avges när ståltemperaturen är 1600 °C.

Handräkningen som gjordes i kapitel 15 visar att den avgivna effekten är 516 kW.

Eftersom resultaten av de tre beräkningssätten överensstämmer ganska bra, så kan slutsatsen dras att cirka 500 kW avges från en skänk innehållande stål.

74

11. Beräkningar av värmeförluster från tomma skänkar

Värmeförluster från tomma skänkar beräknades baserat på simuleringsresultat från Tempsim.

Genom att göra regressionsanalyser av de simulerade temperaturprofilerna i skänkvägg och skänkbotten kunde temperaturgradienten beräknas. Se beräkningsexempel nedan. I

beräkningsexemplet visas tillvägagångssättet vid beräkningarna. I kapitel 11.2 ses en sammanställning av beräkningsresultaten. Detaljerade beräkningar ses i bilaga 12.

11.1 Beräkningsexempel

Antag att en skänk innehållit stål under en längre tid vilket medför att skänken är i steady state. Från detta tillstånd tillåts sedan skänken svalna i 40 minuter, ett fall under lock och ett fall utan lock. Temperaturprofilen i steady state och temperaturprofilerna efter 40 minuters svalning med respektive utan lock ses i figur 59. Figuren visar endast den del av väggen där temperaturvariationer efter 40 minuter kunde påvisas.

Fig. 59. Temperaturprofiler i skänkväggen vid starten av svalningen samt efter 40 minuters svalning.

Trendlinjer infogades till de simulerade temperaturerna för att beskriva dessa med ett matematiskt samband. Trendlinjerna beskriver följande uttryck:

(1): y=4,7746x+285,45

(

^{R2 =0,998}

)

(2): 1263y=−0,0503x² +22,286x−

(

^{R2 =0,997}

)

(3): 5y=−0,071x² +29,599x−1926,

(

^{R2 =0,999}

)

11.1.1 Beräkning av genomsnittlig temperaturskillnad i väggen efter svalning med lock För att beräkna den genomsnittliga temperaturgradienten integreras först trendlinjerna med avseende på x:

75

Därefter beräknas skillnaden mellan ekvation 37 och 38. Den genomsnittliga temperaturskillnaden beräknas genom att dividera skillnaden med avståndet mellan slitfoderytan och den punkt där variationer i temperatur inte längre kan urskiljas:

Ekvation 37- ekvation 38:



Den genomsnittliga temperaturgradienten blir:

[ ]

°C

11.1.2 Beräkning av värmeförluster

Värmeförlusten i väggen beräknas med ekvation 39 T

c V

E_vägg = × × _p×∆

∆ ρ (Ekv.39)

76 där ρ = slitfodrets densitet= 2950



 m3

kg , V = volym av slitfoderväggen där temperaturen

ändras

[ ]

^{m , 3} c = specifik värmekapacitet= 787 p 

Beräkningarna i detta exempel gäller väggen. Motsvarande beräkningar görs baserade på simulerade temperaturprofiler i botten. Hur beräkningarna görs ses i bilaga 11.

Värmeförlusten från botten efter 40 minuters svalning med lock är:

[ ]

GJ E_botten =2950×0,416×1267×196,6=0,31

∆

Den totala värmeförlusten beräknas med ekvation 40.

botten

Den motsvarande ståltemperaturen beräknas med ekvation 41

stål

11.2 Sammanställning av beräknade värmeförluster

11.2.1 Återtransport från strängen

Tiden för återtransporten av en tom skänk från strängen till skänkhanteringen uppskattades till 5 minuter. Under denna tid förloras 0,19 GJ värme om skänken är täckt med ett lock, vilket är fallet för skänkar som transporteras från sträng 4. Detta motsvarar 2,1 °C av 114 ton stål.

Om skänken är öppen under återtransporten, vilket är fallet under återtransport från sträng 5, förloras 0,32 GJ. Detta motsvarar 3,6 °C av temperaturen i 114 ton stål.

77

Genom att använda lock under återtransporten sparas 0,13 GJ, vilket motsvarar 1,5 °C i ståltemperatur.

I beräkningarna har ingen hänsyn tagits till påtvingad konvektion.

11.2.2 40 minuters svalningsperiod

40 minuter kan betraktas som en normal tomtid mellan chargerna. Om skänken har lock under denna period förloras 1,7 GJ värme, vilket motsvarar 19 °C i ståltemperatur. Utan lock förloras 2,4 GJ, vilket motsvarar 27 °C i ståltemperatur.

Besparingen som görs genom att använda lock under 40 minuter är 0,7 GJ. Detta motsvarar 8

°C av stålets temperatur.

11.2.3 1,5 timmars svalningsperiod

Under en 1,5 timmar lång svalningsperiod förloras 2,3 GJ värme med lock, vilket motsvarar 26 °C i ståltemperatur. Utan lock förloras 4,0 GJ och det motsvarar 45 °C av stålets

temperatur.

Genom att använda lock under 1,5 timme sparas 1,7 GJ, vilket motsvarar 19 °C i ståltemperatur.

12. SSAB Oxelösunds stålskänkar

I det här kapitlet används referens [13].

Det här projektet innefattar en kortare studie av stålskänkarna som används vid SSAB i Oxelösund.

12.1 Geometri

Skänken är 5,34 meter hög och har en topp- och bottendiameter av 3,59 m. Se figur 60.

Mantelplåten är 50 mm tjock i såväl vägg som botten. Innanför mantelväggen finns en 5 mm tjock isolerduk. Bakfodret i skänkväggen består av 2 varv 38 mm tjockt tegel. I botten består bakfodret av två varv 75 mm tjockt tegel. Notera att ingen isolerduk finns mellan mantel och isolertegel i botten.

Slitfodrets tjocklek är 250 mm i botten och 152 mm i väggen när skänken är nymurad.

Bakfodret bakom slagglinjeteglet består av 76 mm säkerhetstegel och 25 mm isolertegel.

Isolerteglet är inte av samma kvalité som det som används i skänkväggen. Se bilaga 13.

78

Fig. 60. SSAB Oxelösunds typ av stålskänk.

12.2 Materialdata

Materialdata som använts i simuleringarna framgår i tabellerna 15 till och med 18.

Material

ρ _^ _3^ m

kg λ 



°

× C m

W

cp 



 





°

× C kg

J

Mantelplåt 7860 50,0 540

Bakfoder

(vägg) 2100 1,70 1150

Isolertegel

(slagglinje) 100 0,36 977

Säkerhetstegel (slagglinje)

3000 2,50 1150 Slitfoder

(botten)

2600 2,3 1150

Tabell 15. Materialdata för mantel och infodring.

79 Isolerduk 200

°C 600 °C 1000 °C 1400 °C 1600 °C Densitet, (ρ)

[kg/m^3]

300 300 300 300 300

Värmeledningstal,

(λ ), [W/(mK)] 0,03 0,03 0,03 0,04 0,04

Specifik

värmekapacitet, (c ), [J/(kgK] _p

1050 1050 1050 1050 1050

Tabell. 16. Materialdata för isolerduk.

Slitfoder (vägg) 200

°C 600 °C 1000 °C 1400 °C 1600 °C Densitet, (ρ)

[kg/m^3]

2830 2830 2830 2830 2830

Värmeledningstal,

(λ ), [W/(mK)] 1,9 1,9 1,9 2,5 2,5

Specifik

värmekapacitet, (c ), [J/(kgK] _p

1150 1150 1150 1150 1150

Tabell. 17. Materialdata för slitfoder.

Slagglinjetegel 200

°C 600 °C 1000 °C 1400 °C 1600 °C Densitet, (ρ)

[kg/m^3]

3000 3000 3000 3000 3000

Värmeledningstal,

(λ ), [W/(mK)] 3,5 3,6 3,7 3,8 4,0

Specifik

värmekapacitet, (c ), [J/(kgK] _p

1150 1150 1150 1150 1150

Tabell. 18. Materialdata för slagglinjetegel.

12.3 Simulering

Simuleringarna baserades på följande:

Två olika fall studerades. I det första fallet hade en varm skänk svalnat i 1 timme med lock och i det andra fallet hade en varm skänk svalnat 1 timme utan lock. Temperaturprofilerna i botten och vägg innan tappning ses i figur 61 och 62. Därefter tappades stål i respektive skänk under 6 minuter. Tapptemperaturen var 1680 °C och slaggvikten var 1000 kg.

80

Skänkarna innehöll sedan stål under 4 timmar. De simulerade svalningsförloppen ses i figur 63.

Fig. 61 Temperaturprofil i botten.

Fig. 62. Temperaturprofil i vägg.

81

Fig. 63. Simulerade svalningskurvor för stål, samt motsvarande regressionskurvor.

Svalningsekvationen (ekvation 4) prövades mot simuleringsresultaten genom regressionsanalys med minsta kvadratmetoden. Överensstämmelsen blev god.

Regressionskurvan för svalningen av stål i den varmare skänken (svalnat med lock) följer ekvation 42.

t t

T_stål =1668,9−0,1× −1,4× (Ekv.42)

Stålet i den kallare skänken (svalnat utan lock) följer ekvation 43.

t t

T_stål =1667,1−0,1× −2,1× (Ekv.43)

12.4 Diskussion

Simuleringarna av temperaturprofiler och svalningsförlopp som gjorts med SSAB

Oxelösunds skänkmodell har baserats på en värmeledningsförmåga i isolerduken på 0,02





°

× C m

W . Eftersom isolerduken endast finns i väggen leder detta till stora skillnader i temperaturer i bakteglet mellan vägg och botten.

Temperaturmätningar med termoelement bör göras för att verifiera temperaturprofilerna.

Gissningsvis är värmeledningsförmågan för isolerduken högre än 0,02 



°

× C m

W .

82

13. Jämförelse med tidigare stålskänk

I det här kapitlet används referens [3].

Temperaturen i skänkväggen för den monolitiska skänken jämfördes med den typ av skänk

Temperaturen i skänkväggen för den monolitiska skänken jämfördes med den typ av skänk

In document Temperaturanalys av monolitiska stålskänkar (Page 60-164)