Revolutionerande ugnsövervakning
Med hjälp av radar kan Sandvik i realtid mäta temperatur, längdutvidgning och fasövergångar i fyra ton tunga stålämnen. Projektet ska nu spridas över Sverige för att spara energi och leda till jämnare produktkvalitet.
bildtext: I förgrunden syns Patrik Ottoson, vd för Radarbolaget, och i bakgrunden Fredrik Sandberg, forskningsansvarig för stål- och varmvalsverk. (Foto: Jesper Gunnarsson)
På ugn 62 i Sandviks valsverk sitter 37 radarsensorer som övervakar driften inne i ugnen.
– Radarsensorerna gör att vi kan se hur stålämnena kröker sig på grund av ojämn uppvärmning. Med sensorerna har vi eliminerat en säkerhetsrisk och ökat produktiviteten, säger Peter Andersson, ansvarig för varmbearbetning och färdigställning på den del inom SMT, Sandvik materials technology, som producerar råämnen.
Tidigare kunde stålämnena nämligen fastna inne i ugnen.
– Då blev det som plockepinn med fyra ton tunga stålämnen. Det krävs flera dagars driftstopp för att reda ut alltihop, säger Peter Andersson.
Temperaturen ska upp till 1300ºC. Uppvärmningen sker med gasol från väggarna. När stålets ovansida blir varmare än undersidan skiljer sig längdutvidgningen i olika delar av ämnet. Stålet böjer sig, eller ”kröker rygg”, som de säger på Sandvik. När temperaturen utjämnas lägger det sig ner igen, men kan då trycka ihop ugnsbäddens fasta och rörliga delar så att det blir stopp.
Sandvik tog in teknisk expertis för att lösa problemet. För att kunna se vad som händer inne i ugnen behövde de en teknik som kunde se igenom halvmetertjocka tegelväggar. Värmekameror fungerar mindre bra på grund av all diffus värmestrålning. Snart började man intressera sig för radarteknik, som penetrerar dielektriska material, alltså material som inte leder elektricitet.
Det visade sig att den radarteknik som fanns på marknaden var outvecklad och dyr, så tillsammans med Sandvik tog de fram en radarlösning för ugnsövervakning. Idag bedrivs verksamheten i Radarbolaget, som har fem anställda.
Genom att installera 37 sensorer med både sändare och mottagare kan de analysera drygt 100 mätpunkter i ugnen. Teoretisk sett kan sensorerna kombineras för att mäta betydligt fler mätpunkter, 684 stycken. Högre upplösning kan ge mer information om processerna i ugnen, och tekniken är på väg dit.
– Alla mätpunkter är inte meningsfulla eftersom de blir dubblerade på vissa positioner. Det som är unikt med vår lösning är att vi med digital bredbandsradarteknik kan sända radarvågor med låg effekt och kombinera vilka sensorer vi vill, säger Patrik Ottoson, vd på Radarbolaget.
Det ligger nära till hands att misstänka att strålningen är farlig. I själva verket är den bara en tusendel av en mobiltelefons strålning.
Antennen är ett kvadratiskt grönt kretskort med ungefär 20 centimeters sida. Eftersom radarn tränger igenom keramer så har kortet kapslats in med centimetertjock aluminiumoxid. Prylarna kyls med luft och har försetts med ett övertryck. Varenda litet järnfilsspån som tränger in kan förstöra komponenterna.
I princip räcker det med en tunn folie för att radarvågen inte ska kunna ta sig igenom. Därför har man varit tvungen att ta bort ugnens plåtskydd för att kunna installera sensorerna.
Ett problem är att rökgasreningen och värmeväxlare på ugnens ovansida sätter gränser för var sensorerna kan placeras. Ett annat är ugnens bärande stålbalkar.
– Vi får helt enkelt anpassa oss och placera dem där det är praktiskt möjligt, men oftast brukar det finnas gott om utrymme, säger Patrik Ottoson.
I början placerades sensorerna på ovansidan. Nu finns det även åtta sensorer på sidorna.
– Vi kan alltså se längdutvidgningen hos de olika stålämnena. Genom att jämföra med referenskurvan för legeringens längdutvidgning med avseende på temperaturen vet vi när de är färdigbakade och kan fortsätta valsas, säger Fredrik Sandberg, forskningsansvarig för stål- och varmvalsverk.
När radartekniken används för att mäta längdutvidgning är upplösningen 0,1-1 mm. De tio meter långa ämnena förlängs med ungefär tio centimeter. I de referenskurvor som Sandvik och Radarbolaget mätt för stålämnena kan de se ojämnheter i kurvan. Det beror på att längdutvidgningen inte är linjär, eftersom materialet kan genomgå olika fasomvandlingar.
– Det här öppnar upp för en rad olika tillämpningar. Vi kan exempelvis använda fasomvandlingen som en referenspunkt för temperaturen i ugnen, säger Fredrik Sandberg.
Från att ha löst problemet med fyra ton stålämnen som fastnar huller om buller i ugnen ska arbetet förmodligen fortsätta i form av ett energisparprojekt. Radarbolaget, Sandvik, Ovako, SSAB och Aga har skrivit en gemensam forskningsansökan.
Tidigare lät Peter Andersson och hans kollegor stålämnena ligga i ugnen lite längre, för säkerhets skull. Nu vet de exakt när stålet är klart för valsning. Temperaturen kan nämligen mätas med någon grads noggrannhet.
Det finns 30 ugnar i liknande storlek i Sverige. Bara i gasolbesparing beräknas den nya radartekniken kunna spara 123 GWh per år. Dessutom tillkommer produktivitets- och kvalitetsvinster.
JESPER GUNNARSSON
Fakta: Valsverksugnar
Ugnen är nästan kvadratisk, 14x15 meter, för att kunna rymma de över tio meter långa stålämnena som också kallas billets och slabs. Uppvärmningen behövs för att höja temperaturen hos stålämnena som hunnit kallna under den föregående valsningsprocessen: de ska valsas ännu mer.
I vanliga fall brukar ståltillverkare öppna hela gaveln, men eftersom ämnena är smala och långa, räcker det med att skicka in dem genom ett litet hål från sidan. Inne i ugnen stegas ämnena in i ugnen med hjälp av den rörliga delen av bädden.
Fakta: Radarteknik
Centerfrekvens: 2 GHz
Vinkel: 90–100.
Våglängd: 15 cm
Mättid: 5 ms
Upplösning: 0,1–1 mm för relativ avståndsbestämning (kända föremål där ursprungspositionen varit känd.) 1–2 mm för absolut avståndsbestämning. Radarupplösning: På grund av interferens måste två föremål befinna sig 10–15 cm ifrån varandra, annars sammanfaller vågorna.
Artikeln har tidigare varit införd i Process Nordic nr 12 2013
