Новые технологии контроля параметров металлических расплавов (статья)
Постоянно увеличивающийся спрос на высококачественные марки стали, обычные углеродистые или специального назначения, является вызовом как для металлургов, так и для производителей металлургического оборудования и измерительных систем. Требуется все более быстрый и эффективный контроль процессов, протекающих в сталеплавильных агрегатах, и процессов обработки стали в агрегатах внепечной обработки (установках доводки металла, вакуумирования, печь-ковшах и др.). И прежде всего важен контроль температуры металла — от выплавки до разливки в слиток или на МНЛЗ.
Многие дефекты образуются в результате выпуска либо холодных, либо перегретых плавок. Получение высококачественной стали возможно лишь при соблюдении оптимального температурного режима.
Для поддержания оптимальной температуры разливаемого металла в очень узком диапазоне компания «Нордин-крафт» предлагает использовать систему непрерывного измерения температуры «Contitherm» (рис. 1). Система позволяет прогнозировать температурный ход разливки, своевременно оповещает оператора о выходе температуры металла за допустимые пределы, уменьшает вероятность подвисаний и прорывов, обеспечивает безопасную работу персонала. Использование термопар «Contitherm» дает возможность оптимизировать работу автоматизированных систем управления непрерывной разливкой и согласовывать скорости литья с измеряемой температурой, обеспечивает возможность разливать металл при температуре, максимально близкой к температуре ликвидуса. Промежуточные ковши, имеющие системы плазменного подогрева металла или ввода хладагентов, могут более эффективно управляться на основании информации о текущей температуре металла. Термопары непрерывного действия имеют малое время срабатывания, встроены в корпус из алюмографитовой керамики и могут находиться в расплаве до 24 часов без ухудшения точностных характеристик измерения (±1 °С при t=1554 °С).
Для обеспечения быстрого и надежного измерения содержания водорода в расплавленном металле и оперативного принятия решения по корректировке режима внепечной обработки (вакуумирования) поставляется система «Hydris» (рис. 2). Основное отличие систем измерения содержания водорода «Hydris» заключается в том, что расходуемые зонды содержат газопроводные трубки вместо электрических проводников. Несущий газ (азот) подается из пневматического блока по пневматическому кабелю через барботажную трубку в расплав. Растворенный в стали водород диффундирует в
пузырьки несущего газа, который затем собирается пористым наконечником. Последний за счет высокого поверхностного натяжения пропускает только пузырьки газа и не пропускает расплавленный металл. Через всасывающие трубки несущий газ поступает обратно в пневматический блок, где в нем с помощью детектора теплопроводности измеряется парциальное давление водорода. Несущий газ циркулирует в закрытом контуре до того момента, когда парциальное давление водорода в нем стабилизируется и становится равным парциальному давлению водорода, равновесному с содержанием водорода, растворенного в металле. Далее в соответствии с законом Сивертса процессорный блок определяет содержание водорода. По сравнению с традиционным методом определения содержания водорода (отбор пробы и последующий анализ путем нагрева в вакууме или расплавления пробы) данный метод имеет ряд существенных преимуществ, оправдывающих применение достаточно дорогостоящей системы (стоимость приборной части — около 40 000 долл., зондов — 30—32 долл.). При использовании вакуум-нагрева, несмотря на соблюдение всех возможных мер предосторожности, практически неосуществимо устранить потери водорода при обработке пробы или, например, насыщение пробы водородом при закаливании в воде. Плохое качество отобранных проб может значительно повлиять на результаты. Метод требует больших затрат времени. Проба должна доставляться в лабораторию в жидком кислороде или сухом льде. Она должна быть тщательно очищена, вымыта, высушена, взвешена; большое количество времени требуется на разогрев и настройку соответствующего прибора.
Экспресс-анализ с помощью системы «Hydris» позволяет почти в 100 раз сократить время на получение результата. Продолжительность измерения всего лишь около 60 секунд. Стандартное отклонение при определении содержания водорода — 0,2 ррт, что в несколько раз выше точности, которую обеспечивает метод вакуумного нагрева.
Измерение содержания водорода в промковше МНЛЗ подтверждает, достигнут ли требуемый уровень водорода в металле перед разливкой. По результатам измерения можно принять решение о целесообразности проведения изотермического отжига или об исключении термообработки при содержании водорода в требуемых пределах, оценить качество конечного металлопродук-та с точки зрения его внутренней структуры и т.д. Система «Hydris» используется в основном для контроля флокеночув-ствительного металла, в сталях с очень низкими пределами содержания водорода (например, толстолистовая сталь, рельсы, трубы и т.д.), где по техническим условиям требуется аттестация металла по содержанию водорода. Предел водорода, который позволяет гарантированно проводить дальнейшую обработку, зависит от качества стали, дозировки продукта и процесса охлаждения по окончании горячей прокатки и ковки. Иногда предельные границы очень низки (до 1,5 ppm). «Hydris» применяется также для контроля при формовом литье из-за опасности образования пузырьков близко к поверхности детали. При разливке стали на МНЛЗ из-за образования фло-кенов близко к поверхности слитка может произойти аварийная ситуация(про-
рыв металла под кристаллизатор). Измерение содержания водорода позволяет контролировать ситуацию и, при необходимости, принимать решение о его снижении (например, вакуумной обработкой). Отметим, что на ОАО «Северсталь» используются 3 подобные системы. Установлены они и на некоторых других предприятиях: в Старом Осколе, Нижнем Тагиле, Волгограде.
Для конвертерных производств компания «Нординкрафт» поставляет системы, которые позволяют получать значения требуемых параметров без прерывания процесса выплавки. Данные системы состоят из процессорных блоков, обрабатывающих результаты измерений (это могут быть приборы «Digilance» и «Multi — Lab», рис. За) и расходных комбинированных зондов «Multi — Lance» (рис. 36).
Зонды поставляются нескольких модификаций:
для одновременного измерения температуры и отбора пробы — TS;
для одновременного измерения температуры, определения содержания углерода и отбора пробы — TSC;
для одновременного измерения температуры, определения содержания растворенного кислорода и отбора пробы - TSO.
Стандартное исполнение комбинированных зондов: длина 1,5—2,0 м, наружный диаметр 80 мм. Эти габариты являлись препятствием для использования зондов в конвертерном производстве ОАО «Северсталь». За короткий период специалистами нашей компании и фирмы «Heraeus Electro-Nite» была создана и предложена новая модификация —
ML-DIV «2-in-1» для одновременного измерения температуры и отбора пробы без повалки конвертера. Конструкция этих комбинированных зондов позволяет «отстреливать» их после использования сжатым газом, тем самым обеспечивая безопасность работы персонала.
В настоящее время проходят промышленные испытания зондов «3-in-1» новой модификации, которые предоставляют возможность одновременно с отбором пробы и измерением температуры определять активность кислорода в стали, производить расчет углерода в ванне и рассчитать количество алюминия, необходимого для предварительного раскисления.
Применение зондов «2-in-1» и «3-in-1» сокращает время плавки в целом, улучшает ее тепловой баланс, уменьшает количество додувок и повышает стойкость футеровки конвертора (по данным компании «Danieli», уменьшение продолжительности плавки составляет 8 минут, уменьшение износа футеровки — 25%). Для тех конвертерных производств, где по техническим или экономическим причинам установка измерительного зонда невозможна, достаточно эффективным средством измерения может быть система «Quick-Tap», состоящая из одноразовых зондов и прибора «Multi-Lab Quick-Tap». Зонды представляют собой смонтированные в металлическом корпусе измерительные элементы, позволяющие определять значение температуры и активности кислорода в стали, а также производить расчет углерода и количества раскислителя для предварительного раскисления. Прибор соединяется с зондами (магазин для хранения предусматривает наличие 12 зондов) с помощью огнеупорного кабеля, намотанного в нерабочем состоянии на бумажную трубку. После «отстрела» зонд по направляющей поступает в рабочее пространство конвертера, причем длина кабеля подбирается так, чтобы зонд свободно погружался в расплавленный металл.
При выплавке стали на выпуске плавки из сталеплавильного агрегата попадание в сталеразливочный ковш печного шлака с высоким содержанием FeO отрицательно влияет на все последующие процессы, протекающие при внепечной обработке и разливке стали. Для отсечки печного шлака разработано и применяется много систем, однако ни одна из них не позволяет полностью исключить попадание печного шлака в сталеразливочный ковш.
При наличии на поверхности стали в ковше высокоокисленного шлака система «металл — шлак» находится в разбалансированном состоянии. По этой причине химический состав стали начинает изменяться, что приводит к непредска-