УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЛЕГИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ

Полезная модель относится в области металлургии к устройствам управления процессом легирования жаропрочных сталей, в частности, к управлению процессом легирования для получения наноструктурированных жаропрочных сталей.
Задачей технологии получения наноструктурированных жаропрочных сталей для устройств атомной промышленности является обеспечение формирования мелкокристаллической структуры с возможно большим количеством упрочняющих металлических нанофаз (карбидов, нитридов, карбонитридов, интерметаллидов) и минимальным количеством серы, фосфора и неметаллических включений. Для решения данной задачи необходимо обеспечить требуемые параметры легирования стали как на стадии выплавки в дуговой сталеплавильной печи, так и на стадии нахождения стали в агрегате ковш-печь, технологически связанного с дуговой сталеплавильной печью.
Известно устройство управления электрическим режимом управления дуговой электропечи, включающее электрически связанные между собой датчики электрических параметров, блок сравнения, адаптивный блок автоматического задания режима, адаптивный блок изменения коэффициента усиления, силовой усилитель, исполнительные механизмы, программный блок управления электрическим режимом. Датчики соединены с входом блока блоком измерения, выход которого соединен и входом блока сравнения. Один вход адаптивного блока изменения коэффициента усиления подсоединен к выходу блока сравнения, второй вход - с выходом трехфазного выпрямителя адаптивного блока автоматического задания режима, а выход через силовой усилитель связан с исполнительным механизмом перемещения электродов.
(RU 95112317 A1, Н05В 7/148, F27D 19/00, опубликовано 27.07.1996)
Однако известное устройство управления электрическим режимом не может обеспечить соблюдение всех параметров процесса легирования многокомпонентных наноструктурированных жаропрочных сталей для оборудования атомной промышленности.
Известно устройство для определения количества легирующего компонента сплава на основе железа, добавляемого в режиме реального времени к расплаву, включающее датчики температуры, устройство памяти, в которое введены данные калибровки, и компьютер, обрабатывающий данные от датчиков и определяющий величину количества легирующего компонента, которое необходимо добавить к расплаву с использованием исполнительных механизмов.
(RU 2001119985 А, С223С 33/08, G01N 25/02, опубликовано 27.06.2003)
Однако использование только показание датчиков температуры и калибровочных кривых выделения тепла в расплаве не обеспечивают точное и качественное управление процессом легирования многокомпонентных наноструктурированных жаропрочных сталей для оборудования атомной промышленности.
Задачей полезной модели и ее техническим результатом является создание устройства управления процессом легирования многокомпонентных наноструктурированных жаропрочных сталей в дуговой сталеплавильной печи и в агрегате ковш-печь, обеспечивающее контроль всех основных параметров процесса, включая контроль химического состава расплава, и оперативное принятие решений по ходу ведения процесса.
Технический результат достигается тем, что устройство управления процессом легирования наноструктурированных жаропрочных сталей, включает датчики параметров процесса выплавки стали, электронно-вычислительную машину и исполнительные механизмы, причем в качестве датчиков устройство снабжено датчиками температуры 6 расплава и блоком датчиков 7 химического состава стали в дуговой сталеплавильной печи и в ковше-печи, а также дополнительно датчиком времени 8, оперативно-запоминающим устройством 2 и постоянным запоминающим устройством 3, соединенными с электронно-вычислительной машиной 1 через порты ввода информации шины 12 адреса и данных, причем первый порт 9 ввода информации соединен с выходами датчиков температуры 6, второй порт 10 ввода информации - с первым выходом блока датчиков 7 химического состава, а третий порт 11 ввода информации - с выходом датчика времени 8, при этом исполнительные механизмы соединены с электронно-вычислительной машиной 1 через порты вывода команд 13, 14, 15 шины 12 адреса и данных.
Технический результат также достигается тем, что электронно-вычислительная машина дополнительно снабжена блоком клавиатуры 4 и блоком индикации 5, соединенными с шиной 12 адреса и данных, а в качестве исполнительных механизмов устройство снабжено автоматическими устройствами ввода шлака 16, ввода раскислителей 17 и ввода легирующих присадок 18 в дуговую сталеплавильную печи и в ковш-печь
Работа устройства управления по полезной модели может быть проиллюстрирована примером и рисунком 1, где:
1 - электронно-вычислительная машина (ЭВМ);
2 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
3 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);
4 - блок клавиатуры;
5 - блок индикации;
6 - датчики температуры расплава стали в дуговой печи и печи-ковше;
7 - блок датчиков химического состава стали в дуговой печи и печи-ковше;
8 - датчик времени;
9, 10, 11 - порты ввода информации;
12 - шина адреса и данных;
13, 14, 15 - порты вывода команд на исполнительные механизмы;
16 - исполнительный механизм ввода компонентов шлака;
16 - исполнительный механизм подачи раскислителей;
17 - исполнительный механизм добавления присадок.
В качестве датчика температуры расплава стали в дуговой печи ДСП-2 и ковше-печи АКП могут быть использованы инфракрасные термометры с лазерным указателем и рабочим температурным диапазоном 400-1500°С. В качестве датчиков химического состава расплава стали (рис.1) в дуговой печи ДСП-2 и ковше-печи АКП могут быть использованы оптико-эмиссионный спектрометр (анализ на содержание кремния, марганца, фосфора, хрома, никеля, кобальта, вольфрама, ванадия, молибдена и ниобия), газоанализатор (анализ на содержание азота и кислорода), анализатор углерода и серы, атомно-абсорбционный спектрометр (анализ на содержание алюминия и кремния). В устройстве по полезной модели все датчики объединены в блок 7 датчиков химического состава расплава стали. В качестве исполнительных механизмов (ввода шлака, ввода раскислителей ввода легирующих присадок) могут быть использованы стандартные автоматические загрузочные устройства печи ДСП-2 и ковша-печи АКП.
Однокристаллическая ЭВМ 1 предназначена для управления всеми элементами электрической схемы устройства. С помощью ЭВМ осуществляют реализацию алгоритмов химического анализа, измерения температуры, ввода шлака, раскислителей и легирующих компонентов, очистки от шлака, и т.п., опрос клавиатуры, управление органами индикации, а также обслуживание последовательных интерфейсов ввода-вывода. В частности, ЭВМ может быть БИС семейства INTEL 80C51 с тактовой частотой 12-14 МГц.
Постоянное запоминающее устройство 3 - ПЗУ предназначено для хранения в памяти данных о требуемом содержании в стали легирующих элементов, серы, фосфора и вредных примесей, а также команд для ЭВМ и представляет собой стандартную БИС семейства INTEL 27C512 емкостью 64 кбайт.
Оперативное запоминающее устройство 2 - ОЗУ предназначено для хранения информации, связанной с режимом работы печи и печи-ковша (режимы плавки, состав шлака, состав стали, температура расплава в дуговой печи перед выпуском в АКП, температура металла в АКП перед разливкой) и оперативной информации, связанной с приемом данных от датчиков температуры 6 и датчиков химического состава расплава блока 7. ОЗУ подключено к системной шине 12 адреса и контроля ЭВМ и представляет собой стандартную БИС семейства INTEL 6264 емкостью 8 кбайт.
Три порта ввода 9, 10, 11 информации, соединенные с ЭВМ шиной 12 и датчиками температуры 6, времени 8 и химического состава блока 7 предназначены для организации 8-разрядного порта ввода сигналов логического уровня и представляют собой параллельный разрядный регистр.
Три порта вывода информации (13, 14, 15), предназначенные для организации 8-разрядного порта вывода команд (сигналов) для исполнительных механизмов, также подключены к системной шине 12 адреса и контроля ЭВМ и представляют собой параллельный разрядный регистр.
Блок клавиатуры 4 предназначен для запуска ЭВМ и ручной подачи команд, а также блок индикации 5, который представляет собой текстовый жидкокристаллический индикатор, также соединены с шиной 12.
Технологические процессы, связанные с легированием при выплавке жаропрочных хромистых сталей изучены достаточно подробно. Для обеспечения получения наноструктурированной стали с равномерно распределенными в объеме слитка упрочняющими металлическими нанофазами (карбидами, нитридами, карбонитридами, интерметаллидами) необходимо в хромистом расплаве жаропрочной стали точно поддерживать требуемые соотношения между легирующими компонентами: никелем, марганцем, молибденом, вольфрамом, кобальтом, медью, азотом, редкоземельными металлами, бором, а также обеспечивать минимальное содержание серы, фосфора и других вредных примесей.
При загрузке шихты в дуговую сталеплавильную печь ДСП-2 используют собственные отходы и углеродистый лом, чистый по примесям цветных металлов.
В окислительный период работы печи устройство по полезной модели контролирует в дуговой печи температуру с использование датчика температуры 6, подключенного к порту 9, а содержание легирующих компонентов и примесей - с использованием датчика времени 8, выход которого соединен с третьим портом 11 ввода информации, и датчиков химического состава блока 7, который подключен к порту ввода информации 10. Все порты через шину 12 адреса и данных соединены с ЭВМ и устройствами ОЗУ и ПЗУ. Полученную информацию обрабатывают в ЭВМ с учетом информации в ОЗУ и ПЗУ и выдают команду на исполнительные механизмы (устройства ввода механизмом ввода шлака 16, ввода раскислителей 17 и ввода легирующих присадок 18 в дуговую сталеплавильную печи и в ковш-печь) 16-18 для введения присадок (шлака, соды и т.д.), снижающих содержание кислорода, водорода, серы, фосфора и углерода. Например, в конце окислительного периода содержание углерода в расплаве должно быть менее 0,10%, содержание фосфора менее 0,006 мас.%, серы менее 0,015 мас.%, что контролирует устройством по полезной модели. При невыполнении этих условий через ЭВМ и порт вывода 13 выдают команду, например, на увеличение длительности окислительного периода -на продолжение действия соответствующих исполнительных механизмов. При этом шлак по ходу рафинирования раскисляют молотым силикокальцием и алюминиевым порошком.
По окончанию окислительного периода под контролем устройства по полезной модели окислительный шлак сливают, а расплав с использованием исполнительных механизмов раскисляют алюминием, ферросилицием и ферромарганцем. В восстановительный период также добавляют ферротитан, феррохром, феррониобий с использованием исполнительных автоматических устройств ввода раскислителей 17 и легирующих присадок 18.
Перед выпуском расплава в печь-ковш АКП металл полностью очищается от шлака, а температуру в пределах 1600-1620°С контролируют датчиками температуры 6.
Аналогично осуществляют контроль параметров процесса обработки расплава в печи-ковше АКП и ведут ввод требуемых легирующих компонентов с использованием исполнительных автоматических устройств.
Использование устройства по полезной модели позволяет более точно контролировать управление процессом легирования многокомпонентных жаропрочных сталей в дуговой сталеплавильной печи и в агрегате ковш-печь, что обеспечивает получение требуемой структуры металла в слитке, которая содержит большое количество упрочняющих металлических нанофаз.