Концентрация углерода в ванне кислородного конвертера


Дата добавления: 2014-05-29 | Просмотров: 1339


<== предыдущая страница | Следующая страница ==>

 

Методы контроля в ванне кислородных конверторов концентрации углерода и других компонентов возможно разделить по функциональному признаку на две категории: методы маркировочного анализа и оперативные методы, которые используют с целью управления технологическим процессом.

Маркировочный анализ, как и полный анализ после расплавления ванны, осуществляют на все компоненты металла. Результаты маркировочного анализа заносят в сертификат готовой стали.

Главным требованием к методам контроля концентрации углерода и других компонентов ( обычно серы и фосфора), которые используют лишь для управления процессом, является высокая оперативность. Точность оперативных методов, достаточная для эффективного управления, может быть не такой высокой, как точность маркировочного анализа.

Созданные на всех заводах централизованные экспресс-лаборатории оказались пригодными лишь для маркировочного анализа стали. Опоздание информации о составе металла в таких лабораториях достигает 5-10 минут, которые исключает возможность эффективного управления процессом.

При современной технологии ведения плавки возникает проблема беспрерывного или периодически повторяемого практически безинерционного контроля состава металлической ванны по ходу плавки с помощью полностью автоматизированных измерительных комплексов, расположенных на самом конверторе.

Дальше рассмотренные в основном современные методы оперативного контроля концентрации углерода См так как именно контроль См в наибольшей степени определяет эффективность управления технологическим процессом в кислородных конвертерах.

 

7.1. Метод ликвидус

Известно, что скорость охлаждения жидкой стали после достижения температуры ликвидуса tликв резко падает и на кривой охлаждения возникает характерная площадка с довольно небольшим углом наклона.

Рис.3к. Кривые охлаждения жидких проб металла с содержанием углерода

С1 и С2.

Между величиной tликв и концентрацией углерода См при низких или

постоянных концентрациях других элементов существует практически однозначная зависимость. Таким образом, измерив tликв по перелому на кривой охлаждения пробы металла, залитого в керамическую изложницу возможно установить в нем и содержание углерода.

 

 

Рис.4к Схема керамической изложницы для заливания пробы стали

1 - керамический стакан; 2 - термопара; 3 - защитная трубка из кварца.

 

Более высоким концентрациям См отвечает меньшая величина tликв.

Температуру tликв необходимо измерять с высокой точностью, которую может обеспечить лишь прецизионная термопара. Ошибка измерения tликв в карбометрах ликвидуса обычно не превышает ±1ºС, что позволяет определить См с точностью до ± 0,010 - 0,015%.

Кроме концентрации углерода, на tликв влияет содержание в стали других элементов, а также условия охлаждения, которые стабилизируют путем соответственного выбора конструктивных параметров изложницы (смотри рисунок 5к).

Рис.5к Зависимость температуры «ликвидус» от содержания углерода в стали

 

Особым преимуществом оперативного контроля См методом ликвидуса является возможность использования датчиков погружения в ванну кислородного конвертора. Продолжительность анализа при этом сокращается до десятков секунд.

Одновременно обеспечивается возможность механизированного отбора пробы для определения содержания других элементов и маркировочного анализа.

В конверторном производстве нашли распространение комбинированные датчики погружения для одновременного измерения концентрации углерода См, температуры металла tм, и окисленности стали Ом.

Рис.6к Схема датчика - зонда для одновременного измерения содержания углерода в металле и его температуры.

1- труба зонда; 2 - керамический стакан; 3 - термопара; 4 - камера для жидкого металла; 5 - прецизионная термопара; 6 - защитный газ;

7 - подвижный жезл; 8 - пневмоцилиндр; 9 - кабель для связи с вторичными приборами.

 

 

7.2. Определение концентрации углерода по составу конверторных газов

Первые попытки непрерывного контроля содержания углерода в ванне конверторов базировались на использовании косвенных балансовых методов определения количества выгоревшего углерода по содержанию СО2 и СО в конвертерных газах и их расхода.

Скорость выгорания углерода Vc (кг/ч) связана с расходом конверторных газов Vкг (м3/ч) и содержанием в них СО и СО2 соотношением:

 

Vc (τ) = Vкг (к1 СО2 +к2 СО),

где: к1и к2 – постоянные коэффициенты, которые определяют количество углерода, который содержится в 1кг СО2 и СО.

Текущая концентрация углерода в ванне конвертера в момент времени τ определяется как:

 

С(τ) = С(τ0) − ∫ Vc(τ)dτ

 

где: С(τ0) – начальная концентрация углерода в момент τ0, которая определяется независимым способом, например, прямым анализом пробы металла.

Балансовый метод оперативного контроля содержания углерода оказался недостаточно точным для управления плавкой в конверторах, несмотря на использование наиболее совершенной аналитической аппаратуры – шестиканальных масс – спектрометров, которые обеспечили одновременный анализ конверторных газов на СО2, СО, О2, N2, H2, и H2O и повысили точность определения расхода конвертерных газов Vкг.

Установлено, что для низкоуглеродистых сталей для определения См в конце продувки балансовым методом с ошибкой не больше 0,02% (абс.) при использовании в качестве С(τ0) рассчитанного содержания углерода в шихте к началу продувки нуждается в повышении относительной точности измерения Vкг до 0,2%, состава газов до 0,3%, массы чугуна до 0,2%.

Такая точность измерений в промышленных условиях едва ли достижима, так как нуждается в весьма больших затратах.

Поэтому балансовые системы оперативного контроля концентрации углерода по ходу конверторной плавки являются неконкурентоспособными сравнительно с прямыми методами измерения См, например с помощью карбометров погружения, которые измерят температуру ликвидус.

В области низких концентраций углерода (меньше 0,15-0,20%) для управления конвертерной плавкой широко применяется способ оценки См по составу конверторных газов, который базируется на эмпирических зависимостях между См и скоростью окисления углерода Vc.

Рис. 7к Зависимость между скоростью окисления углерода и его

концентрацией в ванне кислородного конвертора при См < 0,2%

В основе метода особенность окисления углерода в этой области его концентраций, которая заключается в том, что величина Vc после достижения так называемой критической концентрации углерода См(кр) перестает зависеть от интенсивности подачи дутья и определяется исключительно концентрацией углерода в процессе дальнейшей продувки.

Линейная аппроксимация эмпирических данных по результатам 170 плавок дала зависимость:

См(τ) = 0,0333+0,00128 Vc(τ)

со среднеквадратичным отклонением σсм = 0,0164% (абс), что является приемлемой точностью для оперативного управления плавкой на завершающем этапе продувки.

 

7.3. Определение концнтрации углерода по содержанию в металле активного кислорода

 

Опыт последних лет показал, что и в области концентраций углерода ниже См(кр) прямые измерения См(τ) датчиками погружения имеют несомненные преимущества.

В результате успешных разработок и промышленного использования средств оперативного контроля содержания активного кислорода в жидкой стали Ом возник интерес исследовать возможность определения концентрации углерода с помощью известной зависимости между Ом и См:

 

См х Ом = const

 

Уточнение приведенной зависимости с использованием современных средств получения информации привело к следующим количественным соотношениям:

 

 

См,%. . . …...0,02–0.010 0,11-0,20 0,21-0,50

См х Ом………...0,0021 0,0023 0,0026

 

 

Относительная стабильность произведения См х Ом в заданных достаточно узких интервалах значений См дает возможность, измеряя Ом датчиками продолжительного погружения, получать неспрерывно оперативную информацию о ходе процесса окисления углерода и его концентрацию.

Абсолютная ошибка оценивания См по активности кислорода падает по мере уменьшения концентрации углерода в ванне:

 

См, % ...……...... 0,5 0,1 0,05

Ошибка, % абс .. ±0,20 ±0,030 ±0,015

Таким образом, возможность получения дополнительной информации о концентрациях углерода в ванне конвертера является одной из важных преимуществ метода беспрерывного контроля окисленности жидкой стали.

7.4. Концентрация кислорода в жидкой стали

 

Кислород, растворенный в жидкой стали, относят к примесям, которые наиболее существенно влияют на качество готового проката. Структура, форма оксидных включений, степень их дисперсности и общее количество в значительной степени определяют механические и другие потребительские свойства стали.

Современные методы анализа содержания кислорода в твердых пробах не разрешают раздельно определять концентрацию активного, свободного кислорода, растворенного в жидком металле и концентрацию кислорода химически связанного в оксидные включения; они способны давать информацию лишь об общем количестве кислорода.

По технологии сталеварения важно иметь информацию о концентрации именно активного кислорода в ванне, так как лишь она дает возможность делать вывод об интенсивности окислительных процессов в металле и степень его раскисления, которое в конце концов определяет качество готового слитка.

Таким образом, для эффективного управления технологическим процессом нужен надежный оперативный метод определения концентрации активного кислорода в жидкой стали по ходу плавки.

Этим требованиям отвечает электрохимический метод, который широко используется в сталеплавильном производстве и прежде всего в кислородных конвертерах.

Сущность этого метода состоит в возникновении разности потенциалов Е в высокотемпературном концентрационном гальваническом элементе, одним из электродов которого является расплав металла с неизвестной концентрацией О2 (или активностью кислорода ао2м) а другой электрод (электрод сравнения) имеет постоянную концентрацию (активность) кислорода ао2п.

После погружения в металл между электродами устанавливается разность потенциалов Е, которая определяется отношением концентраций кислорода в металле ао2м и в электроде сравнения ао2п и может быть рассчитана с помощью уравнения Нернста:

E= RT/n ln ао2м/ао2п, где:

 

R - универсальная газовая константа (8,313 Дж/град);

Т - температура металла, ºК;

n - число переноса заряда потенциалопределяющего процесса;

F – постоянная Фарадея (96500 Кл/г. экв.).

 

Для измерения концентрации активного кислорода используют твердый электролит, который наряду с высокой термической, механической и химической стойкостью должен иметь строго постоянную ионную проводимость при температурах сталеплавильных процессов.

Серьезные трудности возникают в связи с необходимостью измерять концентрации активного кислорода в жидкой стали с высокой точностью при малых абсолютных значениях этой величины, которая при температуре металла 1600ºС изменяется от 0,001% до 0,1%. Преимуществом электрохимического метода контроля Ом есть его высокая чувствительность и мощный исходный сигнал, который значительно упрощает измерительную аппаратуру.

Современные датчики концентрации активного кислорода в жидкой стали (активометры) довольно разнообразны как по конструкции, так и по использованным материалам.

Рис.8к Датчик разового погружения для оперативного контроля окисленности и температуры жидкой стали

1 - защитный колпачок; 2 - твердый электролит; 3 - электрод сравнения;

4 - противоэлектрод; 5 - термопара в чехле из кварца; 7 - керамический патрон; 8-10 - выводы; 11 - хвостовик.

 

Твердые электролиты делают или в виде наконечника, или в виде таблетки . В качестве электрода сравнения в большинстве активометров используют смесь металла и его окислов: Мо – МоО2 ; Сr – Сr2O3.

 

Рис.9к Типичные схемы активометров:

а - Окситип; бы - Соллюкс; в - Темп-О-Тип; г - FEA.

 

Все датчики активометров имеют вмонтированные платинородий - платиновые термопары для контроля температуры электрода сравнения, который необходим для точной оценки активности кислорода в самом электроде.

Показание активометров записываются двухканальними приборами потенциометричного типа.

Активометр отечественной конструкции имеет твердый электролит из технически чистого корунда (99,5% Al2O3) и электрод сравнения из железа, насыщенного углеродом (синтетического чугуна). Доля ионной проводимости у изделий из чистого корунда при температуре 1600 – 1700 ºС колеблется от 0,91 до 0,96. Активность кислорода в электроде сравнения из синтетического чугуна составляет (4±0,65) 10-4 в интервале температур 1500 – 1670 ºС.

После погружения головки активометра в металл и завершения переходных процессов на диаграмме измерительного прибора появляется плоскость, уровень которой отвечает концентрации Ом.

ВНИИАчермет разработал измеритель окисленности стали І - 7429 с блоком БСК - 7428 таблеточного типа, в котором в качестве твердого электролита использовали стабилизированный оксид циркония ZrО2, а элемент сравнения изготовили из смеси порошков Cr и Сr2O3. Измеритель окисленности включает сменный блок, жезл и двухканальний самопишущий потенциометр.

Технические характеристики этого измерителя:

-диапазон измерения, %О2 0,002 - 0,2

-установление показаний, с 8-10

-длина сменного блока /жезла, мм 1000; 1500;/ 5000; 6000

МИСИС и ЦНИИчермет разработали измеритель окисленности УКОС с датчиками трубчатого типа (УКОС - 1 и УКОС - 1Т для совместного измерения окислености и температуры металла).

Как показал опыт их использования, оперативная информация о степени окисленности стали разрешила оптимизировать ход конверторной плавки, сократить ее продолжительность, экономить затраты раскислителей и легирующих добавок, четко обеспечить момент прекращения продувки и точное попадание в заданные пределы по химическому составу с первой повалки.

Информация об окисленности стали позволяет контролировать динамику реакций в ванне конвертеров и текущую концентрацию углерода. При этом оценка См после окончания продувки по величине ао2 может достичь точности традиционного спектрального анализа (± 0,01%С).

Эта информация позволяет также контролировать угар легирующих элементов, более рационально использовать дорогие ферросплавы.

На стадии выпуска стали из сталеплавильных агрегатов обеспечивается необходимое количество активного кислорода в кипящей и полуспокойной стали и его отсутствие в спокойной стали.

Технологически необходимый также оперативный контроль количества свободного кислорода в ковше с целью управления раскислением стали в сталеплавильных агрегатах и дополнительной коррекции ао2 в стали для обеспечения соответствующего кипения металла в изложницах.

 


1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |

При использовании материала ссылка на сайт Конспекта.Нет обязательна! (0.047 сек.)