СПОСОБ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ВЕРХНЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ШЛАКОВОЙ ФАЗЫ И ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ШЛАКОВОЙ И МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ФАЗЫ РАСПЛАВА В ВАННЕ СИФОНА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПЕЧИ ВАНЮКОВА ИЛИ РОМЕЛТ
CONTROL METHOD OF LEVEL OF TOP SURFACE OF SLAGGY PHASE AND BOUNDARY OF SLAGGY AND METALLIC PHASE OF MELT IN LIFT TUBE TANK OF IRON-AND-STEEL FURNACE BY VANUKOV OR ROMELT

Способ контроля уровня и границы раздела шлаковой или металлической фазы расплава предназначен преимущественно для использования в металлургической отрасли, например для контроля уровня шлаковой и металлической фазы в жидкофазной ванне печей типа Ванюкова или Ромелт, а также может найти свое применение в различных областях контроля уровня и/или раздела различных фаз.
В настоящее время уровень расплавленных металлургического шлака и металла в ваннах печей типа Ванюкова или Ромелт определяют кратковременным погружением в них тугоплавких стержней (ломов, тугоплавких стержней и т.д. Отдельных описаний такого тривиального способа не найдено!). Поскольку механическое сопротивление расплавленных материалов к движению опускаемого стержня практически одинаковы, то точность контроля при этом остается на низком уровне, что не обеспечивает потерю металлической фазы со шлаками или выпуск последних с металлом. Кроме того, традиционный способ небезопасен, сопровождается заменой контрольного стержня после каждого замера и не позволяет получать непрерывную информацию об уровне и границе раздела шлакового и металлического расплава в ванне печи.
Известен способ контроля уровня и раздела растворов в емкостях, осуществляемый путем дифференцирования температур фазовых составляющих жидких металлов и расплавов солей [Термодифференциальное реле уровня жидких сред модели У.S5100.Интернет]. Это известное техническое решение является наиболее близким аналогом по функциональному назначению заявляемого способа.
Недостатки этого аналога: работает только при наличии разности температур в контролируемой среде (в металлургической ванне этого нет!); сенсор должен находиться постоянно в рабочей среде (в ванне металлургической печи среда агрессивная, поэтому сенсор разрушается за считанные минуты); диапазон рабочих температур не превышает 600°С (в металлургической печи 1300-1900°С).
Известен также контроллер уровня универсальный КОНТУР-У, выпускаемый группой компаний «РЭЛСИБ». Принцип действия - контроль электропроводимости жидких сред, значения которых устанавливаются экспериментально и задаются в качестве уставок - эквивалентов контролируемого уровня или раздела фаз. Способ, реализованный в этом компьютерном уровнемере, принимается за прототип предлагаемого способа.
Недостатки: узкий диапазон контроля уровня или раздела различных жидкостей с различными удельными электропроводностями; чувствительный элемент не может находиться в агрессивной среде и высокой температуре 1300÷1900°С; способ, реализованный в прототипе, не предусматривает селективное выделение диапазона измерения уровня шлаковой фазы и металлической фазы расплава в ванне, т.е. не может выполнять функцию селективного контроля изменения уровня шлака и металла в расплаве ванны металлургической печи. Прототип также не может сам автоматически отыскать начало отсчета уровня шлака и тем более границы раздела шлаковой и металлической фазы, т.к. эти контролируемые параметры металлургического процесса меняются по высоте ванны печи в функции фактической производительности и степени восстановления металлов в ванне печи.
Задачи, решаемые предлагаемым изобретением, повышение надежности и точности контроля уровня шлакового слоя и границы раздела или соприкосновения шлакового и металлического слоев в ванне металлургической печи при квазистационарном смещении уровня слоя шлака и указанной границы соприкосновения слоя шлака с металлическим слоем расплава в ванне металлургической печи; повышение надежности и долговечности работы чувствительного элемента для реализации предлагаемого способа до долговечности технологических элементов металлургической печи, возможность получить информацию о контролируемых параметрах дистанционно (без приближения обслуживающего персонала к расплаву и экологически безопасных условиях) с последующей передачей этой информации на компьютеры и средства автоматического управления без участия субъекта.
Технический результат достигается за счет того, что в способе контроля уровня верхней поверхности шлаковой фазы или границы раздела шлаковой и металлической фазы расплава в ванне сифона металлургической печи Ванюкова или Ромелт осуществляют подачу напряжения на электропроводящий огнеустойчивый стержень или стержни, используемый для нагрева шлака, и задание уставки величины тока. Осуществляют перемещение стержня или стержней с одновременным и непрерывным измерением и сравнением величины тока через стержень или стержни с уставкой и при равенстве измеряемого значения тока значению уставки осуществляют фиксацию верхней поверхности шлаковой или границы раздела шлаковой и металлической фазы расплава в ванне металлургической печи.
Кроме того, повышение срока службы элементов, реализующих предлагаемый способ, до сроков службы элементов технологического оборудования, а также и технического упрощения реализации этого способа, в качестве стержня используют графитовый стержень или электрод для электродугового подогрева расплава, а для достижения высокой точности контроля в предлагаемом способе дополнительно измеряют первую производную тока через стержень.
Реализация и работа предлагаемого способа иллюстрируется функциональной схемой металлургической печи (Ванюкова, Ромелт и т.д.), представленной на чертеже. Описание примера способа реализации приводится для случая контроля уровня границы раздела шлаковой и металлической фаз в ванне сифона печи. На чертеже даны следующие обозначения: 1 - реакционная зона печи; 2 - сифон с заземленным корпусом с отверстиями для выпуска шлаковой фазы 2 «а» и металлической фазы 2 «б»; 3 - токопроводящий стержень, перемещаемый по вертикали исполнительным механизмом 4 (2-стержневая система контроля - здесь не приводится) и подключенный к трансформатору 5 с измерительными (токовыми и напряженческими обмотками) и другими вспомогательными элементами, которые в свою очередь через компьютер подключены к монитору оператора (здесь не показаны).
Из реакционной зоны 1 ванны печи Ванюкова или Ромелт шлак и металлическая составляющая получаемого металлургического расплава поступает в сифон 2. По мере заполнения сифона 2 металлическая составляющая (фаза) накапливается в нижней зоне ванны сифона 2 и выпускается (непрерывно или периодически) через отверстие 2 "б", а шлаковая фаза накапливается над слоем металлической фазы и выпускается также через отверстие 2 "а". Для эффективной работы печи необходимо поддерживать заданные значения уровня шлака и металла, а еще важнее уровня границы зоны их раздела. Для этого на стержень (электрод или более двух электродов) подают стабилизированное напряжение, обеспечивающее электродугу между стержнем и шлаком, а по мере перемещения вниз - между стержнем и металлической фазой расплава.
По мере необходимости оператор или по программе компьютер на стержень 3 подает напряжение, а исполнительный механизм 4, получив сигнал-команду от оператора или контроллера на перемещение стержня 3, последний вводит в соприкосновение с верхней поверхностью шлаковой фазы в сифоне 2. При этом между нижним концом стержня 3 и шлаком возникает ток дуги. Поскольку в режиме наладки измерительной системы в качестве заданной уставки устанавливают экспериментальное значение тока для шлака, то при его достижении перемещение стержня прекращают и фиксируют положение стержня на момент появления такового равенства, т.е. фиксируются верхний уровень шлака (в м, см, мм и т.д.). Далее дают команду на дальнейшее перемещение стержня 3 вниз с отсчетом в тех же размерностях.
Для контроля уровня границы раздела шлака и металла в ванне стержень 3 при помощи того же исполнительного механизма 4 перемещают дальше вниз до достижения условия равенства задания тока через металл текущего значения тока через стержень.
После этого движение стержня 3 прекращают и фиксируют размер его перемещения в соответствующих размерностях. Зная априорную информацию (начало отсчета перемещения и геометрические размеры - высоту ванны сифона 2), определяют границу раздела шлакового и металлического слоя расплава в ванне печи Ванюкова или Ромелта.
Из опыта эксплуатации печей Ванюкова, Ромелта и других металлургических печей известно, что при плавке и восстановлении металлургического сырья, особенно содержащих тугоплавкие материалы как титаномагнетиты или расплавленные футеровочные материалы, возникают существенные проблемы с выпуском расплавов из ванны печи высоковязких шлаков, что приводит к нарушению работоспособности печи или крупным авариям. Кроме того, чтобы снизить объем механического выноса ценных металлов со шлаками, температуру шлака на границе раздела с металлической фазой необходимо поднять до максимально возможного снижения вязкости шлака. В связи с этим в качестве стержня 3 эффективно использовать один или несколько электродов, концы которых расположены на границе раздела шлака и металла. Этого же можно добиться, если после достижения стержнем уровня металла напряжение, подаваемое на стержень 3, увеличить из условия обеспечения необходимой температуры для достижения желаемой вязкости шлака.
Таким образом, совокупность отличительных признаков предлагаемого технического решения (способа) обеспечивает достижение ранее перечисленных технических и иных положительных эффектов.