СПОСОБ ВЫПЛАВКИ МЕТАЛЛА
SMELTING METHOD OF METAL

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при организации металлургических процессов в цветной и черной металлургии.
Известны способы выплавки металла, включающие измерение количественных характеристик химических элементов, входящих в состав выплавляемого металла, с последующим внесением веществ, корректирующих элементный состав выплавляемого металла, необходимый набор и количество которых определяют по результатам этих измерений. При этом процесс измерения количественных характеристик химических элементов включает следующие элементы:
- изъятие из емкости с расплавленным металлом пробы - небольшой части расплавленного металла,
- кристаллизацию (отверждение) пробы в специальной форме - кристаллизаторе,
- изъятие отвержденной пробы из кристаллизатора,
- механическую обработку (часто фрезеровку и шлифовку) поверхности пробы с целью удаления нерепрезентативного поверхностного слоя,
- осуществление собственно измерения количественных характеристик химических элементов, часто с помощью лабораторных средств спектрального анализа, например, устройства XXX фирмы УУУ,
- сравнение результатов измерения с требуемыми значениями.
Отбор проб осуществляют, чаще всего, с помощью специальных зондов-пробоотборников, погружаемых в металл вручную или посредством применения манипуляторов.
Отбор проб осуществляют, как правило, после того, как химический состав выплавляемого металла в емкости стабилизировался после внесения корректирующих веществ и достаточно однороден в пределах рабочей емкости, например конвертера. Поскольку процесс измерения, этапы которого приведены выше, достаточно длителен, занимает, как минимум, несколько минут, информация о динамике изменения количественных характеристик химических элементов сразу после внесения корректирующих веществ не является актуальной. Поэтому целесообразность измерения количественных характеристик химических элементов расплавленного металла в нескольких точках рабочего объема является проблематичной. Обычно отбор пробы проводят в одной точке рабочего объема расплава.
На основании полученных данных определяют необходимость внесения корректирующих веществ, рассчитывают их состав и количество. После внесения корректирующих веществ весь процесс повторяется до тех пор, пока количественные характеристики химических элементов не достигнут требуемых значений. После этого технологическая цель выплавки металла считается достигнутой, выплавляемый металл разливают в формы и (или) кристаллизуют с помощью УНРС.
Измерения количественных характеристик химических элементов расплава в известных способах выплавки металла целесообразно осуществлять лишь несколько раз в течение всего процесса выплавки. Очередной акт измерения целесообразно осуществлять только после внесения корректирующих смесей и стабилизации элементного состава расплава в рабочей емкости.
Это существенным образом уменьшает интервал времени между измерением количественных характеристик химических элементов расплава и осуществлением корректирующего воздействия (внесения смеси).
К недостаткам существующих способов относится, в частности, следующее:
1. Информация о количественных характеристиках химических элементов расплава поступает со значительным запаздыванием и характеризует не столько текущее состояние расплава, сколько его состояние на момент отбора пробы. Ввиду высокой скорости протекания современных металлургических процессов это приводит к неопределенности, обусловливающей неизбежные ошибки при определении состава и количества корректирующих смесей.
2. Это, в свою очередь, обусловливает высокую вероятность значительных отклонений количественных характеристик химических элементов, входящих в состав готового металла, по отношению к заданным значениям. Другими словами, элементный состав (а следовательно, и физические свойства) готового металла может значительным или даже недопустимым образом отличаться от планируемого.
3. Задержка в получении информации о количественных характеристиках химических элементов, входящих в расплав и, как следствие, неоптимальный состав корректирующих веществ может привести к увеличению времени выплавки, а стало быть, к чрезмерным энергетическим затратам и снижению производительности металлургического агрегата.
Известно, что измерение количественных характеристик элементов, входящих в состав выплавляемого металла, осуществляют непосредственно в емкости с расплавленным металлом, без предварительного извлечения из нее образцов (пробы) выплавляемого металла путем ввода в емкость с расплавленным металлом зонда, например лазеров [1, 2, 3, 4]. Однако известные способы непосредственного измерения количественных характеристик элементов, входящих в состав выплавляемого металла, также имеют недостаток, состоящий в том, что измерение осуществляют без учета времени и скорости химических реакций, происходящих в процессе выплавки стали из чугуна в емкости с расплавленным металлом. Замеры осуществляют в каком-то одном месте, например через стенку емкости, используют защитные инертные газы при вводе зондов в емкость, используют дорогие лазерные устройства. Все это не обеспечивает должной точности, достоверности и надежности измерений.
Целью изобретения является повышение эффективности и сокращения времени осуществления металлургических процессов, улучшения качества и повышения точности достижения требуемого элементного состава выплавляемого металла, а также повышение скорости, точности и достоверности измерений.
Для достижения этих целей в способе выплавки металла измерение количественных характеристик химических элементов, входящих в состав выплавляемого металла, и последующее внесение веществ, корректирующих элементный состав выплавляемого металла в необходимом количестве, по результатам этих измерений, измерение количественных характеристик химических элементов, входящих в состав выплавляемого металла, осуществляют непосредственно в емкости с расплавленным металлом, без предварительного извлечения из нее образцов выплавляемого металла, путем погружения одного или более измерительных зондов в емкость с выплавляемым металлом, при этом измерения осуществляют непрерывно или с интервалом времени, сопоставимым или меньше времени происходящего в процессе выплавки изменения атомарного состава выплавляемого металла в зоне измерения.
Кроме того, измерения количественных характеристик химических элементов выплавляемого металла осуществляют на заданную глубину одновременно в нескольких заданных участках емкости с выплавляемым металлом, а для измерения количественных характеристик химических элементов выплавляемого металла используют измерительные зонды, сохраняющие работоспособность при погружении в выплавляемый металл в течение длительного времени, сопоставимого с длительностью процесса выплавки.
Характерное время изменения атомарного состава выплавляемого металла можно определить, например, используя инженерные методики расчета кинетики металлургических процессов, или результаты физического или математического моделирования. Предлагаемый способ позволяет осуществлять несколько измерений в секунду, что позволяет организовать мониторинг состояния измеряемых параметров, отслеживать тенденции их изменения, а значит, осуществлять более точные управляющие воздействия. Для отслеживания быстрых изменений состояния измеряемых характеристик, в том числе в момент внесения корректирующих веществ, целесообразно использовать информацию, одновременно поступающую из двух и более точек объема расплава.
В качестве измерительных зондов можно использовать, например, устройства, приведенные в [5]. В предлагаемом способе для защиты зонда от высокой температуры и возможности длительного нахождения в емкости с расплавленным металлом корпус зонда изготавливается из материала, обеспечивающего его работоспособность в течение длительного времени, например из алюмографитовой керамики.
Таким образом, в предлагаемом способе выплавки стали интересуются не только значением количественных характеристик химических элементов в определенные моменты процесса выплавки металла, но и динамикой изменения измеряемых величин, тенденциями в состоянии элементного состава расплава. Это позволяет обеспечить осуществление более точных и своевременных корректирующих воздействий, что, в свою очередь, позволит сократить продолжительность процесса выплавки, добиться повышения точности элементного состава и стабильности физических свойств выплавляемого металла.
В качестве примера возможна следующая реализации заявленного способа. Используется установка внепечной обработки стали, служащая для добавки легирующих элементов. Два зонда расположены на одинаковой глубине в ковше, один из них находится в непосредственной близости от места сброса ферросплавов, второй расположен диаметрально противоположно. Изначально сталь имеет содержание Mn 1%, целевой показатель 1,9%. Согласно заявленному изобретению, производят непрерывное измерение содержания марганца. По результатам замера на начальном этапе, вычисляют количество необходимого ферромарганца по известным инженерным методикам и добавляют его в ковш. Проводя непрерывный мониторинг, вычисляют среднее арифметическое между показаниями двух зондов и решение о добавлении ферросплавов принимают из визуальной оценки графика средней. Так, если имеются показания зонда 1 и зонда 2, изображенные на фиг.1, то из визуальной оценки уже на 200-й секунде можно заключить, что среднее содержание марганца стремится к показателю 1,8%, что меньше целевого. Исходя из этой информации, принимают решение о введении корректирующей добавки.
Изначально сталь имеет содержание Mn 1%, целевой показатель 1,9%. Согласно заявленному изобретению, производят непрерывное измерение содержания марганца. По результатам замера на начальном этапе вычисляют количество необходимого ферромарганца по известным инженерным методикам и добавляют его в ковш. Проводя непрерывный мониторинг, вычисляют среднее арифметическое между показаниями двух зондов и решение о добавлении ферросплавов принимают из визуальной оценки графика средней. Так, если имеются показания зонда 1 и зонда 2, изображенные на фиг.1, то из визуальной оценки уже на 200-й секунде можно заключить, что среднее содержание марганца стремится к показателю 1,8%, что меньше целевого. Исходя из этой информации, принимают решение о введении корректирующей добавки.
п
ц
В качестве другого примера возможна реализация изобретенного способа для процесса в томасовском конвертере. Зонд (например, [1] или [7]), расположенный в нижней части боковой стенки конвертера, может измерять состав металла с заданным интервалом времени, но не чаще 10 раз в секунду. Предположим, что используются опытные данные кинетики протекания металлургического процесса, включающие график среднего содержания элементов в металле в зависимости от времени, прошедшего с начала продувки (см. фиг.2, источник [6], стр.216). При осуществлении способа производят мониторинг трех элементов: кремний, углерод, фосфор. Определяющим для 1-го, 2-го и 3-го периода продувки являются соответственно Si, С, Р. Исходя из этого находят по графику характерное время изменения концентрации элемента в соответствующем периоде как время, за которое его концентрация уменьшается в 2,72 раз. Для кремния концентрация в начале первого периода составляет 0,85%, уменьшается до 0,31% за 2 минуты. Аналогично для углерода характерное время изменения во втором периоде от 3,5% до 1,3% составляет 9 минут, фосфора в третьем периоде - 2 минуты. Согласно формуле изобретения интервал времени между двумя последовательными измерениями одного зонда принимают сопоставимым или меньше характерного времени изменения атомарного состава выплавляемого металла в зоне осуществления измерений. В данном примере устанавливают время между измерениями 10 секунд. После начала процесса продувки измерение содержания всех трех элементов Si, С и Р производят через каждые 10 секунд. После снятия первых 4 замеров производят аппроксимацию полиномом 3 степени методом наименьших квадратов. После каждого замера (начиная с 4-го) прогнозируют содержание элемента на следующие 10 секунд, используя аппроксимирующую функцию. Сравнивают прогнозное значение x, целевое значение x, вычисляют поправку
.
Корректируют подачу кислорода по формуле:
0
у=у·(1+е),
0
где у и у - скорректированный и текущий расход кислорода соответственно.
Источники информации
1. Патент US №4995723.
2. Патент РФ №2273841.
3. Патент РФ №2163713.
4. Патент РФ №2180951.
5.Заявка РФ №2005131601 на изобретение «Измерительный зонд для погружения в расплав металла».
6. Кудрин В.А. Металлургия стали. Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1989, 560 с.
7. Заявка US №20030218747.