Аналитическое оборудование для контроля технологического процесса выплавки и внепечной обработки чугуна и стали

Андрощук Р.С., Епишев М.В.
ООО "Термо Техно Украина"
УДК 543.07

Современный технологический процесс выплавки и внепечной обработки чугуна и стали невозможно себе представить без оперативного контроля химического и фазового состава используемых шихтовых материалов, плавочного контроля и сертифицирования готовой продукции.

Развитие аналитических методов в большой степени связано с текущими задачами и потребностями черной металлургии. Аналитический контроль на металлургическом производстве в настоящее время предусматривает определение до 40 элементов периодической системы Д.И. Менделеева [1] и нескольких сотен фаз, определяющих технологические свойства используемых материалов (руды, концентраты, ферросплавы, огнеупоры, шлаки и т.д.). Существенно возросло не только разнообразие исследуемых в черной металлургии материалов, но и количество исследуемых образцов, результаты анализа которых имеют решающее значение для управления производственным процессом. Интенсификация и ускорение технологических процессов, необходимость быстрого и точного контроля (экспресс-анализ) состава различных материалов в режиме on-line ведут к ужесточению требований к проведению анализа (отбор проб, оперативная доставка их в лабораторию, сокращение времени пробоподготовки и проведения анализа).

Тенденции развития металлургического производства, постоянное повышение требований к качеству выпускаемой продукции определяют основные направления развития аналитического приборостроения для черной металлургии. Компания ООО «Термо Техно Украина», являясь эксклюзивным дистрибьютором всемирно известной корпорации ThermoFisher ARL Products, предлагает комплексные и готовые решения по оснащению лабораторий на всех этапах металлургического передела:

• входной контроль сырьевых материалов;
• контроль материалов аглодоменного производства;
• аналитический контроль сталеплавильного производства и производства внепечной обработки стали.

Современные технологии выплавки и внепечной обработки стали характеризуются высокой степенью интенсивности протекающих процессов, что обусловлено необходимостью сокращения времени выплавки и рафинирования металла, увеличения производительности сталеплавильных агрегатов, сокращения затрат на энергетические и материальные ресурсы. В рамках жестких требований по оперативности аналитического контроля технологических процессов экспрессность и точность проведения анализа являются одними из ключевых факторов, определяющих соблюдение регламентируемого технологического цикла и скорости проведения корректирующих воздействий.

В таких условиях возрастает роль автоматизированных систем аналитического контроля состава металла и шлака, в которых влияние человеческого фактора полностью исключено. Такие автономные лаборатории можно устанавливать непосредственно на участках вблизи производственных мощностей. В отсутствие закрытого помещения на производстве, автоматизированная система компании Thermo Fisher ARL Products устанавливается в транспортируемый, защищенный контейнер с внутренним климат-контролем (рис. 1).

Рис. 1 - Лаборатория ARL QuantoShelter от Thermo Fisher ARL Products

Зарегистрированные пробы вводятся через окно на наружной стенке контейнера и обрабатываются (за менее, чем 2 мин) в полностью автоматическом режиме на каждой стадии их продвижения, включая подготовку поверхности, оценку качества подготовленной поверхности, анализ химического состава, передачу результатов указанным адресатам, сохранение результатов анализа, маркировку и сортировку проб после анализа.

Использование автономных аналитических комплексов имеет следующие преимущества:

• улучшение надежности анализа за счет устранения ошибок, связанных с человеческим фактором и улучшения воспроизводимости и точности получаемых результатов;
• устранение влияния на результаты субъективных факторов, например, навыков работающего оператора;
• увеличение производительности;
• сокращение времени получения результатов, при одновременном увеличении общего количества анализируемых проб и снижения стоимости анализа каждой пробы;
• увеличение пропускной способности оборудования;
• снижение стоимости анализа за счет устранения ручного труда.

Сотрудничество с проектными организациями позволяет нашей компании гармонично вписывать автоматизированные комплексы аналитического контроля в общую схему технологической линии сталеплавильного производства. Лаборатории ARL QuantoShelter с 2004 г. используются на МК Азовсталь, ММК им.Ильича, ДМКД, Арселор Миталл Кривой Рог.

Thermo Fisher ARL Products для усовершенствования своего оборудования всегда использует последние достижения аналитического приборостроения. Самые передовые мировые технологии реализованы в хорошо зарекомендовавшей себя серии оптических эмиссионных спектрометров ARL 4460.

Возможности прибора ARL 4460, впервые представленного в 1994г., непрерывно совершенствовались, улучшалось время и точность анализа. На сегодняшний день на различных предприятиях установлено и успешно эксплуатируется более 700 систем ARL 4460.

В настоящее время пристальное внимание уделяется проблеме снижения пределов обнаружения легких элементов углерода, азота, кислорода методами оптической эмиссионной спектроскопии. Так спектрометр ARL 4460 позволяет с регламентируемой нормативной документацией точностью контролировать содержание кислорода и азота в стали по ходу технологического процесса, что явно видно из таблицы 1, в которой приведены сравнительные данные по анализу азота в стали двумя методами – оптико-эмиссионным (ARL 4460) и вакуум-плавления (LECO ТС500).

Таблица 1 - Сравнительные характеристики анализа азота в стали различными методами

Еще одним уникальным достоинством спектрометра ARL 4460 является экспресс-анализ неметаллических включений в стали реализованный в виде программного комплекса Spark-DAT. Сущность данного метода заключается в следующем. Проводящая металлическая проба прожигается дуговым электрическим разрядом частотой 600 Гц в течение нескольких секунд. Далее программно-аппаратной частью спектрометра происходит накопление и обработка каждого отдельного разряда (рис. 2). Поскольку одиночный разряд воздействует на очень малую площадь поверхности, полученные световые импульсы содержат информацию о химическом составе локального участка образца (несколько микрон).

Благодаря накоплению разрядов происходит значительное возрастание объема получаемой информации и улучшаются аналитические возможности прибора, а также накапливается дополнительная информация о чистоте сплава и наличии включений.

Путем сопоставления данных одиночных разрядов по разным аналитическим каналам (например, по алюминию и кальцию, как на рис. 3) получают информацию о составе неметаллического включения, а анализ интенсивностей получаемых сигналов дает информацию об их размере.

Рис. 2 - Анализ отдельных разрядов для определения соотношения между растворимым и нерастворимым алюминием в стали

Рис. 3 - Сопоставление данных одиночных разрядов по разным аналитическим каналам (Al и Ca) для определения состава неметаллических включений.

В результате обработки более 60 тыс. одиночных разрядов Spark-DAT выдает информацию о составе и количестве неметаллических включений в стали (рис. 4).

Таким образом, экспресс-метод анализа неметаллических включений на основе системы Spark-DAT имеет явные преимущества перед традиционными металлографическими методами анализа, которые предоставляют информацию о неметаллических включениях в стали пост-фактум, исключая возможность оперативной корректировки технологического процесса внепечной обработки еще жидкого металла.

Рис. 4 - Разрядовые диаграммы двух образцов низкоуглеродистой стали и результаты их обработки состемой Spark-DAT.

Выводы

1. Интенсификация процессов выплавки и внепечной обработки стали и постоянное повышение требований к качеству готовой продукции предъявляет жесткие требования к оперативности аналитического контроля на всех стадиях технологического процесса и приводит к необходимости использования полностью автономных и автоматизированных аналитических комплексов – контейнерных лабораторий ARL QuantoShelter.
2. Последние достижения оптико-эмиссионной спектроскопии инструментально оформленные в спектрометре ARL 4460 открывает возможность получения одного универсального инструмента для контроля содержания в стали растворенных газов и неметаллических включений и частичной замене дорогостоящих методов газового анализа и металлографии.

Библиографический список:

1. Григорович К.В. Аналитическая химия в черной металлургии // Рос. хим. ж.- 2002.- т. XLVI.- № 4.- С. 88-92.

© Андрощук Р.С., Епишев М.В., 2011