книги из ГПНТБ / Пирожников, В. Е. Автоматизация контроля и управления электросталеплавильными установками

Р и с. 30. Установка не­ прерывного контроля темпе­ ратуры металла в ванне печи:

1 — водоохлаждаемая т е р ­ мопара; 2 — направляющая; 3 — салазки; 4 — ухо креп ­

В электрической схеме управления предусмотрены блокировки, подающие команду на вывод термопары из печи при уменьшении давления воды или повышении ее температуры на сливе и при вы­ кате печи.

Водоохлаждаемую термопару погружения (рис. 31) испытывали на 8-т кислой дуговой печи. Средняя стойкость трехслойного газо­ плотного наконечника, состоящего из на­ ружного, стойкого против воздействия жид­ кой стали и шлака, боридциркониевого на­ конечника, внутреннего алундового наконеч­

зания регистрирует потенциометр ЭПП-09. При подаче сигнала «ввод» включаются насосная установка и измерительная схема потенциометра. При достижении заданного давления воды в системе от сигнала, пода­ ваемого с реле давления типа ЭКМ, автома­ тически включается привод механизма за­ слонки на открытие отверстия для ввода термопары. Затем включается механизм ввода термопары и она автоматически вво­

дится в рабочее пространство печи. Преимуществом непрерывного измерения

температуры металла является возможность более глубокого исследования температур­ ного режима печи. К недостаткам этого ме­ тода следует отнести громоздкость конструк­ ции и связанные с этим неудобства эксплуа­ тации, а также опасность попадания воды в металл при прогаре водоохлаждаемой го­ ловки термопары.

80

Р и с . 33. Изменение температуры свода (/) и сте н (2) и подводи­ мой мощности по ходу плавки

механической прочностью,— вольфрамрениевые типа ВР 5/20 и пла- тина-платинородиевые ПР 30/6.

Измерения температур стен и свода термопарами показали, что максимальная скорость повышения температуры наблюдается на боковой поверхности футеровки (в большинстве случаев на участке, расположенном напротив наиболее мощной дуги «дикой» фазы). Больше всего стены нагреваются в конце плавления и в восстанови­ тельный период. Соотношения между температурами в зонах боко­ вой поверхности и свода изменяются от плавки к плавке и в течение одной плавки, однако максимальная температура на боковой по­ верхности выше или равна (рис. 33) максимальной температуре свода.

Поэтому для непрерывного контроля температуры футеровки по ходу плавки в дуговой сталеплавильной печи может быть выбрана только одна точка, расположенная в стенке печи напротив наиболее мощной дуги «дикой» фазы. Однако на некоторых из действующих печей, особенно при низком расположении свода, может появиться необходимость контроля также температуры свода.

Для измерения температуры стен термопару устанавливают в от­ верстие кожуха и стенки печи диаметром 50 мм на высоте 600— 650 мм от уровня откосов напротив электрода наиболее горячей фазы. Это отверстие предусматривают при изготовлении футеровки. Отверстие для введения термопары в свод печи диаметром 40—50 мм, предусмотренное при сборке свода, расположено на расстоянии 600 мм от электрода наиболее горячей фазы.

Для контроля температуры футеровки дуговых сталеплавильных печей применяют радиационный пирометр, визируемый через отвер­ стие в стенке на внутреннюю поверхность свода [45]. Отдув сжатым

82

воздухом предохраняет линзы пирометра от забрызгивания и загряз­ нения. Однако указанные методы контроля футеровки не нашли промышленного применения.

5. Контроль химического состава стали

Определение химического состава жидкого металла в ванне печи состоит из следующих стадий: отбор пробы, транспортировка, химический анализ и сообщение результатов анализа. Время с мо­ мента отбора пробы до получения информации о составе металла определяют по выражению [42]

Продолжительность вспомогательных операций определяется сум­ марной длительностью последовательных операций отбора пробы (т0), доставки ее в лабораторию (тд), подготовки к анализу (тп) и времени на сообщение результатов анализа сталевару или системе

(тс. р)

Если длительность определения химического состава металла при современном уровне спектральных методов может быть достаточно малой, то время вспомогательных операций при ручном отборе проб в заводских условиях значительно. Сокращение времени, затрачи­ ваемого на отбор, транспортировку и подготовку проб металла для их анализа на спектрометре, связано со стандартизацией и улучше­ нием качества стали, также с ликвидацией простоев, вызванных отсутствием данных анализа металла.

Механизация и последующая автоматизация названных операций способствуют сокращению продолжительности текущего контроля плавок, созданию достаточно быстродействующей замкнутой системы автоматического регулирования.

Как правило, отбор пробы металла из печи, заполнение пробницы, а также транспортировку пробы к станции пневматической почты выполняют вручную, на это уходит примерно 60 с. Для транс­ портировки проб к квантометрам на ряде заводов смонтирована пнев­ матическая почта, обеспечивающая скорость движения пробы около 16 м/с.

Наряду с ручными методами подготовки проб на наждачных станках применяют станки для отрезания и фрезеровки образца, исключающие операцию шлифовки. При этом время, затрачиваемое на подготовку пробы, может быть снижено до 2 мин [46].

Известны устройства, созданные для ковки пробы в специальном штампе, придающем ей форму усеченного конуса. Торцы пробы обра­ батывают на станке с нейлоновым диском, вращающимся со скоростью 8000 об/мин. В квантометре такая проба может быть автоматически сцентрирована специальным центрирующим устройством, что позво­ ляет уменьшить время на подготовку пробы до 70 с, а общую дли­

тельность операций по отбору, транспортировке и подготовке проб —

до 3 мин.

Созданы устройства отбора и подготовки проб металла для ана­ лиза на содержание в нем углерода и газов [46]. Содержание угле­ рода определяют методом плавления пробы в индукционной печи в струе кислорода и измерения термической проводимости смеси

газов.

Для отбора пробы металла из печи ДСП применяют пневматиче­ ский пистолет, в ствол которого вводят кварцевую трубку диаметром 3 мм. Выступающую часть трубки длиной 5 см погружают в расплав­ ленный металл. После отсоса металла и охлаждения пробы трубку разбивают, а из полученного стержня длиной около 10 мм на специ­ альном устройстве, включающем два наждачных диска, вырезают кусочек строго заданной длины массой 1 г. Погрешность в массе полученного образца превышает 0,5%. Время, затрачиваемое на от­ бор и подготовку пробы для анализа, составляет около 1 мин.

Рассматриваемый комплекс устройства в основном способствует повышению стандартности и качества металла; повышается также на 2—4% и производительность печи.

Применяют химический и спектральный анализ стали. В зави­ симости от назначения, возможности, продолжительности анализа используют различные приборы [47—50].

Фотоэлектрические приборы типа ДФС-10 (квантометры) рассчи­ таны на выполнение анализа 12 различных типов сплавов (12 про­ грамм), в каждом из которых можно одновременно определять 11 элементов. Установка ДФС-10 состоит из дифракционного спектро­ графа, усилительно-регистрирующего устройства ЭПС-125 и гене­ ратора дуги и искры с электронным управлением ГЭУ-1. Процесс анализа автоматизирован с момента включения генератора до полу­ чения результатов измерений.

Вакуумный фотоэлектрический прибор ДФС-31 используют в ос­ новном для определения содержаний углерода, серы, фосфора, а также кремния, марганца, хрома, меди, никеля и других элементов в стали. Основными частями вакуумного квантометра являются спектральный прибор, приемно-регистрирующее устройство и гене­

ратор ГЭУ-1.

Фотоэлектрический одноканальный стилометр типа ФЭС-1 состоит собственно из стилометра, усилительно-регистрирующего устройства ЭПС-154 и генератора ГЭУ-1. Прибор измеряет отношение интен­ сивности спектральной линии анализируемого элемента к интен­ сивности неразложенного света источника. Это отношение является функцией концентрации анализируемого элемента в сплаве.

Спектрографы типа ИСП-22, ИСП-28 наиболее распространены, их применяют для анализа шлаков.

Для анализа водорода, кислорода и азота в металле применяют химические методы, вакуум-плавление.

В последнее время ВНИИАчерметом разработан ряд современных средств автоматического экспрессного определения химического со­ става металла, использование которых в системах контроля техноло-

84

Р и с . 34. Общий вид квантометра РК-5975

гических процессов и управления ими весьма эффективно и пред­ ставляет значительный интерес для предприятий черной металлур­ гии. Особого внимания заслуживают рентгенофлуоресцентный 10-ка­ нальный квантометр типа РК-5975 и экспресс-анализатор на углерод типов АН-29 и АН-160 [51].

Квантометр РК-5975 предназначен для одновременного экспресс­ ного определения содержания девяти элементов в стали. Принцип действия его основан на измерении интенсивности спектральных линий характеристического излучения, возбуждаемого в анализируе­ мом образце при облучении его потоком рентгеновских лучей.

Квантометр (рис. 34) состоит из трех самостоятельных узлов, объединенных функциональной связью: высоковольтного блока 1 стабилизированного питания рентгеновской трубкой (ВИП-50-100); оперативного стола, в котором имеется 10 спектрометрических кана­ лов фиксированной настройки с плоскими кристаллами-анализато­ рами, рентгеновская трубка, устройство загрузки образцов и система вакуумирования 2; электронной стойки 3, содержащей узлы уси­ ления импульсов, пересчета интенсивностей спектральных линий в пропорциональное число импульсов и регистрации результатов анализа на цифропечатающей электрифицированной машине.

Квантометр работает по следующей схеме. На исследуемый обра­ зец направляют поток рентгеновских лучей. Вторичное (характери­ стическое) излучение образца анализируется в десяти спектральных каналах, расположенных в оперативном столе. Каждый канал имеет

85

первичные и вторичные коллиматоры, плоский кристалл — анали­ затор, детектор излучения, предусилитель, амплитудный дискрими­ натор и пересчетное устройство. Процесс анализа заключается в на­ коплении за определенное время задаваемого числа импульсов по девяти каналам, настроенным на аналитические линии выбранных элементов, и переводе этих чисел по градуировочным графикам или таблицам в концентрации. После накопления импульсов одновре­ менно во всех каналах блок коммутации последовательно считывает накопленную информацию и вытает ее на цифропечать.

Длительность анализа на девять элементов не превышает 5 мин. Применение РК-5975 для выполнения только маркировочных анализов небольшой части сталей и сплавов позволило получить экономию 60 тыс. руб/год в результате ускорения анализов и сниже­

ния стоимости реактивов.

Производство высоколегированных сплавов и электротехниче­ ских сталей с малым содержанием углерода с каждым годом воз­ растает. Поэтому возникла необходимость определять содержание углерода с достаточно высокой точностью (до тысячных долей про­ цента) и в более короткое время. Для удовлетворения этих требований во ВНИИАчермете разработаны две модели экспресс-анализаторов стали и сплавов типа АН-29 и АН-160 на углерод. Принцип их дей­ ствия заключается в сжигании навески контролируемой пробы стали в потоке чистого кислорода и последующем определении образовав­ шейся при этом двуокиси углерода методом автоматического кулоно­ метрического титрования по величине pH. Экспресс-анализатор выполнен в виде трех самостоятельных устройств: датчика, измери­ тельного блока и системы газоподготовки [52].

Анализаторы работают по следующей схеме (рис. 35). Навеску анализируемого сплава (0,5 г), помещенную в фарфоровую лодочку, сжигают в трубчатой электропечи 1 в потоке чистого кислорода. При этом содержащийся в сплаве углерод, соединяясь с кислородом, образует углекислый газ, уносимый из печи в электролитическую

ячейку 2 датчика экспрессанализатора непрерывным по­ током кислорода. Углекис­ лый газ поглощается в ячей­ ке щелочным поглотитель­

86

регулятор 7, соединенный с выходом pH-метра, автоматически вклю­ чает источник стабилизированного генераторного тока 8, который протекает через генераторные электроды датчика (катод 9 и анод 10) и через проницаемую для тока перегородку 11. При этом на катоде происходит разряд ионов водорода с образованием атомарногсГводорода, в результате чего pH поглотительного раствора повышается до исходного значения.

В соответствии с законом Фарадея суммарное количество элек­ тричества, затраченного на титрование (возвращение к прежнему значению pH), однозначно определяет количество образовавшегося при сжигании углекислого газа, а следовательно, и количество углерода в пробе анализируемого сплава. Количество электричества определяется автоматическим интегрированием силы тока титрова­ ния специальным интегратором 12, расположенным в измерительном блоке экспресс-анализатора. Результаты анализа индицируются на цифровом табло 13 в процентах углерода. Техническая харак­ теристика экспресс-анализаторов стали и сплавов на углерод при­ ведена в табл. 4.

Т а б л и ц а 4

Техническая характеристика экспресс-анализаторов

Исследования термоэлектрических свойств электростали с раз­ личным содержанием компонентов, проведенные на Череповецком металлургическом заводе, послужили основой для создания и внедре­ ния установки оперативного контроля содержания кремния в ванне дуговой печи [53].

Принцип работы установки основан на зависимости термо-э. д. с., возникающей в твердом образце электростали, помещенном между двумя электродами, нагретыми до различной температуры, от со­ держания в нем кремния.

Термо-э. д. с., возникшая в образце стали вследствие приложения к нему температурного поля с градиентом разности температур, снимается с образца элементами сравнения и регистрируется быстро­ действующим автоматическим потенциометром.

Если стабилизировать температуры электродов, фазовое состоя­ ние образца и его механическую обработку, то регистрируемая термо- э. д. с. будет функцией химического состава образца.

87

88

Так как концентрация таких элементов, как хром, никель, медь и др. не изменяется в процессе рафинирования, если эти элементы не являются легирующими, их влияние на измеряемую термо-э. д. с. определяется постоянной величиной.

В таком случае измеряемую термо-э. д. с. можно определить из выражения

где const — постоянная, учитывающая влияние сопутствующих эле­ ментов и элемента сравнения.

Установлено, что влияние углерода и кремния на измеряемую термо-э. д. с. совпадает по знаку.

Таким образом, зная марку стали, а следовательно, и содержа­ ние углерода с точностью ±0,1%, можно однозначно определить со­ держание кремния по величине термо-э. д. с. измеряемой пробы. Погрешность при определении кремния не превышает ±0,02% .

Быстрота анализа на содержание кремния (3—5 мин, включая отбор и подготовку пробы) дает возможность персоналу электропе­ чей оперативно управлять процессом электроплавки.

Широкое распространение в зарубежной металлургической прак­ тике нашли методы спектрального и рентгенофлюоресцентного ана­ лиза состава металла. Аппаратура рентгено-спектрального анализа (РСА) так же, как и аппаратура оптического спектрального анализа (ОСА), является непременным компонентом оборудования новых аналитических лабораторий металлургических заводов.

Основные сведения о зарубежной аппаратуре рентгеноспектраль­ ного анализа приведены в табл. 5.

Спектральный и рентгенофлюоресцентный методы анализа в ряде случаев не удовлетворяют по точности и, в особенности, по скорости анализа на углерод. Французским отделением американской фирмы «Лаборатори эквилмент корп.» (Леко) разработан анализатор для экспрессного определения содержания углерода в сталях и жаро­ прочных сплавах. Метод анализа основан на разности термических проводимостей кислорода и двуокиси углерода. В углеродистых сталях (менее 1,0% С) содержание углерода определяется с погреш­ ностью, не превышающей ±0,002%. Длительность собственно ана­ лиза на углерод не превышает 50—60 с.

6. Автоматизация подачи в печь кислорода и газо-кислородной смеси

Необходимая скорость окисления углерода обеспечивается соот­ ветствующим расходом кислорода при определенном давлении. Кислород в жидкий металл подают по водоохлаждаемым фурмам (рис. 36) или по футерованным огнеупорными материалами трубкам.

Принципиальная схема механизированного и автоматизирован­ ного сводового устройства для ввода кислорода в ванну дуговой сталеплавильной печи приведена на рис. 37 [54]. Устройство для продувки ванны кислородом монтируют на печи. Кислород к ванне

8Э