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

 

 

а

 

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.