СПОСОБ КОНТРОЛЯ ОКИСЛЕННОСТИ ШЛАКА И МЕТАЛЛА ПРИ ВЫПЛАВКЕ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА В ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЕЧАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
MONITORING METHOD OF OXIDATION OF SLAG AND METAL AT MELTING OF ALLOYS BASED ON IRON IN ALTERNATING-CURRENT ELECTRIC ARC FURNACES

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к способам контроля окисленности шлака и металла при выплавке сплавов на основе железа.
Известен способ оценки окисленности шлака (содержания оксидов железа в шлаке) при выплавке сплавов на основе железа в электродуговых печах переменного тока путем замера и регистрации постоянной составляющей напряжения дуги (ПСНД) с одной из фаз печи и последующего расчета количества оксидов железа в шлаке по формуле: (FeO)=a·U+b, где U - ПСНД; a, b - постоянные коэффициенты (Патент РФ 2061059, МПК 6 С21С 5/52, G01N 27/26, 27.05.96. Способ оценки содержания оксидов, железа в шлаке при выплавке сплавов на основе железа в электродуговых печах переменного тока), выбранный в качестве прототипа.
Принципиальным недостатком данного способа является использование значения ПСНД для оценки количества оксидов железа, выделенного только с одной из фаз печи. Поскольку в трехфазных электродуговых установках все три фазы электрически связаны друг с другом, то отмечающаяся при работе печи асимметрия фазных напряжений приводит к тому, что значение ПСНД, выделенное только с одной фазы, отражает как содержание оксидов железа в шлаке, так и характер асимметрии напряжений дуг в момент измерения. Соответственно при этом возрастает погрешность оценки содержания оксидов железа в шлаке и ухудшается стабильность результатов метода.
Кроме того, способ (Патент РФ 2061059, 6 С21С 5/52, G01N 27/26, 27.05.96.) не предусматривает возможности получения информации о таком важном параметре процесса, как окисленность металла (содержание кислорода в металле), связь которого с окисленностью шлака имеет объективную физико-химическую природу и четко проявляется на практике.
Известен также способ оценки содержания кислорода в жидком металле методом измерения ЭДС между металлом и электродом сравнения (Явойский В.И. Металлургия стали: учебник для ВУЗов / В.И.Явойский, Ю.В.Кряковский, В.П.Григорьев, Ю.М.Нечкин, В.Ф.Кравченко, Д.И.Бородин. - М.: Металлургия, 1983. 584 с.). Кроме того, известен в целом аналогичный предыдущему способ оценки окисленности шлака методом измерения ЭДС между шлаком и электродом сравнения (Авторское свидетельство СССР N 1273783, кл. G01N 27/46, 1984).
Указанные способы имеют следующие существенные недостатки:
- измерения производятся эпизодически, что не позволяет отслеживать динамику изменения окисленности металла и шлака непрерывно в режиме реального времени;
- на каждое измерение приходится один дорогостоящий расходуемый датчик окисленности, который выдерживает только одно измерение;
- для корректной работы датчика окисленности необходимо строго соблюдать требования по влажности места хранения датчиков, что не всегда удается в условиях реального производства.
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание менее затратного и более стабильного способа контроля содержания оксидов железа в шлаке и дополнительно кислорода в металле, обеспечение возможности оценки указанных параметров непрерывно по ходу плавки.
Указанный технический результат достигается тем, что в предложенном способе контроля окисленности шлака и металла при выплавке сплавов на основе железа в электродуговых печах переменного тока, характеризующемся тем, что измеряют и регистрируют постоянную составляющую напряжения дуги (ПСНД) на всех трех фазах электродуговой печи, получают усредненное по трем фазам значение ПСНД, при этом на опытных плавках определяют зависимости усредненного по трем фазам значения ПСНД от содержания оксидов железа в шлаке и от содержания кислорода в металле, по которым на текущих плавках оценивают окисленность шлака и металла.
пснд
1
пснд
1
пснд
1
1
1
1
пснд
пснд
пснд
При этом содержание оксидов железа в шлаке и кислорода в металле на текущих плавках рассчитывают по формулам: (FeO)=x·U+y и [О]=x·U+y, где U - постоянная составляющая напряжения дуги, а х, x, y, y - постоянные коэффициенты, при которых х=0,2115, х=3,8488, y=0,0147, y=0,2704. Таким образом, содержание оксидов железа в шлаке (FeO) и кислорода в металле [О] рассчитывают по следующим конкретным формулам: (FeO)=0,2115·U+3,8488 и [О]=0,0147·U+0,2704, где U - постоянная составляющая напряжения дуги.
Известно (Патент РФ 2061059, МПК6 С21С 5/52, G01N 27/26, 27.05.96, Способ оценки содержания оксидов железа в шлаке при выплавке сплавов на основе железа в электродуговых печах переменного тока), что появление ПСНД обусловлено различием условий термоэлектронной эмиссии при прямом и обратном направлении переменного тока, а величина ПСНД увеличивается с повышением содержания оксидов железа в шлаке. Возможность оценки содержания кислорода в металле по ПСНД определяется известным фактом взаимосвязи содержания оксидов железа в шлаке и кислорода в металле и возможностью формализации этой связи достаточно точными для практического использования зависимостями. Использование усредненного по фазам значения ПСНД полностью исключает влияние асимметрии фазных напряжений на адекватность оценки окисленности шлака и металла по ПСНД.
1
1
Значения коэффициентов х, x, y, y отражают условия плавки (мощность электродуговой установки и марка стали), при этом зависят от них сложным образом, трудно поддающимся формализации, и поэтому определяются опытным путем.
Заявляемый способ контроля окисленности шлака и металла при выплавке сплавов на основе железа был реализован в дуговой электропечи ДСП-100.
Для проведения опытов был изготовлен цифровой измерительно-вычислительный комплекс, позволяющий регистрировать ПСНД по каждой фазе в отдельности и усредненное по всем фазам значение ПСНД (рис.1).
б
Съем сигналов напряжения производился с шин короткой сети каждой фазы вторичной обмотки печного трансформатора (ПТ). Аналоговые сигналы фазных напряжений нормировались с помощью резистивных делителей напряжения (R, R) и подавались на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Цифровые данные записывались в память ЭВМ, где обрабатывались с помощью процедур дискретного и обратного преобразования Фурье (Зевеке Г.В. Основы теории цепей: Учебник для вузов / Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С. В.Страхов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. 528 с.) с получением значений ПСНД по каждой фазе в отдельности и итогового усредненного по фазам значения ПСНД.
1
1
С целью определения коэффициентов х, х, y, y по ходу окислительного периода отбирали пробы шлака и оценивали содержание кислорода в металле широкораспространенным зондом Celox. В момент отбора проб шлака и измерения окисленности металла регистрировалось усредненное по фазам значение ПСНД. В пробах шлака определялось содержание оксидов железа методами аналитической химии. Полученный таким образом массив данных о содержании оксидов железа в шлаке, кислорода в металле и соответствующих значений ПСНД был проанализирован с помощью программы MS EXCEL (рис.2 и 3).
Из данных, представленных на рис.2 и 3, следует, что в широком диапазоне окисленности металла и шлака, характерном для практики, зависимости ПСНД от содержания оксидов железа в шлаке и кислорода в металле сохраняют монотонный характер. В результате статистической обработки данных получены следующие уравнения линейной регрессии при выражении содержания оксидов железа в шлаке в виде массовой доли (масс.%), кислорода в металле в ppm, ПСНД в вольтах:
пснд
(FeO)=0,2115·U+3,8488 при коэффициенте корреляции 0,8959;
пснд
[О]=0,0147·U+0,2704 при коэффициенте корреляции 0,8647.
1
1
Точность данных уравнений достаточна для их практического использования. Для случая выплавки других сплавов на основе железа, например легированных марок стали, а также их выплавки и обработки в других электрометаллургических агрегатах, например агрегатах ковш - печь, следует вновь опытным путем определить коэффициенты х, x, y, y в условиях конкретного производства.
Заявленный способ позволит по ходу выплавки металла в электродуговой печи оперативно оценивать окисленность металла и шлака, отслеживать динамику изменения этих параметров в режиме реального времени. Данная информация в свою очередь позволит операторам печи вносить оперативные корректировки в технологию текущей плавки (корректировка вдувания в печь кислорода и углерода, ввода шлакообразующих), а также корректировать ряд параметров технологии при подготовке последующих плавок (изменение массы, вводимой в завалку науглероживателя, режима работы горелок во время периода расплавления шихты).
Таким образом, у операторов печи появятся дополнительные возможности контроля процесса с целью предотвращения чрезмерного повышения окисленности металла и шлака, что принципиально важно для снижения уровня брака металлопродукции и повышения технико-экономических показателей процесса, поскольку:
- чрезмерный рост окисленности металла ([О]>700-800 ppm) приводит к повышению расхода раскислителей и легирующих, что усиливает загрязненность металла неметаллическими включениями (НВ) и азотом;
- чрезмерный рост окисленности шлака ((FeO)>25-30%) приводит к снижению его вспениваемости, что повышает интенсивность поглощения металлом азота по ходу электроплавки, повышает расход электроэнергии и затягивает плавку, усиливает износ футеровки; кроме того, рост содержания оксидов железа в шлаке вызывает повышение его агрессивности к футеровке и снижает выход годного.
Заявленный способ повышает эффективность контроля за качеством выплавляемого металла в электропечах переменного тока и снижет расход исходных составляющих процесса.