Demir Çelik Sektöründe Bazı Yokogawa Uygulamaları

👤Güven Ayyıldız, Satış Mühendisi - Best A.Ş.
1. Analizör grubu 1.1 Kok fırınları Kok fırınları yüksek fırınların enerji kaynağıdır. Kömür içersindeki karbon oranını artırmak diğer taraftan ise hidrojen, oksijen ve azot gibi element oranını azaltmak amaçlanmaktadır. Kokun enerji kaynağı olması yanında diğer 2 önemli özelliği ise demiri indirgemek için karbonmonoksiti üretmesi ve sementasyon (carburizing) oluşumunu sağlayarak istenilen özellikte demirin oluşturmak için gerekli karbon kontentini sağlamasıdır. Kok fırını yanma odası: Kok oluşum sürecinde kömür 20 saat boyunca yanma odalarında yanma işlemine tabi tutulur. Burada kok istenilen fiziksel ve kimyasal özellikleri alır. Yanma odalarında dışardan içeriye doğru farklı sıcaklık zonları oluşmuştur. Sıcaklığın 1100-1200°C olduğu dış çeper tuğlalarda çatlak miktarı zamanla artacak böylece çıkan gaz ve toz bacaya sızacaktır (Şekil 1). Bacadaki gazın sürekli ölçümü, zarar görmüş kısmın erken hasar uyarımına olanak sağlar ve yanma fırının ne kadar hasar gördüğünü ve hasarın ne kadar ilerlediğini gösterir. Toz konsantrasyonun sürekli ölçülmesiyle, atmosfere yayılan toz miktarı kontrol altına alınabilir. Sisteme kolay entegre edilebilen DT450G toz monitorü bu tip prosesler için geliştirilmiştir. DT450G’nin kullanımı ile yanma odalarındaki çatlak boyutları büyümeden önlem alınabilir ve güvenlik riski oluşmadan önce potansiyel tehlikeli bölgeler belirlenebilir. Kok fırını yanma odasındaki gaz dar bir baca yardımıyla bacadan atılmak için iyileştirme odasına doğru gönderilir. Bu gaz diğer yanma odalarındaki gazlarla geniş bacada karışır ve atmosfere ana baca yardımıyla salınır. Geniş bacadaki toz konsantrasyonu moniterize edilir (Şekil 2).Ölçüm noktası ucundaki gaz çıkış sıcaklığı 220°C – 230°C civarındadır. Geniş bacada ölçüm yapabilmek için prob uzunluğu en az 1 m civarı tutulmuştur. Bu tip ölçümlerde uzun prob bükülme eğiliminde olmasından dolayı destekleyici borular ile mukavemetini arttırmak gerekmektedir (Şekil 3), ek olarak sensör izolasyonunu bozan toz birikimini önlemek için sensör üzerine sürekli kuru ve temiz hava (50 kPa – 50 NI/dk) gönderilmelidir. 1.1.2 Kömür tozu enjeksiyon sistemi: DT450G’nin kullanıldığı diğer bir alan ise kömür tozu enjeksiyon sistemidir(Şekil4).Bu sistem kömür değirmeni, filtre sistemi, depolama tankı ve yüksek fırından oluşur. Bu sistemde öğütücü mill tarafından parçalanan kömür sıcak hava yardımıyla depolama tankına taşınır. Sıcak hava ise torba filtreden geçirilerek atmosfere salınır. Eğer torba filtre hasar görürse kömür tozu atmosfere sızacaktır. DT450G toz monitorü torba filtrenin yırtılması durumunda sızıntı başlamadan önlem alınmasını sağlar. Böylelikle torba filtrenin bakım ve işletim maliyeti de azaltılmış olacaktır. Ölçüm noktası tip sistemler için torba filtrenin çıkış kısmıdır(Şekil 5). Deneysel olarak toz konsantrasyonu 6 g/Nm3, partikül çapı 20 micron, hızı 17 m/s, nem ve sıcaklık ise sırasıyla 2vol % ve 80 ile 100 °Cderece arasındadır. Aşağıdaki veriler ölçülen toz miktarı ile toz monitörü çıkış sinyali arasındaki ilişkiyi göstermektedir (Şekil 6).Bu tip bir sistemde DT450 G bakım yapılmaksızın 2 aydan fazla çalışabilmektedir. Toz monitörü tarafından toplanan veriler operatöre hangi torba filtrenin yırtılıp yırtılmadığı hakkında bilgi vererek bakım yükü azaltır ve düzenli olarak torba filtrenin değiştirilmesiyle maliyet düşümüne yol açar. Özetle mikro işlemci tabanlı DT450G emniyet için geliştirilmiştir. Proses durumuna cevaben tek dokunuşla otomatik range ayarı ve otomatik drift kompanzasyonu özellikleri arasında sayılabilir.DT450 G prosese göre 250°C sıcaklıklarda ölçüm yapabilmektedir. 1.2 Sinterleme prosesi Yüksek fırın için gerekli hammadde hazırlama işlemine sinterleme denir. Yüksek sıcaklıkta gerçekleşen sinterleme işleminde cevher, kireçtaşı ve kok tozu uygun ebatlarda birleştirilir. Sinterlemenin amacı yüksek fırın için uygun olmayan toz cevherinin belli bir sıcaklıkta fırın için uygun ebatlara getirilmesidir. 1.2.1. Sinterleme fırınlarında hava sızıntısı kontrolü: Sinterleme fırınlarında hava sızıntısı kontrolü sadece enerji verimini arttırmak için değil aynı zamanda düzenli sinterlenmiş ham mamül elde etmek için büyük öneme sahiptir. Gaz sızıntısını algılamak için oksijen analizörü kullanılır. ZR22/ZR402 direk ölçümlü zirkonya oksijen analizörleri iyi bir cevap süresi, kararlılık ve bakım olanağına sahiptir. Yüksek oranda toz, nem ve yaklaşık olarak -5 kPa basınç içiren LR tipi sinterleme fırınında ZR22 /ZR402 kullanımı uygundur. (Şekil 7) Ölçüm noktası kanat kutusu,sıcaklık 200°C, kompozisyon CO2 10%; CO:2 %; O2:8 ...16%; N2 76 %, SO2; 600 ppm, nem 4...17% , toz 1....5 g/Nm3 ve akış hızı 2....5 m/s olan bir proses için zirkonya modeli aşağıdaki gibi verilmiştir. Enerji sarfiyatı, sinterleme fırınının verimliliğini arttırmak, dolayısıyla yüksek kaliteli bakım, kararlı hava sızıntı kontrolünün gerçekleştirilmesi ve işletim maliyetinin azaltılması ZR22/ZR402 kullanımı ile mümkündür (Şekil 8). ZR22/ZR402 direk ölçümlü zirkonya oksijen analizörleri iyi bir cevap süresi, kararlılık ve bakım olanağına sahiptir. Yüksek oranda toz, nem ve yaklaşık olarak -5 kPa basınç içieren LR tipi sinterleme fırınında ZR22/ZR402 kullanımı uygundur. 1.3 Yüksek sıcaklık fırınları Yüksek fırın 20-30 m yüksekliğinde içi ateşe ve ergiyen maddelerin etkilerine dayanabilen, tuğlalarla örülmüş ve tersine kapatılmış iki kesik koni şekline benzeyen fırın olarak tarif edilebilir (Şekil 9).Fırına yüklenen sinter, pelet veya demir cevheri yüksek fırında redüklenir ve malzeme yukarıdan aşağıya indikçe ısı nedeniyle genleşeceğinden, fırın gövdesi aşağıya genişleyecek şekilde yapılmıştır. Şarj edilen cevher, kok ve katkı maddelerinden oluşan hammaddeler yukarıdan aşağıya doğru inerken, aşağıdan üflenen hava ile yanan kok ve oluşan redükleyici gaz aşağıdan yukarı doğru çıkar. 1.3.1. Yüksek sıcaklık fırınlarında çıkış gazı oksijen konsantrasyonu ölçümü: Yüksek sıcaklık fırınlarında, kok bölümünde üretilen gaz fırını ısıtması için tekrar yakılır. Verimliliği arttırmak için ve enerji tasarrufu sağlamak için, çıkış gazının, ölçümü ve oksijen konsantrasyonunun ayarlanması yanma kontrolü için gereklidir (Şekil 10). ZR22/ZR402 zirkonya analizörü yüksek fırınlar için kontrollü yanmayı sağlarken, yüksek ömürlü sensörler sağlarlar. Yüksek fırın sıcak hava sıcaklığı yaklaşık olarak 1300°C’dir. Verimli bir proses için yüksek kalorili yakıt ve çıkış gaz sıcaklığının tekrar geri kazanımı ile mümkündür. Yanma verimliliğini daha fazla arttırmak ve enerji sarfiyatını sağlamak için çıkış gazı oksijen konsantrasyonu ölçümü gereklidir. Bu tip bir proses için ölçüm noktası çıkış gazı tekrar ısıtma sistemindeki boru, sıcaklık maksimum 350°C, basınç maksimum 10 kPa, toz 50 mg/Nm3 olarak gözlenmiştir. Notlar: Örneklem gaz basıncını azaltmak için detektör glove box içine montaj yapılmalıdır. 3 detektörden fazla montaj yapılacaksa,AV550G Averaging Konverter ZR402G’nin yerine montaj yapılmalı. AV550G 8 detektöre kadar sinyal kabul edebilmektedir. 1.4 Çelikhane ısıl işlem fırınları Yüksek fırın prosesinden sonraki diğer adım ise çelikhanede gerçekleşen prosestir. Çelikhanede potaya alınan eriyik demir slablar haline getirilerek oksijensiz ortamda yüksek sıcaklıklara maruz bırakılır. Buradaki amaç çeliğin okside olmasını engellemektir. 1.4.1 Isıl işlem fırınlarında oksijen ölçümü: Isıl işlem fırınlarında (Şekil 12) çeliğin okside olmasını engellemek için 1000 °C gibi yüksek sıcaklıklarda ve düşük oksijen şartlarında işlem gerçekleştirilir. Fırındaki oksijen konsantrasyonu ölçümün vazgeçilmez bir parçasıdır. Slablar(levhalar) konveyör üzerine yerleştirilir ve 900 ile 1400 °C arasındaki ısıl işlem fırınına doğru beslenir. Yakıt olarak bu fırınlar yüksek fırınlarda elde edilen gazı kullanır. Oksijen konsantrasyonunun %1-%2 civarında tutmak için ön ısıtma, ısıtma ve soğutma zonlarını da zirkonya analizörü ile monitorize etmek gerekir. Örnek proseste ölçüm noktası olarak ön ısıtma, ısıtma ve soğutma zonları ölçün noktası olarak alınır. Sıcaklık bu zonlarda 900°C ile 1400°C arasında basınç ise 30 ile 50 kPa arasındadır. Notlar: Yüksek sıcaklık adaptörü için seçilecek malzeme örneklem gazının sıcaklığına bağlıdır. Probu kurduğunuzda yönergeleri izleyiniz. SUS: Örneklem gaz sıcaklığı < 750 °C Inconel:750 °C< örneklem gaz sıcaklığı < 900 °C SiC : 900 oC<örneklem gaz sıcaklığı <1400 °C Not: Prob yatay olarak montajlanırsa, mutlaka statik olarak desteklenmelidir. 1.5 Sementasyon fırınları Sementasyon ya da diğer ismiyle yüzey sertleştirme işleminde düşük karbonlu çelikten imal edilmiş parçaların(otomobil, havacılık, denizcilik, makine elemanları vb... sektörlerde) karbon verici yüksek sıcaklık fırınlarında tavlanması işlemidir. Bu proses 3 bölümden oluşur. Birincisi parça 850-900OC ye kadar ısıtılır daha sonra ani olarak yağ içersinde(çeliğe su verme) soğutulur son olarak ise oluşan martenzit yapıdaki yüzey gerilimlerini almak için 250-300°C lerde menevişleme işlemine tabi tutulur. 1.5.1 Sementasyon prosesinde karbon potansiyel kontrolü: Katı, sıvı, gaz ve vakum sementasyon tipleri arasındadır ancak eğilim sementasyon derecesinin ayarlanabildiği gaz sementasyon yönündedir. Atmosferik gaz sementasyon fırınlarında karbon potansiyelinin direk ölçümü imkansızdır. Bu yüzden fırın atmosfer ayarı için dew cell ve dew point (çiğ noktası) indikatörler kullanılır. İleri hassasiyet ve hızlı cevap süresini kazanabilmek için, çoğunlula CO2 seviyesi için infrared gaz analizörleri, O2 seviyesi için ise zirkonya analizörleri kullanılır. Sementasyon prosesinde gerçek zamanlı karbon potansiyelini belirlemek ve kontrol ederek aşırı karbon doyumundan kaçmak ve kaliteyi arttırmak amaçlanmaktadır. CX 1000 ve CX 2000 hem infrared gaz analizörlerini hem de zirkonya tipi analizörleri destekler ve otomatik olarak bu cihazlardan alınan çıkış sinyaline göre CP ( karbon potansiyeli) değerini hesaplar. Proses değeri olarak, otomatik olarak hesaplanan CP değerinin PID kontrole katılmasıyla gerçek zamanlı gözlem, kontrol ve CP kaydı kolayca yapılabilir. Sementasyon hızına ve parçanın et kalınlığına göre, sıcaklık yükselme zamanını düzeltmek için fırın iç yüzeyinin sıcaklık kontrolü gereklidir. Bunun yanında birincil ve ikincil ani soğutma (quenching ve ya çeliğe su verme ) ve menevişleme(annealing) işlemleri sementasyondan sonra yapılır. Ama çoklu loop kontrol yapma özelliklerine ek olarak, tekbir CX enstrümanı fırın içi sıcaklığını ve CP değerini kontrol edebilir. Sürekli Sementasyon Fırın Örneği; CX 2000 6 loopa kadar birbirinden bağımsız PID kontrol fonksiyonuna sahiptir.6 loop üzerinden CP hesaplama yeteneği onu büyük sementasyon fırınları için sürekli izleme olanağı sağlayacaktır. Kompakt ve yüksek verimli CX çoklu PID kontrol için mükemmel çözümler sunar. O2 Sensör ve Co2 Analizör Kombinasyonu İçin Tekli Sistem; CX 1000 ve CX 2000’in her ikisi de zirkonya O2 analizörü ve CO2 gaz analizörünü destekler. Eğer bu ölçümler tek bir sistemde birleştirilirse O2 ve CO2 analizöründen gelen verileri karşılaştırma imkanı bulunur. Daha hızlı bir cevap süresi için O2 sensörüne kontrol uygulanır ve doğrulama için CO2 analizörüne de uygulanır. CX1000/S35 ve CX2000/S35 karbon potansiyel hesaplama fonksiyonlu sementasyon fırınlar kontrolleri için uygundur.SP, PV ve çıkış değerinin kaydı eşzamanlı olarak yapılmaktadır.CF kart, Web monitor, FTP ve email fonksiyonlarını barındıran CX1000 ve CX2000 genel özellikleri aşağıda verilmiştir. CX1000/S35 • 2 loop kontrollü 144 mm X 144 mm ölçülerinde • 30 örnek program fonksiyonu • Maksimum 8 kanallı kağıtsız rekorder özellliği CX2000/35 • Maksimum 6 loop kontrol(birbirinden bağımsız) 288 mmx 288 mm ölçüler • CP değeri her bir zone için kontrol edilebilir ve hesaplanabilir • Bir ünite çoklu CP hesaplama yapabilir • Maksimum 26 kanal (6 kontrol 20 ölçüm noktası) CP değeri hesap fonksiyonu ile CX1000 ve CX2000 atmosferik gaz sementasyon uygulamalarında kullanılır ve kalite-verim için sade, yüksek maliyet performans çözümleri sunar. Ek olarak, kontrol prosesinin dijital kaydı düşük maliyetli işletimler sunacaktır.2. Basınç Transmiterleri 2.1 Yokogawa basınç transmiterleri çarpıcı biçimde kalibrasyon aralığını uzatır: Basınç transmiterleri demir çelik sektöründe basınç ve akış ölçümlerinde sıkça kullanılır. Bu tip uygulamalarda basınç transmiterleri anlık yüksek hat basınçlarına ve yüksek sıcaklığa maruz kalabilmektedirler. Bu da çıkış sinyalinin kararlılığınını bozarak hatalı sonuçlar elde etmemize yol açacaktır. Yokogawa EJA ve EJX basınç transmiterleri single silikon rezonans sensör teknolojisi (sadece Yokogawa) ve yüksek basınç hat koruma sistemi ile çıkış sinyalindeki karalılığı(Şekil 17) 10 seneye kadar garanti eder. 2.2 Düşük akış kesim (Low Flow Cut-Off) : Low cut modu ile Yokogawa basınç transmiterlerinin kullanıldığı akış ölçümlerinde düşük akışa karşılık dalgalı çıkış sinyallerini almazsınız. Bernoulli denklemine göre akış değeri fark basıncın kareköküyle orantılıdır. Düşük hızlarda yüksek kazanç gereksiniminin sonucu olarak yükseltgeçten kaynaklı doğal olmayan gürültü sinyalleri ürerilir. 4 mA civarında dalgalı çıkış sinyalleri Dp harp smart transmiter yazılım özelliği ile akışın %20(max) sine programlanarak çıkış sinyalindeki osilasyon elimine edilir. Aşağı %5 gibi akışlarda hem lineer olarak ayarlanan hem de sıfır olarak ayarlanan 2 adet grafik (Şekil 18) verilmiştir. 3. Akış ölçerler Demir çelik sektöründe soğutma suyu ölçümlerinde kullanılan manyetik akış ölçer grubu, sıvı ve gaz ölçümünde kullanılan rotametre, doğalgaz, buhar ölçümünde kullanılan vortex ve kütlesel debi, yoğunluk, sıcaklık ve konsantrasyon ölçümlerini eş zamanlı olarak yapabilen coriolis tipi akış ölçüm cihazlarıdır. 3.1 Manyetik debimetre: Yokogawa tahrikleme sisteminde AC ve DC tahriklemeyi bir arada kullanan çift frekans tahrikleme ile hem sıfır kararlılığını yakalamış, hem de gürültü sinyallerini elimine ederek temiz bir çıkış sinyali elde edilmesine olanak sağlamıştır. Akış tüpü basınçtan, vakumdan ve aşınmadan kaynaklı ölçüm hatalarını elimine etmek için PFA tipi teflon malzemeyle kaplanmıştır. Dışarı taşmayan elektrot yapısı(Şekil 19) sayesinde partiküllerin elektrot yüzeyine çarpmasıyla oluşacak olan gürültü sinyali oluşma olasılığı düşer. Aynı zamanda çıkarılabilir elektrot ve elektrot kirlenme seviyesi göstergesi mevcuttur. Opsiyonel olarak seçilebilen mirror finished parlatma(Şekil 20) opsiyonu ile yapışkan akışkanın kaplamada kalması engellenir hem de akışdan kaynaklanan gürültü seviyesi düşürülür. Son olarak demir-çelik sektöründe kullanılan AXF harici 2 tip Yokogawa manyetik akış ölçer daha vardır. Bunlar sırasıyla AXR ve CA modelleridir. AXR 2 telli olma avantajıyla AXF göre 40 kat enerji tasarrufu sağlarken hafif partiküllü sıvılarda AXF ile aynı performansı gösterecektir. CA modeli ise minumum 0,01 µs/cm iletkenliğindeki aşırı korozif ve yapışkan sıvıların ölçümünde sıvıyla temas etmeyen elektrot ve seramik kaplamasıyla 0,5% gibi hassasiyette ölçümleri garanti eder. 3.2 Rotametre: Yokogawa RAMC(Şekil 21) tipi rotametreler DN15 den DN150 ye kadar olan hat çapları ile demir-çelik sektöründe kullanılan analizör örneklem sistemlerinde sıklıkla kullanılır. Soğuk şekillendirme yöntemiyle üretilmiş tüp yapısı ve tok malzemeden yapılmış şamandıra malzemesiyle zorlu ölçümler için idealdir. Akış değeri eş zamanlı olarak anlık ve toplam akış olarak görülebilir. Aynı zamanda Yokogawa patentli ‘Float Blockage’ sistemiyle çıkış sinyalindeki dalgalanmanın şamandıra hareketinden mi yoksa ölçümdeki hatadan mı kaynaklı olduğunu anlayarak hata sinyali gönderir. 3.3 Vorteks debimetre: Buhar ölçümlerinde geleneksel yöntemler arasında başlıcası orifice ve basınç transmiteri birlikte kullanım tekniğidir. Bu tip bir ölçüm sisteminde düşük turndown(3:1), yüksek hat basıncı kaybı ve zamanla orifice plakasının aşınması ölçümde sıkıntı oluşturacaktır. Yokogawa vortex akış ölçerler( Şekil 22) ise düşük hat basınç kaybı, 35:1 gibi turndown ölçüm aralığı ve dublex paslanmaz shedder bar yapısıyla buhar ve doğalgaz ölçümleri için idealdir. Bunlara ek olarak sıcaklık ölçümü yapabilen multivariable seçeneği ile kütlesel ölçüm yapmak mümkündür. Coriolis Mass Flowmeter: Akaryakıt ölçümünde geleneksel olarak mekanik tipte akış ölçerler kullanılır. Mekanik tasarımları tıkanma, aşınma, problemlerine meyillidir. Ek olarak sistemde yüksek basınç kayıpları yarattıkları için enerji verimlilikleri düşüktür. 0,1% hassasiyete sahip direk olarak kütlesel ölçüm yapabilen Yokogawa coriolis tipi kütlesel akış ölçer(şekil 23) ile eş zamanlı olarak yoğunluk ölçümü ve konsantrasyon ölçümü yapmak mümkündür. Akışkan önünde hiç bir engele sahip olamayan yapısı ile düşük hat basınç kayıpları ve patentli yapısıyla motor ve akıştan gelen gürültü sinyallerini elimine ederek kararlı çıkış sinyalleri almanızı sağlayacaktır. Kaynaklar 1. Yokogawa Uygulama Notları 2. Karabük 1 Nolu Yüksek Fırın Projesi – Temmuz – 2010 3. Demir Çelik Sektöründe Üretim Teknolojileri ve Uygulamaları – TMMOB – 1. Demir Çelik Sempozyum Bildirileri 4. Demir Çelik Üretim Teknolojileri – Kocaeli Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Müh. – 2011-2012 5. Yüksek Fırın İşletmeciliğinde Optimizasyon – Özlem Aydın – YTÜ – 2005 6. Sementasyon Hakkında Bilgi – www.haddemetal.com.tr