Измерение окисленности жидкого металла

Обновлено: 04.01.2025

окисленность / сталь / активность / кислород / раскисление / алюминий / качество / поверхностные дефекты / окисненість / сталь / активність / кисень / розкислювання / алюміній / якість / поверхневі дефекти / oxidizing / steel / activity / oxygen / deoxidation / aluminium / quality / surface defects

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Якин М. Н., Коваль С. А., Стефанец А. В., Чичкарев Е. А., Годынский А. А.

Проведены исследования изменения окисленности металла мартеновской печи на плавках различных марок стали , проанализированы факторы, влияющие на величину активности кислорода в сталеплавильном агрегате перед выпуском и в ковше.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Якин М. Н., Коваль С. А., Стефанец А. В., Чичкарев Е. А., Годынский А. А.

Совершенствование технологии раскисления и легирования конвертерной стали с использованием данных об активности растворенного кислорода

Исследование окисленности расплава в кислородных конвертерах с целью контроля его состава и момента окончания продувки

Optimization of steel deoxidation with application of the data regarding the activity off dissolved oxygen

Investigated were changes in metal oxidation in an open hearth furnace for various steel grades melting analyzed were the factors ,influencing the value of oxygen activity inside the steel smelting unit, prior to metal transfer into a ladle.

Текст научной работы на тему «Оптимизация раскисления стали с использованием данных об активности растворённого кислорода»

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2012р. Серія: Технічні науки Вип. 24

©Якин М.Н.1, Коваль С.А.2, Стефанец А.В.3, Годынский А.А.4,

Чичкарев Е.А.5, Алексеева В.А.6

ОПТИМИЗАЦИЯ РАСКИСЛЕНИЯ СТАЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ ОБ АКТИВНОСТИ РАСТВОРЁННОГО КИСЛОРОДА

Проведены исследования изменения окисленности металла мартеновской печи на плавках различных марок стали, проанализированы факторы, влияющие на величину активности кислорода в сталеплавильном агрегате перед выпуском и в ковше.

Ключевые слова: окисленность, сталь, активность, кислород, раскисление, алюминий, качество, поверхностные дефекты.

Якін М.М., Коваль С.О., Стефанець А.В., Годинський О.А., Чичкарьов Є.А., Але-ксєєва В.А. Оптимізація розкислювання стали з використанням даних про активність розчиненого кисню. Проведені дослідження зміни окисненісті металу мартенівській печі на плавках різних марок стали, проаналізовані чинники, що впливають на величину активності кисню в сталеплавильному агрегаті перед випуском і в ковші.

Ключові слова: окисненість, сталь, активність, кисень, розкислювання, алюміній, якість, поверхневі дефекти.

M.M. Yakin, S.O. Koval', A.V. Stefanec, O.A. Godynskiy, E.A. Chichkaryov, V.A. Alekseeva. Optimization of steel deoxidation with application of the data regarding the activity off dissolved oxygen. Investigated were changes in metal oxidation in an open hearth furnace for various steel grades melting analyzed were the factors , influencing the value of oxygen activity inside the steel smelting unit, prior to metal transfer into a ladle. Keywords: oxidizing, steel, activity, oxygen, deoxidation, aluminium, quality, surface defects.

Металлургическая промышленность является одной из базовых отраслей экономики. В последние годы в ходе обострившейся конкуренции стремление снизить себестоимость металлопродукции путем экономии энергоресурсов, материалов, уменьшения продолжительности простоев, снижения отходов и повышения качества выходит на первый план в работе производственных предприятий и научно-исследовательских организаций.

Полуспокойная сталь характеризуется высоким выходом годного, относительно низкой степенью ликвации, как правило, простой технологией разливки и низкой стоимостью по сравнению со спокойной сталью.

При производстве полуспокойной стали, раскисляемой перед разливкой, необходимого снижения содержания кислорода достигают введением ферромарганца или силикомарганца в печь или в ковш. Требуемая структура слитка создается только при условии, что содержание кислорода в металле близко к оптимальному. Особенно сложным является обеспечить высокое качество слитков при содержании углерода в металле менее 0,12% С.

Как известно, кислород, растворенный в стали, оказывает большое влияние на ход сталеплавильных процессов, качество готового металла, процессы раскисления и десульфурации, качество слитков 1. Поэтому контроль за окисленностью стали и ее химическим составом в процессе ее производства крайне важен. В данной работе измерение активности кислорода в жидкой стали производилось посредством электрохимического датчика Celox. Действие датчика

1 зам. начальника ЦЛМК по сталеплавильному производству, ПАО «ММК им. Ильича», г. Мариуполь

2 начальник лаборатории мартеновского производства ЦЛМК, ПАО «ММК им. Ильича», г. Мариуполь

3 начальник группы лаборатории мартеновского производства ЦЛМК, ПАО «ММК им. Ильича», г. Мариуполь

4 зам. начальника по технологии мартеновского цеха, ПАО «ММК им. Ильича», г. Мариуполь

5 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

6 ассистент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2012р. Серія: Технічні науки Вип. 24

основано на работе высокотемпературной электрохимической гальванической ячейки с твердым электролитом из диоксида циркония. В качестве вторичного прибора использовался промышленный, программируемый, основанный на микрокомпьютере прибор Celox Multi-Lab.

На опытных плавках полуспокойной стали в большегрузных мартеновскиъх печах (650 и 900 т) установлено, что окисленность металла после раскисления близка к равновесным значениям для условий комплексного раскисления кремнием и марганцем (либо марганцем для раскисления в ходе разливки). Результаты измерений для стали 3пс лежат в пределах 44,15. 52,41 ppm при температуре 1565.. ,1568°С, для стали 1пс - 62,9 ppm (раскисление в ковше силико-марганцем и ферросилицием); для стали 2пс, раскисляемой алюминием во время разливки -116 ppm. При выплавке кипящей стали активность растворенного кислорода существенно выше и варьируется в пределах 200-400 ppm (по результатам измерений в ковше после раскисления ферромарганцем).

Качество листового проката зависит от целого ряда факторов - технологии нагрева слитков, химического состава и температуры металла перед разливкой, температуры, расхода алюминия для плавок 2пс, раскисляемых алюминием и др. Например, для стали 2пс, выплавляемой по классической технологии, установлено, что отсортировка листового проката растет по мере увеличения отношений [Mn]/[Si] и [Mn]/[C], связанных с величиной окисленности металла перед выпуском.

Однако в настоящее время для производства листового проката широко используются низкокремнистые марки стали (с массовой долей кремния до 0,03 %), что обуславливает актуальность совершенствования технологии разливки полуспокойных низкокремнистых марок стали, раскисленных алюминием.

При комплексном раскислении стали кремнием и марганцем образуются силикаты марганца. В соответствии с диаграммой состояния шлаков MnO-SiO2 [6] при температуре 1550. 1600°С жидкие неметаллические включения содержат примерно от 25% масс. до 50 % масс. SiO2.

Комплексное раскисление стали кремнием и марганцем описывалось равновесиями:

[Mn] + [О] = (MnO), K—n° = -і-Ш , (1)

a[Mn] _ [—n\ _ KMn0 a(Mn°) (3)

Va[Si] лії^ї 4Ksi°2 Va(Si°2)

В результате обработки диаграммы изоактивностей системы MnO-SiO2 установлена следующая зависимость активности оксида марганца от соотношения массовых долей марганца и кремния в металле:

По найденной величине активности MnO рассчитывалась и активность кислорода в ме-

Сравнение результатов расчета активности кислорода, растворённого в металле, в зависимости от концентраций элементов-раскислителей, с экспериментальными данными представлено на рис. 1. Для полуспокойных сталей, раскисляемых ферросиликомарганцем в ковше, фактически измеренная окисленность вполне согласуется с результатами теоретического расчета.

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

2012р. Серія: Технічні науки Вип. 24

Соотношение концентраций [Mn]/[Si]

Рис. 1 - Сопоставление теоретических кривых изменения величины активности кислорода и фактических данных

Однако при выплавке и разливке низкокремнистой полуспокойной стали существенное влияние на формирование корковой зоны слитка и усадочных полостей оказывает и раскисление марганцем и углеродом.

При выпуске в ковш и раскислении стали одним ферромарганцем (преимущественно кипящие марки стали) как углерод, так и марганец способны связывать растворенный в металле кислород по реакциям:

\Mn\ + [0\=(Mn0), Km„ (Т )= a(Mn0) (6)

При температурах сталеплавильного производства в ковше обычно достигается соотношение констант равновесия KMn/KC = 4. 8, близкое к равновесному соотношению концентрация марганца и углерода в металле после раскисления. В соответствии с равновесиями (6)-(7) отношение концентраций марганца и углерода постоянно и зависит преимущественно от температуры

a[Mn\ ^ \_Mn\ = KMn (Т)' a(MnO)

~0c] "TCT “ Kc(T)• Pco '

Так как atMn0) «1 и PCO «1 атм, приближенно = Km

По мере снижения температуры существенно уменьшается константа равновесия окисления марганца, что ведёт к снижению массовой доли кислорода, растворенного в металле в равновесии с марганцем.

Отсортировка готового проката по поверхностным дефектам сильно зависит от потен-

циала газообразования [С ]о]ост , зависящего от массовой доли кислорода в металле после раскисления \о\ст и массовой доли углерода. Результаты статистического анализа влияния потенциала газообразования после раскисления в изложнице на уровень отсортировки тонколистового проката из кипящей и полуспокойной стали по поверхностным дефектам (преимущественно рваной кромке) представлены на рис. 2-4.

Как видно из рис. 2, минимальная отсортировка проката из полуспокойной стали, раскисленной алюминием, по поверхностным дефектам достигается при [С ]о]ост не более 0,0005, что соответствует активности кислорода при температуре ликвидуса данной марки стали на уровне 20-30 ppm.

Потенциал газообразования [C][O]ost , % масс.

Рис. 2 - Средняя отсортировка по группам плавок с различным потенциалом газообразования [С \0\Ст

Сопоставление потенциала газообразования для групп плавок кипящей стали (с нормальной и пониженной окисленностью - рис. 3) показало, что первая группа характеризуется уровнем отсортировки листового проката по поверхностым дефектам в пределах 4-5%, вторая -свыше 15%.

Как видно из рис. 3, на плавках с низкой отсортировкой окисленность металла в ковше близка к равновесной с углеродом, а на значительной части плавок - и с марганцем (однако следует учитывать, что константа равновесия реакции раскисления марганцем заметно сильнее меняются с температурой, чем для углерода). Для группы плавок с повышенной отсортировкой и пониженной окисленностью активность кислорода ниже как равновесной с углеродом, так и с марганцем при температуре металла в ковше.

Оценка рациональной величины потенциала газообразования и результаты исследования структуры корковой зоны слитков и головной части слябовых заготовок позволила установить рациональный расход алюминия, который определяется массовой долей углерода в металле и активности растворенного кислорода.

При разливке низкоуглеродистой низкокремнистой стали с раскислением в изложницах установлено, что существенное влияние на уровень отсортировки по поверхностным дефектам оказывает и массовая доля марганца в металле (рис. 4).

Четко выраженная зависимость отсортировки по поверхностным дефектам, характерная для полуспокойного варианта низкоуглеродистой бескремнистой стали, слабее проявляется для сравнительного варианта (кипящей стали 08кп) вследствие менее выраженной связи массовой доли марганца и алюминия в готовом металле для кипящей стали. Как видно на рис. 4, при выплавке низкоуглеродистой полуспокойной стали массовая доля марганца должна быть не менее

0,35% масс., что позволяет существенно снизить отсортировку тонколистового проката по поверхностным дефектам.

П 1.4.2 Multi-Lab III Celox Прибор для контроля окисленности и температуры жидкой стали

Система Сеlох предназначена для измерения активности кислорода и температуры жидкой стали, её действие основано на работе высокотемпературной электрохимической гальванической ячейки с твердым электролитом из диоксида циркония. При контакте с жидкой сталью эта ячейка генерирует ЭДС, которая в соответствии с законом Нернста определяется уравнением:

где: Pо2 st - известное парциальное давление кислорода эталонного электрода.

Если измерены ЭДС и температура стали, то Ро2 - парциальное давление кислорода равновесное с кислородом, растворенным в ванне, может быть легко рассчитано по данной формуле. Схематично гальваническую ячейку можно изобразить в виде:

где: Мо - молибденовый токовывод эталонного электрода (отрицательный);

Сг + Сг2О3 - эталонный электрода в виде смеси хрома и его оксида;

ZrО2(MgO) - твердый электролит из стабилизированного оксидом магния диоксида циркония;

а(О)Fе - активность кислорода в анализируемом расплаве;

Fe - положительный электрод: стальное кольцо в контакте с ванной.

В зависимости от измеряемого содержания кислорода в расплаве предлагаются следующие типы зондов Сеlох:

Celox standard:для измерений в диапазоне 10. 1000 ррm с содержанием остаточного алюминия в стали не более 0.015% и

Celox Аl: для измерений и диапазоне 1. 20 ррm с содержанием остаточного алюминия в стали более 0,015%.

Активность кислорода в расплаве, температура расплава, t ºС и измеренная ЭДС (Е) связаны соотношением:

В большинстве случаев время срабатывания гальванической ячейки составляет около 4 сек, а термопары - 2 сек. Стандартное отклонение показаний по ЭДС не превышает 2мВ или 2.5 %.Точность измерения температуры составляет 0. +4 ºС при 1554ºС.

Измерительная система Celox состоит из погружаемого в ванну сменного блока, погруженного жезла, на который надевается сменный блок регистрирующего прибора, принимающего и обрабатывающего сигналы, генерируемые гальванической ячейкой и термопарой, и внешнего компенсационного кабеля Cu-СuNi-Сu-Сu или Сu-Сu-Сu-Сu, соединяющего жезл и регистрирующий прибор.

Измерение не требует специальных навыков и заключается в погружении надетого на жезл сменного блока в жидкий металл на глубину 30-40 см ниже границы шлак-металл.

Регистрирующий прибор автоматически проверяет замкнутость измерительной цепи термопары перед измерением, контролирует ход измерения и выдает команду на извлечение сменного блока из ванны по завершении измерения или при возможном его сбое.

Время нахождения сменного блока в ванне составляет 8. 10 с в печах и конвертерах и 10. 12с в ковшах, промежуточных ковшах и др. металлургических агрегатах.

Система Сеlох может быть использована для контроля процессов рафиинирования, раскисления, внепечной обработки и разливки стали. Фирма Heraeus Electro - Nite обладает большим опытом технологического применения системы Celox в металлургии.

В зависимости от условий измерения сменные блоки Сеlоx могут иметь длину

600…1700 мм и термопару с градуировкой типа R,S или В. При измерении в тяжелых условиях, например в конверторах, предусмотрена защита погружного жезла дополнительной картонной трубкой.

Прибор Multi-Lab III Celox является последней разработкой в семействе приборов Multi-Lab – аналитических приборов для контроля параметров жидких металлов. Прибор Multi-Lab III Celox предназначен для контроля окисленности (активности кислорода) и температуры жидкой стали. Его программное обеспечение позволяет производить необходимые сталеплавильщикам расчёты и быстро адаптировать их к конкретным условиям выплавки, внепечной обработки и разливки стали.

Вся информация, касающаяся протекания стадий измерительного цикла, обработки результатов измерения и некоторые вспомогательные данные выводится на жидкокристаллический экран. Результаты измерений сохраняются в памяти прибора. По желанию Пользователя они могут быть выведены на экран, распечатаны на принтере или переданы по последовательному интерфейсу или по сети.

Прибор Multi-Lab III Celox позволяет:

- контролировать окисленность и температуры жидкой стали;

- контролировать содержание FeO в шлаке;

- рассчитывать содержание углерода в печи в конце окислительного периода плавки (в диапазоне 0.01 - 0.15%);

- рассчитывать количество присаживаемого алюминия при выпуске металла в ковш из печи и при обработке стали на агрегатах внепечной обработки;

- рассчитывать содержание растворенного алюминия в стали;

- обрабатывать сигналы, поступающие с термопары и датчика окисленности зонда Quik-Tap для контроля параметров металла в конвертере;

- контролировать температуру и окисленность металла в жидкой меди и сплавах на её основе (опция).

Прибор Multi-Lab III Celox может быть оснащён системой контроля уровня ванны, которая управляет манипулятором для ввода измерительных зондов в жидкую сталь на заданную глубину. Эта система основанная на измерении температуры термопарой Positherm, позволяет погружать зонды в одно и тоже мeстo, независимо от колебания уровня металла от плавки к плавке и от ковша к ковшу.

В режиме измерения работа прибора полностью автоматизирована. Пользователь прибора может легко адаптировать параметры его работы применительно к особенностям конкретного измерения и марки стали.

Управление прибором осуществляется с помощью меню на сенсорном экране.

Пользователь может менять тип градуировки термопары (R,S или В), коэффициенты в расчётных формулах и пара метры работы прибора.

Прибор Multi-Lab Celox имеет большие возможности для вывода данных на внешние устройства (выносные табло, самописцы, принтеры, компьютеры и т.д.). Он также оснащён релейными выходами, позволяющими дублировать сигналы о стадиях измерительного цикла и сигнал об окончании конца измерения (гудок). Прибор имеет параллельный интерфейс для вывода данных на принтер и два последовательных программируемых интерфейса RS 232/ТТY 20 mА для вывода результатов измерения, номера плавки, даты и времени измерения. При необходимости он может быть оснащён платами вывода данных в аналоговом виде (0/4 - 20 mА) и 2-4 выходами для вывода данных в двоично-десятичном коде, а также релейным выходом «уровень ванны» для управления погружным жезлом манипулятора.

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ

Постоянно увеличивающийся спрос на высококачественные марки стали, обыч­ные углеродистые или специального на­значения, является проблемой как для ме­таллургов, так и для производителей ме­таллургического оборудования и изме­рительных систем. Требуется все более быстрый и эффективный контроль про­цессов, протекающих в сталеплавиль­ных агрегатах, и процессов обработки стали в агрегатах внепечной обработки (установках доводки металла, вакууми­рования, печь-ковшах и др.). И прежде всего важен контроль температуры ме­тала – от выплавки до разливки в сли­ток или на МНЛ3.

Многие дефекты образуются в резуль­тате выпуска либо холодных, либо пе­регретых плавок. Получение высокока­чественной стали возможно лишь при соблюдении оптимального темпера­турного режима.

Для поддержания оптимальной температуры разливаемого металла в ковше в очень узком диапазоне компания «Нордин­крафт» предлагает использовать систе­му непрерывного измерения температу­ры «Contitherm» (рис. 4.1). Система позво­ляет прогнозировать температурный ход разливки, своевременно оповещает оператора о выходе температуры метал­ла за допустимые пределы, уменьшает вероятность подвисаний и прорывов, обеспечивает безопасную работу персо­нала. Использование термопар «Conti­therm» дает возможность оптимизиро­вать работу автоматизированных систем управления непрерывной разливкой и согласовывать скорости литья с измеря­емой температурой, обеспечивает воз­можность разливать металл при темпе­ратуре, максимально близкой к темпе­ратуре ликвидуса. Промежуточные ков­ши, имеющие системы плазменного по­догрева металла или ввода хладагентов, могут более эффективно управляться на основании информации о текущей тем­пературе металла. Термопары непре­рывного действия имеют малое время срабатывания, встроены в корпус из алюмографитовой керамики и могут на­ходиться в расплаве до 24 часов без ухудшения точностных характеристик измерения (±1 ºС при t=1554 ºС).

Для обеспечения быстрого и надежного измерения содержания водорода в рас­плавленном металле и оперативного при­нятия решения по корректировке режима внепечной обработки (вакуумирования) поставляется система «Hydris» (рис. 4.2).

Основное отличие систем измерения содержания водорода «Hydris» заключа­ется в том, что расходуемые зонды со­держат газопроводные трубки вместо электрических проводников. Несущий газ (азот) подается из пневматического блока по пневматическому кабелю через барботажную трубку в расплав. Раство­ренный в стали водород диффундирует в пузырьки несущего газа, который затем собирается пористым наконечником. Последний за счет высокого поверхно­стного натяжения пропускает только пу­зырьки газа и не пропускает расплав­ленный металл. Через всасывающие трубки несущий газ поступает обратно в пневматический блок, где в нем с помо­щью детектора теплопроводности изме­ряется парциальное давление водорода. Несущий газ циркулирует в закрытом контуре до того момента, когда парци­альное давление водорода в нем стаби­лизируется и становится равным парци­альному давлению водорода, равновес­ному с содержанием водорода, раство­ренного в металле. Далее в соответст­вии с законом Сивертса процессорный блок определяет содержание водорода. По сравнению с традиционным методом определения содержания водорода (от­бор пробы и последующий анализ путем нагрева в вакууме или расплавления пробы) данный метод имеет ряд сущест­венных преимуществ, оправдывающих применение достаточно дорогостоящей системы (стоимость приборной части ­около 40 000 долл., зондов – 30-32 долл.). При использовании вакуум-на­грева, несмотря на соблюдение всех возможных мер предосторожности, практически неосуществимо устранить потери водорода при обработке пробы или, например, насыщение пробы водо­родом при


Рисунок 4.1 - Систе­ма непрерывного измерения температу­ры «Contitherm»


Рисунок 4.2 – Система измерения содержания водорода «Hydris»

закаливании в воде. Плохое качество отобранных проб может значи­тельно повлиять на результаты. Метод требует больших затрат времени. Проба должна доставляться в лабораторию в жидком кислороде или сухом льде. Она должна быть тщательно очищена, вымы­та, высушена, взвешена; большое коли­чество времени требуется на разогрев и настройку соответствующего прибора.

Экспресс-анализ с помощью системы «Hydris» позволяет почти в 100 раз со­кратить время на получение результата. Продолжительность измерения всего лишь около 60 секунд. Стандартное от­клонение при определении содержания водорода – 0,2 рpm, что в несколько раз выше точности которую обеспечивает метод вакуумного нагрева.

Измерение содержания водорода в промковше МНЛЗ подтверждает, до­стигнут ли требуемый уровень водорода в металле перед разливкой. По резуль­татам измерения можно принять реше­ние о целесообразности проведения изотермического отжига или об исклю­чении термообработки при содержании водорода в требуемых пределах, оце­нить качество конечного металлопродук­та с точки зрения его внутренней струк­туры и т.д. Система «Hydris» использует­ся в основном для контроля флокеночув­ствительного металла, в сталях с очень низкими пределами содержания водо­рода (например толстолистовая сталь, рельсы, трубы и т.д.), где по техническим условиям требуется аттестация металла по содержанию водорода. Предел водо­рода, который позволяет гарантирован­но проводить дальнейшую обработку, зависит от качества стали, дозировки продукта и процесса охлаждения по окончании горячей прокатки и ковки. Иногда предельные границы очень низки (до 1,5 ppm). «Hydris» применяется также для контроля при формовом литье из-за опасности образования пузырьков близ­ко к поверхности детали. При разливке стали на МНЛЗ из-за образования фло­кенов близко к поверхности слитка мо­жет произойти аварийная ситуация (про­рыв металла под кристаллизатор). Из­мерение содержания водорода позволя­ет контролировать ситуацию и, при не­обходимости, принимать решение о его снижении (например вакуумной обработкой). В настоящее время на ОАО «Северсталь» (Россия) используются подобные систе­мы. Установлены они и на некоторых других предприятиях: в Старом Осколе, Нижнем Тагиле, Волгограде.

Для конвертерных производств компа­ния «Нординкрафт» поставляет системы, которые позволяют получать значения требуемых параметров без прерывания процесса выплавки. Данные системы со­стоят из процессорных блоков, обраба­тывающих результаты измерений (это могут быть приборы «Digilance» и «Multi ­Lab», рис. 4.3,а) и расходных комбиниро­ванных зондов «Multi - Lance» (рис. 4.3,б).

Зонды поставляются нескольких модификаций:

- Для одновременного измерения тем­пературы и отбора пробы - TS;

- Для одновременного измерения тем­пературы, определения содержания уг­лерода и отбора пробы - TSC;

- Для одновременного измерения тем­пературы, определения содержания растворенного кислорода и отбора про­бы - TSO.

Стандартное исполнение комбиниро­ванных зондов: длина 1,5-2,0 м, наруж­ный диаметр 80 мм. Эти габариты явля­лись препятствием для использования зондов в конвертерном производстве ОАО «Северсталь». За короткий период специалистами фир­мы «Heraeus Electro-Nite» была создана и предложена новая модификация ML-DIV «2-in-1» для одновременного из­мерения температуры и отбора пробы без повалки конвертера. Конструкция этих комбинированных зондов позволя­ет «отстреливать» их после использова­ния сжатым газом, тем самым обеспечи­вая безопасность работы персонала.

В настоящее время проходят промыш­ленные испытания зондов «3-in-1» но­вой модификации, которые предостав­ляют возможность одновременно с от­бором пробы и измерением температу­ры определять активность кислорода в стали, производить


Рисунок 4.3 – Система «Multi ­Lab» (а) и расходные комбиниро­ванные зонды «Multi - Lance» (б)


Рисунок 4.4 – Зонд Celox Slac для определениятемпературы и окисленности металлических расплавов


Рисунок 4.5 – Система «Hot Metal» для определения содержа­ния серы и кремния в чугуне

расчет содержания углерода в ванне и рассчитывать количество алюми­ния, необходимого для предваритель­ного раскисления.

Применение зондов «2-in-1» и «3-in-1» сокращает время плавки в целом, улуч­шает ее тепловой баланс, уменьшает ко­личество додувок и повышает стойкость футеровки конвертора (по данным ком­пании «Danieli», уменьшение продолжи­тельности плавки составляет 8 минут, уменьшение износа футеровки - 25%). Для тех конвертерных производств, где по техническим или экономическим при­чинам установка измерительного зонда невозможна, достаточно эффективным средством измерения может быть сис­тема «Quick-Tap», состоящая из однора­зовых зондов и прибора «Multi-Lab Quick­Тар». Зонды представляют собой смон­тированные в металлическом корпусе измерительные элементы, позволяющие определять значение температуры и ак­тивности кислорода в стали, а также про­изводить расчет углерода и количества раскислителя для предварительного раскисления. Прибор соединяется с зон­дами (магазин для хранения предусмат­ривает наличие 12 зондов) с помощью огнеупорного кабеля, намотанного в не­рабочем состоянии на бумажную трубку. После «отстрела» зонд по направляющей поступает в рабочее пространство кон­вертера, причем длина кабеля подбира­ется так, чтобы зонд свободно погружал­ся в расплавленный металл.

При выплавке стали на выпуске плавки из сталеплавильного агрегата попада­ние в сталеразливочный ковш печного шлака с высоким содержанием FeO от­рицательно влияет на все последующие процессы, протекающие при внепечной обработке и разливке стали. Для отсечки печного шлака разработано и применя­ется много систем, однако ни одна из них не позволяет полностью исключить попадание печного шлака в сталеразли­вочный ковш.

При наличии на поверхности стали в ковше высокоокисленного шлака систе­ма «металл - шлак» находится в разба­лансированном состоянии. По этой при­чине химический состав стали начинает изменяться, что приводит к непредска­зуемому усвоению легирующих добавок и вторичному окислению металла.

Равновесное парциальное давление кислорода в металле и шлаке определя­ется содержанием алюминия в стали и FeO в шлаке.

При внепечной обработке после при­садки раскислителя в металл окисли­тельный потенциал шлака не находится в состоянии равновесия с жидкой ванной, и в раскисленной стали происходит окисление (угар) раскислителя. Поэтому одной из важнейших задач для повыше­ния качества стали является нейтрали­зация шлака в ковше путем выравнива­ния равновесного парциального давле­ния кислорода с парциальным давлением кислорода жидкой стали.

Программное обеспечение прибора «Multi-Lab Celox» (версия 2.14 EL) позво­ляет автоматически распознавать и вы­водить на экран данные о величине э.д.с. кислородного датчика и содержание FeO или FеО+МnО в шлаке, а также обрабатывать сигналы с других видов зондов (Positherm, Celox). Зонд Celox Slac (рис. 4.4) полностью совместим с оборудованием системы для определениятемпературы и окисленности металлических расплавов. Продолжительность измерения не превышает 10 с.

Зонд погружается в сталь через слой жидкого покровного шлака, который на­мораживается на поверхности датчика окисленности, являющегося чувстви­тельным элементом этого зонда. После попадания в жидкую сталь датчик окис­ленности и намороженный на нем шлак приходят в термическое равновесие с металлом. Измерение активности кислорода в шлаке производится­ электрохимической ячейкой с твердым электроли­том из стабилизированного оксидом магния диоксида циркония.

Измеряя величину э.д.с. генерируемую электрохимической ячейкой, и зная ве­личину равновесного парциального ­давления кислорода со смесью Cr/Cr2O3, на основании закона Нернста можно рас­считать парциальное давление кислоро­да, равновесное со шлаком.

Показания зондов Celox Slac сравнива­лись с анализом проб шлака, отобранных в момент измерения методом наморажи­вания на металлический стержень. Было установлено, что при низкой активности кислорода в шлаке содержание FeO, оп­ределенное спектральным методом ана­лиза, выше. При более высоком содер­жании оксида железа в шлаке сходи­мость результатов значительно улучша­ется. Это связано с присутствием в шла­ковых образцах, подготовленных к ана­лизу, частиц металлического железа, по­падающих из-за большой площади кон­такта стержня и шлака, а также из жидкой стали в процессе пробоотбора, что и вносит долю погрешности в определение содержания окисленности шлака.

Измерительная система «Multi-Lab Celox» позволяет за несколько секунд определить активность кислорода по­кровного шлака зондом Celox Slac, а так­же активность кислорода стали зондом Celox, и оперативно определиться с дальнейшей технологией обработки. Для нейтрализации шлака используется присадка алюминийсодержащих доба­вок или специальных смесей на основе СаС2, снижающих окислительный потен­циал шлака. Обработка шлака и измере­ние содержания FeO перед раскислени­ем металла позволяют точнее и быстрее управлять вводом алюминия или легиру­ющих добавок, содержащих титан, каль­ций и др., благодаря повышению пред­сказуемости их усвоения. Кроме того, сокращается время обработки (по дан­ным ОАО «Северсталь» - до 6 мин.), так как практически исключается ввод кор­ректирующей добавки. Высвобожденное время может способствовать повышению производительности агрегата вне­печной обработки стали, его можно ис­пользовать для более глубокого очище­ния металла от неметаллических вклю­чений путем увеличения продолжитель­ности продувки ванны аргоном.

Для контроля процесса десульфурации металла также необходим контроль окис­ленности металла и шлака. Активность кислорода в значительной степени влия­ет на эффективность удаления серы. С увеличением содержания FeO покровные ковшевые шлаки значительно снижают свою десульфирующую способность. Из­мерение окисленности покровных шла­ков позволяет снизить продолжитель­ность обработки и более точно спрогно­зировать конечное содержание серы в стали. Для эффективной десульфурации уровень окисленности металла и шлака должен быть достаточно низким.

Из вышеизложенного очевидно, что зонды Celox Slac являются эффективным инструментом контроля управления окислительным потенциалом шлака при внепечной обработке жидкого металла с целью повышения качества готовой про­дукции и снижения расхода дорогостоя­щих раскислителей и легирующих мате­риалов, а также сокращения общего вре­мени обработки плавки.

На установке десульфурации чугуна кон­вертерного производства ОАО «Север­сталь» проведена демонстрация и закон­чены испытания новой системы «Hot Metal» (рис.4.5) для определения содержа­ния серы и кремния в чугуне. Система со­стоит из вторичного прибора Multi-Lab III» и одноразовых зондов. Время измере­ния 10-18 с. Диапазон определяемого содержания серы составляет от 0,0005 до 0,1%, кремния - от 0,1 до 1,3%. При ис­пользовании данной системы не требует­ся отбор пробы и ее химический анализ, уменьшаются трудозатраты в химической лаборатории и экономятся затраты на проведение анализа, а также улучшается предсказуемость хода плавки в конверте­ре. Система «Hot Metal» может использо­ваться и как резервное средство анализа в случае, если локальный анализатор или анализатор в цеховой химической лабо­ратории вышел из строя.

Зонд НМ в режиме реального времени измеряет истинное содержание серы, а не общее, куда входит и сера, связанная в неметаллические включения, которые искажают результат эффективности обработки. Своевременно полученные с помощью зонда НМ данные о температуре и содержании кремния позволяют более точно рассчитать долю лома в шихте, что необходимо для статической модели управления плавкой в конвертере. Во многих цехах используется средневзвешенное содержание кремния в чугуне. Часто оно сильно отклоняется от реального содержания кремния в ванне. Такие неконтролируемые отклонения содержания кремния являются основной причиной выбросов металла и большой разницы между ожидаемым и фактическим химическим составом металла на повалке.

Использование системы «Hot Metal» на установке десульфурации чугуна дает следующие преимущества: сокращает­ся время обработки, экономятся десульфирующие реагенты (за счет сни­жения расхода peaгентов на переобра­ботку плавок экономия на реагентах для десульфурации может достигать 15%), уменьшаются затраты на анализ в хими­ческой лаборатории, стабилизируется

химический состав чугуна и стали. Из­мерения зондом НМ проводятся за не­сколько секунд, что значительно быст­рее, чем при определении серытради­ционным анализом с отбором пробы. Точность измерения не зависит от методики отбора пробы. Чугун из некоторых ковшей «Торпедо» требует десульфурации, из других – не требует (в зависимости от требований к составу стали, выплавляемой в данный момент в конвертере.) Зонд НМ позволяет быстро принять решение, что делать с чугуном: отправлять ли его на установку десульфурации или транспортировать напрямую в конвертерное отделение. Обеспечены быстрая обратная связь с доменной печью по результатам измерения температуры, %S и %Si, возможность для оперативного контроля за выпускаемым из доменной печи чугуном.

Компания «Нординкрафт» проектирует и производит некоторые виды технологического оборудования, используемого для контроля параметров металлических расплавов. К таким устройствам относят­ся: манипулятор для измерения темпера­туры, определения активности кислорода и отбора пробы на повалке конвертера; манипулятор для измерения температу­ры, определения активности кислорода (содержания углерода) и отбора пробы для шахтной электропечи. Измерения «вручную» осложнены большим расстоя­нием до поверхности металла и сильным тепловым воздействием. Это ухудшает точность измерения, особенно при опре­делении активности кислорода. Манипу­лятор оснащен двумя жезлами, при ис­пользовании которых, а также зондов «2­-in-l" и "3-in-1», можно одновременно и достаточно быстро получить два измере­ния температуры, определить активность кислорода и произвести отбор пробы не­обходимого качества. Оборудование монтируется на передвижной тележке или рабочей площадке и не требует при­сутствия персонала во время измерения, обеспечивая безопасность работы ме­таллургов. Кроме того, результаты изме­рений становятся более надежными, по­скольку измерения с помощью манипуля­тора нe зависят от уровня квалификации обслуживающего персонала.

В настоящее время ведутся работы по модернизации манипулятора измери­тельной фурмы конвертера для работы комбинированными зондами «3-in-1» с автоматической перезарядкой.

П 1.1 Измерительные зонды

Очевидно, что использование совре­менных систем контроля параметров металлических расплавов обеспечивает более высокие показатели производства сталей. Этому способствуют следующие положительные изменения:

- уменьшение средней продолжитель­ности выплавки;

- повышение производительности кон­вертеров и печей;

- сокращение корректирующих операций по химическому составу и температуре;

- сокращение расхода легирующих ма­териалов, раскислителей, ферроспла­вов и энергоносителей;

- улучшение качества и увеличение вы­хода годного металла за счет оптимиза­ции процесса выплавки.

Системы контроля параметров метал­лических расплавов спроектированы как удобный инструмент эффективного ре­шения производственных задач, в том числе и для высококвалифицированного персонала металлургических и литейных предприятий. Несомненно, их примене­ние является необходимым условием ус­пешной сталеплавильной практики.

П.1.Описание работы приборов и систем контроля параметров металлических возможности систем:

1. Определение температуры металлического расплава.

2. Определение в расплавленном металле:

а) активности кислорода;

б) содержания водорода;

в) содержания азота.

3. Определение активности кислорода в шлаках.

4. Определение содержания серы в чугуне.

5. Использование комбинированных систем контроля, существенно оптимизирующих процесс выплавки за счет совмещения нескольких операций, а именно:

а) измерение температуры;

б) измерение активности кислорода;

в) определение содержания углерода;

6. Отбор проб расплавленного металла (стали, чугуна), шлака.

Термопары и зонды различных типов являются расходной частью системы прямых измерений параметров металлических расплавов.

Термопарыотносятся к классу термоэлектрических преобразователей и являются одноразовыми устройствами, предназначенными для измерения температуры в агрессивной среде. Их действие основано на явлении 3еебека: если спаи двух разнородных металлов, образующие замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру, то в цепи протекает электрический ток. Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (ЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов.

Одноразовые кислородные зонды представляют собой сложное устройство, позволяющее произвести (совместно с вторичным прибором) измерение температуры, а также определить процентное содержания кислорода (окисленности) и количество алюминия, необходимое для введения в расплавленный металл.

Система применяется для контроля состояния жидкой стали и покровных шлаков.

В керамическом наконечнике сменного зонда размещены чувствительные элементы – гальваническая ячейка и термопара.

Работа системы основана на взаимодействии высокотемпературной электрохимич еской ячейки с твердым электролитом. Два гальванически развязанных измерительных входа (температурный и ЭДС) позволяют исключить их взаимодействие и влияние на них остальных цепей.

Таким образом, в гальванической ячейке устанавливается равновесие между стандартным электродом, твердым электролитом и анализируемым расплавом. В результате обработки сигналов с гальванической ячейки и термопары вторичный прибор, по заданному алгоритму, выделяет "площадки" на кривых измерения, отражая температуру металла и ЭДС (мВ).

Типы выпускаемых термопар:

Наименование Номенклатурный номер Термопара Диапазон температур Трубка длина (мм) Дополни- тельно Время замера
Термопара ТП03 S(Pt 10% Rh/Pt) 400…1760ºС На заказ На заказ 3-6 сек
ТП02 R(Pt 13% Rh/Pt) 400…1760ºС На заказ На заказ — ‌‌ ‌|| —
ТП009000 — ‌‌ ‌|| — — ‌‌ ‌|| — — ‌‌ ‌|| —
ТП012000 — ‌‌ ‌|| — — ‌‌ ‌|| — — ‌‌ ‌|| —
ТП012010 B(Pt 30% Rh/Pt6%Rh) 600…1820ºС Увеличенная толщина трубки — ‌‌ ‌|| —
ТП012001К — ‌‌ ‌|| — Шлакозащитный колпачек — ‌‌ ‌|| —
Термопара для непрерывного измерения СТ 10В1015 600…1820ºС До 24-х часов
Ст 10В760 B(Pt30% Rh/Pt6%Rh) — ‌‌ ‌|| — Графитокорундовый чехол
СТ 10В460 — ‌‌ ‌|| — — ‌‌ ‌|| —

По данным показателям формируется отчет по процентному содержанию кислорода (окисленности, ррm), а также рекомендация о количестве алюминия, необходимого для введения в металл (кг). В нераскисленном, металле прибор выдает информацию по массовой доле углерода (%).

Производятся сменные зонды (блоки) следующих типов:

Зонды для определения содержания водородаявляются сложными одноразовыми устройствами.

Принцип действия устройства основан на определении равновесного с расплавом парциального давления водорода путем продувки через металл несущего газа (азота) с последующим его улавливанием пористым наконечником зонда.

Пневматический блок осуществляет непрерывную циркуляцию находящегося в системе несущего газа.

Контактируя с жидким металлом, несущий газ абсорбирует растворенный в нем водород. Попадая в пневматический блок, данный газ, с помощью детектора по теплопроводимости, циклически анализируется. В момент стабилизации парциального давления измерение заканчивается. Процессор фиксирует результаты.Временные затраты - не более одной минуты.

Комбинированные зонды- сложные изделия, в корпус которых вмонтирован ряд термоэлектрических датчиков и устройств для отбора проб. Данный вид одноразовых зондов применяется с целью совмещения нескольких операций в технологической цепочке выплавки металла, в частности для использования в конверторе.

Читайте также: