Värmningsugnars energianvändning optimeras med radar

I Sandviks stålverk vid en av de stora värmningsugnarna finns Radarbolagets radarutrustning och övervakar värmningsprocessen genom att bestämma stålets temperatur och färdighetsgrad. Vid en ugnstemperatur på 1200 grader värms stålämnen för att sen valsas till högkvalitativa stålband. Med Radarbolagets teknik uppskattas stålindustrin spara 1,9–3,7 gigawattimmar per år och ugn.

Framgångarna är ett av resultaten från projektet Optimerad energianvändning av värmningsugnar med radaravbildning – OPTIR, som finansieras inom programmet Järn- och stålindustrins energianvändning (JoSEn) som drivs av stålindustrins branschorganisation Jernkontoret och Energimyndigheten. Vi träffade Patrik Ottoson, vd för Radarbolaget.

Kan du berätta vad er utrustning gör?

– Vi övervakar stålämnenas temperatur i ugnen. Rent konkret mäter vi ämnenas utvidgningshastigheter vid ett antal mätpunkter. Parallellt med vår mätning beräknas motsvarande hastighet av ett ugnsstyrningssystem, till exempel FOCS. Avvikelser mellan verklig och beräknad utvidgningshastighet använder vi sen för att korrigera ugnsstyrningssystemet. Därigenom kan värmningen av stålämnena kontinuerligt optimeras.

På vilket sätt sparar era mätningar energi åt stålindustrin?

I dagsläget värmer man stålämnena längre än vad som behövs för att vara på säkra sidan så att man kan valsa och tillverka stål med önskad kvalitet. Om man vet när ämnet är färdigvärmt så behövs inte denna extra värmning, vilket sparar energi, tid och pengar.

Mattias Sandström, Mattias Keva och Peter Andersson vid Ugn 62 i Sandvik.
Fotograf: Daniel Andersson, Radarbolaget

Vilken är fördelen med att använda radar?

– En radar skickar ut radiovågor på ungefär samma sätt som en laser skickar ut ljus. När dessa vågor träffar ett metallföremål så reflekteras vågen tillbaka. Med en mycket noggrann klocka kan tiden mätas mellan utsänd och mottagen radiovåg. Fördelen med radiovågor jämfört med laserljus är att de går igenom ugnisoleringen och behöver inte ha fri sikt till mätobjektet. Man brukar säga att tekniken därigenom är beröringsfri och oförstörande.

Radar, då tänker man kanske mest på utrustning som finns på båtar och i flygplan. Hur blir det annorlunda att använda radar inom stålindustrin, hur mäter man till exempel vid tusen grader utan att utrustningen brinner upp?

– I och med att radarsensorn sätts utanpå ugnsisoleringen, som brukar var en halv meter tjock, så skyddas den från den omedelbara hettan. Det brukar dock vara 100–150°C i antennhuset, men det klarar utrustningen eftersom antennen endast består av en keram och antennelement i metall, och ingen elektronik. Den är alltså relativt okänslig för värme. En radar inom stålindustrin kräver extremt hög noggrannhet och det åstadkoms genom att göra radarn bredbandig, vilket innebär att den skickar radiovågor på flera frekvenser samtidigt.

Projektet OPTIR finansieras inom programmet Järn- och stålindustrins energianvändning (JoSEn) som drivs av stålindustrins branschorganisation Jernkontoret och Energimyndigheten. Programmet stödjer projekt som effektiviserar järn- och stålindustrins energianvändning. Visionen är att svensk järn- och stålindustri år 2050 är kunskapsmässigt ledande i världen och levererar energi- och klimateffektiva produkter.

Hur kom ni i kontakt med JoSEn och stålindustrin?

– Allt började på Sandvik. Till en början försökte vi hitta sprickor i deras värmningsugnar, men så snart Sandvik insåg potentialen i att kunna detektera och mäta avståndet till stålämnen så förflyttades fokus. Vi byggde ett system för ugnsövervakning där vi kunde positionera ämnena och övervaka ämnenas uppböjningar, vilka beror på ojämna temperaturfördelningar och spänningar i ämnena. Det systemet skapade idéerna till att betrakta stålämnena som stora termometrar och omvandla utvidgningen till en temperatur. När vi insåg potentialen i sparad energi så föll det sig naturligt att föra en dialog med Jernkontoret kring att utveckla denna idé till verklighet.

Ni är flera parter i projektet. Vilka olika kompetenser behövs för att optimera energianvändningen?

– Det är framförallt Sandvik som arbetar med modeller och ugnsstyrning. De har tagit fram en metod för att jämföra vår uppmätta utvidgning med beräknad temperatur och färdighetsgrad. SSAB har också visat hur radartekniken kan infogas i ett befintligt ugnsstyrningsprogram som heter FOCS. Ovako och Aga har också hjälpt till i projektet. Radarbolaget har erhållit extern hjälp från FOI och Högskolan i Gävle kring radaravbildning. Radarbolagets egen kompetens har fokus på att bygga en extremt noggrann och robust radarteknik som fungerar i industriella miljöer. Därutöver krävs fysikalisk och materialteknisk kompetens för att jämföra radarmätningarna med temperatur och färdighetsgrad. Där har Sandvik och SSAB bidragit stort. Projektet har visat att en synergi av kompetens skapar något riktigt stort.

Hur fick ni idén att mäta utvidgningshastigheten istället för absolut utvidgning?

– Idén uppkom i början av projektet. Utmaningarna med absolut utvidgning insågs då modellgruppen förklarade svårigheten med att modellera varmchargerade stålämnen. De var mindre varma på ytan och mer varma i mitten, i motsats till kallchargerade ämnen. Samtidigt insåg radargruppen svårigheterna kring mätning i väggar med olika tjocklek och olika temperaturer.

 

Utrustningen monterad på en av SSABs värmningsugnar i Borlänge.
Fotograf: Patrik Ottoson, Radarbolaget

Ni har tagit fram en ny modell för att räkna ut när stålämnena är färdigvärmda. Hur skiljer sig er modell från tidigare sätt att räkna?

– Själva modellen för att beräkna temperaturen i ett stålämne, utifrån ugnsvärmningen, har gjorts på traditionellt sätt. Steeltemp® och FOCS har motsvarande modeller. Den stora utmaningen har varit att hitta och gå över till en storhet som kunde mätas effektivt med radarn. Dessutom har projektet krävt hög noggrannhet i alla delar för att bestämma färdighetsgraden med hög precision. Därför har ursprungsidén med att mäta absolut utvidgning förkastats eftersom metoden kräver orealistisk god kännedom om initial temperatur, temperaturfördelning och längd. Dessutom är det svårt att åstadkomma direkt jämförbara radarmätningar vid olika mätplatser eftersom isoleringen i ugnsväggarna varierar och påverkar mätningarna. Görs däremot en bestämning av utvidgningshastigheten kan detta göras under en förhållandevis kort tid (3–4 minuter), vilket innebär att förhållandena i ugnen då kan betraktas som konstanta. I vårt projekt har vi bevisat att den noggrannaste metoden, för bestämning av om ett ämne uppnått en måltemperatur, är matchning av utvidgningshastigheter.

Hur stora utvidgningshastigheter handlar det om?

– Hastigheterna är mycket låga i dessa sammanhang. I början av uppvärmningen så är hastigheten ungefär tio millimeter per minut. I slutet av processen understiger hastigheten 0,1 millimeter per minut. Och då måste mätningarna utföras med en extremt hög noggrannhet. Radar används för att mäta hastigheter vid exempelvis fartkameror, men då används så kallad Dopplerteknik. Den tekniken bygger på att mäta frekvensändringar, men det är inte möjlig i dessa sammanhang eftersom hastigheterna är så pass låga.

Vad krävs för att er modell ska kunna komma ännu närmare verkligheten?

– Vid värmning är inte temperaturen jämt fördelad i stålämnet. Om ämnet kallchargeras och har en rumstemperatur när det läggs in i ugnen så blir ytan snabbt varmare än kärnan. Detta gör att ämnet "kröker rygg" och därmed mäts kortare än vad det egentligen är. Dessutom fastnar ämnet emellanåt mot underlaget det ligger på, vilket kan förvärra krökningen. Ofta är detta mycket små avvikande rörelser, men de är registrerbara för radarn. Vi kan mäta "krökningen" från ovansidan när den är som störst, i början av värmningen, och kompensera för den. Skulle vi kunna modellera och ta hänsyn till "krökningen" så skulle metoden bli ännu noggrannare. Slutmålet är dock att ta fram ett feedback-system från valsningen för att därigenom konstatera om kvaliteten är jämn och god. Det är ändå slutproduktens kvalitet som ska vara styrande.

Utvidgningsmätningar görs väl i en mängd sammanhang där man borde kunna använda er specialframtagna tekniklösning?

– Absolut! Vi hade som delmål att identifiera ett antal sådana fall. Generiska lösningar för bredd- och centreringsmätning har gjorts möjlig med denna utrustning. Vi har också möjlighet att detektera och positionera ämnen vid inläggningen och uttagningen. Faktum är att kalkindustrin fick upp ögonen för tekniken tack vare detta projekt. Vi har idag ett nära samarbete med Nordkalk och Cementa tack vare detta projekt.

Vad blir nästa steg?

– Projektet har försökt skapa en generisk metod där befintliga ugnsstyrningssystem ska kunna kompletteras med radarmätutrustning som mäter och beräknar utvidgningshastigheten. Vi genomför just nu livemätningar på Sandvik och SSAB för att verifiera och förbättra metoden. Kvarstående arbete i projektet är fokuserat på livemätningar och på att visa hur väl metoden fungerar. Utmaningarna har varit stora, men aktörerna är eniga om att projektmålen kommer att nås. Därför är det viktigt att redan nu skissa på hur en eller två demonstrationsanläggningar ska kunna etableras så att investerade medel i detta projekt får stor spridning. Genom demonstrationsprojekt kan effektmål för energi, tid, pengar och kvalitet tydligt kvantifieras.

Program Järn- och stålindustrins energianvändning – forskning och utveckling
Typ av stöd Forskningsstöd
Slutår 2017

Effekter av våra satsningar-arkivet