Progresivní metody modelování Doc. Ing. Ladislav SOCHA, Ph.D. a kol. Realizace laboratorního experimentu zaměřeného na fyzikální modelování rafinace slitin kovů Seminář č. 4 Fyzikální modelování 3 üV laboratoří Vysoké školy technické a ekonomické v Českých Budějovicích se nachází fyzikální model rafinace hliníkové slitiny. üHliníková slitina se v provozních podmínkách zpracovává na zařízení pro rafinaci hliníkové taveniny nazývaném FDU (Foundry Degassing Unit). üToto zařízení se skládá z rotoru, kterým je do taveniny přiváděn rafinační plyn (v provozních podmínkách dusík) a vlnolamu. üPo 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). üFyzikální model má tedy za úkol na základě teorie podobnosti v laboratorních podmínkách predikovat intenzitu odstranění vodíku z taveniny hliníku v reálném procesu. Přednáška č. 4 Realizace laboratorního experimentu zaměřeného na fyzikální modelování rafinace slitin kovů Fyzikální modelování 4 üJak bylo řečeno v předchozí kapitole, fyzikální modelování je založeno na teorii podobnosti dvou systémů. üPředlohou pro fyzikální model pánve pro rafinaci taveniny byla provozní pánev, využívaná společností MOTOR JIKOV Slévárna a.s. üFyzikální model reaktoru včetně rotoru a vlnolamů byl vyroben v měřítku 1:1 k této pánvi, čímž se zajistila geometrická podobnost modelu a díla. üK dispozici je také model pánve pro nízkotlaké lití uvedené společnosti. üDynamická podobnost modelu a díla byla zajištěna nahrazením taveniny hliníkové slitiny vodou, která při pokojové teplotě vykazuje podobnou dynamickou viskozitu jako hliník. üŠkodlivý vodík byl pro potřeby fyzikálního modelování nahrazen kyslíkem, který má ve vodě při pokojové teplotě podobné vlastnosti jako vodík v tavenině hliníku. üObsah kyslíku ve vodě je monitorován dvěma optickými sondami, umístěnými v různých vzdálenostech od dna modelu. üSondy využívají jev luminiscence, jejíž intenzita je závislá na obsahu kyslíku ve vodě. Přednáška č. 4 Realizace laboratorního experimentu zaměřeného na fyzikální modelování rafinace slitin kovů Fyzikální modelování 5 üCílem 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. Přednáška č. 4 Realizace laboratorního experimentu zaměřeného na fyzikální modelování rafinace slitin kovů Kompletní sestava fyzikálního modelu jednotky FDU Fyzikální modelování 6 üCílem 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. Přednáška č. 4 Realizace laboratorního experimentu zaměřeného na fyzikální modelování rafinace slitin kovů Kompletní sestava fyzikálního modelu jednotky FDU Fyzikální modelování 7 üVlastní sestava fyzikálního modelu se skládá z následujících částí: ü Øzdvižná plošina pro umístění modelů pánví Ø2x modely pánví z plexiskla v měřítku 1:1 Ø1x vnější čtvercová nádoba z plexiskla pro umístění modelů pánví (určeno pro audiovizuální interpretaci) Ønosná konstrukce s následujícími komponenty → motor pro pohon rotoru, univerzální spojka rotoru, grafitový rotor, 2x uchycení vlnolamů, rozvod plynu do rotoru, laserový otáčkoměr Øpanel pro ovládání průtoků plynů → kyslík → naplynění, argon → rafinace Ø2x sonda METTLER-TOLEDO InPro6860i/12/120/mA Ex pro měření obsahu kyslíku ve vodě Øřídicí panel → skříň s ovládacím PC → regulace a řízení otáček rotoru + záznam průběhu odplynění ü Přednáška č. 4 Realizace laboratorního experimentu zaměřeného na fyzikální modelování rafinace slitin kovů Fyzikální modelování 8 üZákladní princip fyzikálního modelování odstranění rozpuštěného vodíku z hliníkové taveniny spočívá v odstraňování rozpuštěného kyslíku z modelové kapaliny (vody) za pomoci argonu. üPro kontinuální měření obsahu kyslíku byly vybrány optické sondy firmy METTLER-TOLEDO, dovolující měření obsahu rozpuštěného kyslíku do 26 mg∙l-1 (26 ppm). üPro sondy bylo nutno vyvinout software, který splňuje požadavky na měření koncentrace kyslíku včetně komunikace přes PC, archivace dat a jejich hodnocení. üNa obrázku je pro představu uvedeno rozhraní pro monitorování koncentrace kyslíku v průběhu fyzikálního modelování. Přednáška č. 4 Realizace laboratorního experimentu zaměřeného na fyzikální modelování rafinace slitin kovů Ukázka SW rozhraní pro monitorování koncentrace kyslíku 9 Přednáška č. 4 Realizace laboratorního experimentu zaměřeného na fyzikální modelování rafinace slitin kovů Aktuální hodnoty koncentrace kyslíku Střední hodnota koncentrace kyslíku Směrodatná odchylka Otáčky rotoru Fyzikální modelování 10 üKonstrukce modelu je velmi variabilní, umožnuje změnu několika parametrů, a tedy i definici celé řady modelovaných variant. Mezi tyto parametry patří: Ø typ rotoru Ø vzdálenost rotoru od dna pánve (pracovní výška) Ø počet vlnolamů Ø počet otáček Ø průtok inertního plynu (Ar) ü Přednáška č. 4 Realizace laboratorního experimentu zaměřeného na fyzikální modelování rafinace slitin kovů Fyzikální modelování 11 üPro fyzikální modelování odstranění vodíku z taveniny hliníku na jednotce FDU, byla vyvinuta metodika, která spočívá v následujících krocích: Øustavení nádoby do požadované polohy neboli pracovní výšky 160 mm → pro rotor XDR 190 od dna pánve za pomoci zdvižné plošiny Ønaplnění modelu vodou, přičemž hladina vody dosahuje výšky vyznačené výšky Ønastavení požadovaného průtoku plynu dle požadavků dané varianty experimentu, při zachování tlaku plynu 0,4 bar Øsycení 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 Ønastavení požadovaných otáček pro danou variantu experimentu → v průběhu prodlevy Øspuštění měření → po skončení prodlevy současné spuštění dmýchání argonu, otáčení rotoru a záznamu dat z optických sond Øukončení měření → vypnutí otáček a zastavení přívodu plynu, jakmile střední hodnota koncentrace kyslíku z měřicích sond dosáhne hodnoty 0,5 ppm ü Přednáška č. 4 Realizace laboratorního experimentu zaměřeného na fyzikální modelování rafinace slitin kovů Zadání laboratorního experimentu 12 üLaboratorní 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 budou zaznamenávejte křivky úbytku koncentrace kyslíku z vody. 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. Přednáška č. 4 Realizace laboratorního experimentu zaměřeného na fyzikální modelování rafinace slitin kovů 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 Definice variant experimentů fyzikálního modelování rafinace hliníkové taveniny