Fyzikální modelování rafinace hliníkové slitiny 1. Úvod Modelování probíhajících procesů v systému je metodou, jejíž cílem je co nejvěrohodněji zachytit chování reálného systému pomocí modelu. Na základě výsledků dosažených na modelu lze pak zpětně předpovídat chování reálného systému při různých změnách procesu. Model je vyjádřením podstatných vlastností reálného systému v přijatelné a cílevědomé formě. Musí tedy vyjadřovat vztah mezi příčinou a následkem. Konečným cílem modelování je vytvořit takový model systému, definovaný na objektu, aby chování modelu bylo v jistém smyslu stejné jako u reálného systému za stejných provozních podmínek. Obrázek – Schéma modelování procesů Obecně lze modelování rozdělit na fyzikální a numerické. Fyzikální modelování umožnuje získat informace o charakteru proudění kovu a také dalších procesů, vyskytujících se při jeho zpracování. Fyzikální modely pokrývají především problematiku hydrodynamiky a jsou konstruovány podle pravidel, vyplývajících z teorie podobnosti, která je realizována prostřednictvím vhodných kritérií podobnosti. Kvůli možnosti pozorování jevů, probíhajících během procesu jsou fyzikální modely vyráběny z transparentních materiálů (např. plexisklo). Průmyslová zařízení jsou stále složitější a provádět experimentální výzkum v průmyslových podmínkách je stále komplikované a často velmi nákladné. Z těchto důvodů se přistupuje k využití fyzikálních modelů. Fyzikální modelování probíhajících procesů v systému je metodou, jejímž cílem je co nejvěrohodněji zachytit chování reálného systému pomocí hmotného fyzikálního modelu. Model i dílo má při fyzikálním modelování stejnou fyzikální podstatu. Proudění tekutiny je tedy modelováno opět prouděním tekutiny, ale v určitém měřítku délek, rychlostí objemových průtoků, viskozit atd. Podmínkou přenosu výsledků z modelu na dílo je podobnost procesů probíhajících v modelu a díle. V laboratoří Vysoké školy technické a ekonomické v Českých Budějovicích se nachází fyzikální model rafinace hliníkové slitiny. Hliníková slitina se v provozních podmínkách zpracovává na zařízení pro rafinaci hliníkové taveniny nazývaném FDU (Foundry Degassing Unit). Toto zařízení se skládá z rotoru, kterým je do taveniny přiváděn rafinační plyn (v provozních podmínkách dusík) a vlnolamu. Po zanoření rotoru do pánve s hliníkovou taveninou se rotor začne otáčet a současně dochází k dmýchání rafinačního plynu, který z taveniny odstraňuje škodlivý vodík (detailnější popis procesu je uveden v kapitole 2). Fyzikální model má tedy za úkol na základě teorie podobnosti v laboratorních podmínkách predikovat intenzitu odstranění vodíku z taveniny hliníku v reálném procesu. 2. Popis fyzikálního modelu rafinační jednotky FDU Jak bylo řečeno v předchozí kapitole, fyzikální modelování je založeno na teorii podobnosti dvou systémů. Předlohou pro fyzikální model pánve pro rafinaci taveniny byla provozní pánev, využívaná společností MOTOR JIKOV Slévárna a.s. Fyzikální model reaktoru včetně rotoru a vlnolamů byl vyroben v měřítku 1:1 k této pánvi, čímž se zajistila geometrická podobnost modelu a díla. K dispozici je také model pánve pro nízkotlaké lití uvedené společnosti. Dynamická podobnost modelu a díla byla zajištěna nahrazením taveniny hliníkové slitiny vodou, která při pokojové teplotě vykazuje podobnou dynamickou viskozitu jako hliník. Škodlivý vodík byl pro potřeby fyzikálního modelování nahrazen kyslíkem, který má ve vodě při pokojové teplotě podobné vlastnosti jako vodík v tavenině hliníku. Obsah kyslíku ve vodě je monitorován dvěma optickými sondami, umístěnými v různých vzdálenostech od dna modelu. Sondy využívají jev luminiscence, jejíž intenzita je závislá na obsahu kyslíku ve vodě. Cílem fyzikálního modelování je zachytit intenzitu odplynění a analyzovat pokles obsahu kyslíku ve vodě při změně různých parametrů (počet otáček, ponor rotoru, počet vlnolamů, tvar rotoru). Poznatky získané v rámci fyzikálního modelování sloužil k optimalizaci modelované technologie, tedy ke stanovení optimálních provozních podmínek rafinace hliníkové taveniny při změně definovaných parametrů procesu. Obrázek – Kompletní sestava fyzikálního modelu jednotky FDU Vlastní sestava fyzikálního modelu se skládá z následujících částí: ➢ zdvižná plošina pro umístění modelů pánví ➢ 2x modely pánví z plexiskla v měřítku 1:1 ➢ 1x vnější čtvercová nádoba z plexiskla pro umístění modelů pánví (určeno pro audiovizuální interpretaci) ➢ nosná konstrukce s následujícími komponenty → motor pro pohon rotoru, univerzální spojka rotoru, grafitový rotor, 2x uchycení vlnolamů, rozvod plynu do rotoru, laserový otáčkoměr ➢ panel pro ovládání průtoků plynů → kyslík → naplynění, argon → rafinace ➢ 2x sonda METTLER-TOLEDO InPro6860i/12/120/mA Ex pro měření obsahu kyslíku ve vodě ➢ řídicí panel → skříň s ovládacím PC → regulace a řízení otáček rotoru + záznam průběhu odplynění Základní princip fyzikálního modelování odstranění rozpuštěného vodíku z hliníkové taveniny spočívá v odstraňování rozpuštěného kyslíku z modelové kapaliny (vody) za pomoci argonu. Pro kontinuální měření obsahu kyslíku byly vybrány optické sondy firmy METTLERTOLEDO, dovolující měření obsahu rozpuštěného kyslíku do 26 mg∙l-1 (26 ppm). Pro sondy bylo nutno vyvinout software, který splňuje požadavky na měření koncentrace kyslíku včetně komunikace přes PC, archivace dat a jejich hodnocení. Na obrázku je pro představu uvedeno rozhraní pro monitorování koncentrace kyslíku v průběhu fyzikálního modelování. Konstrukce modelu je velmi variabilní, umožnuje změnu několika parametrů, a tedy i definici celé řady modelovaných variant. Mezi tyto parametry patří: ➢ typ rotoru ➢ vzdálenost rotoru od dna pánve (pracovní výška) ➢ počet vlnolamů ➢ počet otáček ➢ průtok inertního plynu (Ar) Pro fyzikální modelování odstranění vodíku z taveniny hliníku na jednotce FDU, byla vyvinuta metodika, která spočívá v následujících krocích: ➢ ustavení nádoby do požadované polohy neboli pracovní výšky ➢ naplnění modelu vodou, přičemž hladina vody dosahuje výšky vyznačené výšky ➢ nastavení požadovaného průtoku plynu dle požadavků dané varianty experimentu, při zachování tlaku plynu 0,4 bar ➢ sycení kyslíkem na stanovenou hodnotu při rychlosti otáčení rotoru 350 ot.min-1 a tlaku plynu 0,4 bar. Následuje prodleva, během které dojde k doběhu koncentrace kyslíku, homogenizaci koncentrace kyslíku v objemu vody a její ustálení na požadované hodnotě 22 ppm. Během prodlevy je vypnuto otáčení rotoru ➢ nastavení požadovaných otáček pro danou variantu experimentu → v průběhu prodlevy ➢ spuštění měření → po skončení prodlevy současné spuštění dmýchání argonu, otáčení rotoru a záznamu dat z optických sond ➢ ukončení měření → vypnutí otáček a zastavení přívodu plynu, jakmile střední hodnota koncentrace kyslíku z měřicích sond dosáhne hodnoty 0,5 ppm 3. Postup prací na fyzikálním modelu rafinační jednotky FDU V této kapitole bude dále popsáno ovládání fyzikálního modelu a postup prací při měření v souladu s navrženou metodikou. 3.1 Příprava modelu Před započetím jakýchkoli prací na fyzikálním modelu je potřeba nejprve překontrolovat správnou pozici rotoru a vlnolamů a polohu nádoby modelu pánve na zdvižné plošině (případné další instrukce sdělí vyučující) ➢ Dále je potřeba pustit vodu a nechat pár minut odtékat, aby se ustálila její teplota na 20 °C. Voda protéká přes směšovač, který řídí její teplotu a je nastaven právě na 20 °C. Voda se pouští ventily pod umyvadlem a vedle odpadní trubky pro vypouštění modelu. ➢ Zapojení zdvižné plošiny a řídící skříně ke zdroji. ➢ Zdvižení plošiny do požadované výšky (rozměr se odvíjí od požadovaného typu rotoru). ➢ Spuštění PC s ovládacím SW a připojení sond pomocí kabelů. Spuštění invertoru spínačem v ovládací skříni. ➢ Spuštění ovládacího SW, detekce sond a nastavení ukládání dat. ➢ Napuštění modelu pánve do požadované výšky, označené ryskou na stěně nad horní sondou. ➢ Spuštění rotoru, nastavení počátečních otáček 350 ot/min a správného směru rotace, kontrola průtoku a tlaku na větvi s O2 a nastavení požadovaného průtoku na větvi s Ar (provede vyučující!) 3.2 Popis funkcí ovládacího softwaru Ovládací software slouží k ovládání funkcí rotoru, ukládání a monitoringu dat. Jeho hlavní funkce jsou následující: ➢ Připojit/Odpojit sondy – detekce a odpojení sond ➢ Spustit/zastavit záznam – spuštění a ukončení záznamu dat ➢ Aktuální hodnoty koncentrace kyslíku – zobrazuje aktuální koncentraci kyslíku a teplotu vody, měřené jednotlivými sondami ➢ Střední hodnota koncentrace kyslíku – zobrazuje průměrnou hodnotu z obou sond ➢ Otáčky rotoru – zobrazuje aktuální rychlost otáčení rotoru ➢ Ovládání rotoru – nastavení počtu otáček, přepínání směru rotace, vypnutí/zapnutí rotace Obrázek – Popis SW rozhraní pro monitorování koncentrace kyslíku Ovládání motoru Otáčky rotoru Střední hodnota koncentrace kyslíku Aktuální hodnoty koncentrace kyslíku Argonová větev Kyslíková větev 3.3 Provedení kontrolního experimentu Před započetím ostrých experimentů se na fyzikálním modelu provede kontrolní měření pro ověření správnosti funkce modelu. Během tohoto měření se sleduje způsob naplynění a hodnoty na kterých se obsah kyslíku ve vodě ustálí. Podle této hodnoty se dále upraví koncentrace kyslíku, na které se zastavuje přívod plynu. Znovu také probíhá kontrola průtoku a tlaku kyslíku a argonu. V neposlední řadě se kontroluje funkce sond, zda nedochází k jejich výpadkům během měření. Vzhledem k tomu, že metodika kontrolního a experimentálního měření je totožná, bude souhrnně popsána v další kapitole. 3.4 Metodika měření Experiment spočívá ve dvou krocích – naplynění kapaliny v modelu na 22 ppm O2 a následné odplynění na hodnotu 0,5 ppm O2. Před startem experimentu zkontrolujeme nastavení otáček (350 ot/min) a směr rotace. ➢ Start naplynění probíhá současným spuštěním rotace rotoru a přívodu O2. V čase spuštění výpočtu se zaznamená čas (s přesností na vteřiny) do tabulky s výsledky. Voda se naplyňuje tak dlouho, dokud nedosáhne požadované koncentrace kyslíku (většinou kolem 18 ppm). Poté je potřeba současně zastavit rotaci a přívod plynu do vody. ➢ Následuje prodleva po dobu 120 s, během které se koncentrace kyslíku ve vod ustálí kolem 22 ppm (čím přesněji, tím lépe). V průběhu prodlevy se zaznamená čas spuštění experimentu (čas ukončení sycení + 2 min, opět s přesností na vteřiny). ➢ Prostřednictvím ovládacího softwaru se nastaví požadované otáčky definované v podmínkách experimentu. ➢ Dále je v průběhu prodlevy potřeba přepojit přívodní potrubí plynu na větev s argonem s již předem nastaveným průtokem. ➢ Po uplynutí prodlevy probíhá start experimentu současným spuštěním rotoru a přívodu argonu. ➢ Experiment končí ve chvíli, kdy koncentrace kyslíku ve vodě dosáhne hodnoty 0,5 ppm. V tomto okamžiku je opět nutné zaznamenat čas a vypnout otáčení rotoru a přívod argonu. Při provádění dalších experimentů opakujeme uvedené kroky. V průběhu modelování je nutné kontrolovat teplotu vody. Pokud se zvýší, je potřeba vodu vyměnit. Pokud je potřeba změnit průtok argonu, provádí vždy vyučující. Sycení O2 Prodleva Odplynění 3.5 Ukončení práce na fyzikálním modelu Po ukončení fyzikálního modelování je potřeba vyprázdnit nádobu s vodou a uvést model do počátečního stavu. ➢ Přes ovládací software se nejprve ukončí ukládání dat z měření. Poté se deaktivují sondy a odpojí se od PC. V této fázi je také možné odpojit ovládací skříň s PC. Uvolní se tak místo pro další činnosti. ➢ Zdvižná plošina se pomocí ovládacího panelu umístí do základní polohy a vypojí se z elektřiny. ➢ Pro vypuštění vody z modelu je k dispozici čerpadlo. To se ponoří do vody a hadice se umístí do odpadní trubky. Až poté se čerpalo zapojí do zásuvky. V průběhu čerpání vody důležité dávat pozor, aby čerpadlo nepoškodilo sondy! ➢ Zbylá voda se odstraní pomocí utěrek a nádoba se vytře do sucha. ➢ Nakonec se zkontroluje, zda je uzavřen přívod vody a plynu. 4. Zadání samostatné práce (úkolu) Laboratorní experiment na fyzikálním modelu jednotky FDU spočívá v realizaci základních variant fyzikálního modelování. Tyto varianty mají za cíl stanovit intenzitu odplynění kapaliny při změně počtu otáček a průtoku inertního plynu. V rámci laboratorního cvičení proveďte modelování variant, uvedených v tabulce. V průběhu měření zaznamenávejte křivky úbytku koncentrace kyslíku z vody a další potřebné údaje. Tabulka pro záznam dat je přiložena k návodu. Ke každé variantě pořiďte také snímek, který vizualizuje intenzitu proudění a množství bublin v reaktoru. Na základě naměřených dat proveďte hodnocení experimentů a navrhněte optimální variantu s ohledem na provozní podmínky. Berte v potaz také ekonomiku procesu. Tabulka – Definice variant experimentů fyzikálního modelování rafinace hliníkové taveniny Pracovní výška (mm) 160 Počet vlnolamů (ks) 1 Otáčky (ot∙min-1 ) 150 250 350 450 550 650 Průtok Argonu(Nl∙min-1 ) 12 17 22 27 12 17 22 27 12 17 22 27 12 17 22 27 12 17 22 27 12 17 22 27 Měření FM VT/NT Datum: Rotor: Ponor: Otáčky (ot/min) Průtok Ar (Nl/min) Sycení Měření Doba odplynění Poznámky Začátek Konec Začátek Konec (min) (s)