СПОСОБ КОНТРОЛЯ КОЛИЧЕСТВА ТВЕРДОГО УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕГО ВОССТАНОВИТЕЛЯ В ШЛАКОВОЙ ВАННЕ ПРОЦЕССА ЖИДКОФАЗНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК C21B13/00 

Изобретение относится к области черной и цветной металлургии преимущественно к тем пирометаллругическим процессам, где формируется жидкая шлаковая, либо штейновая фазы. Может быть применено к некоторым технологиям химической промышленности, где применяются электролизные способы получения металлов и газов.

В настоящее время в металлургических переделах, например доменном и конвертерном, используются в основном химические способы контроля концентрации восстановителя (углерода) в пробах металла, отобранных из агрегатов, либо на стадии выпуска металла, либо периодически 1 - 3 раза на стадии продувки. Количество углерода определяется главным образом окислением навески в токе кислорода с последующим анализом газовой фазы.

Известен способ определения концентрации углерода в низко-, средне-, и высокоуглеродистых сталях по ходу плавки в конвертерах (системы ФТИАН-3), основанный на масс- спектрометрическом анализе отходящих газов (П.П.Арсентьев, В. В. Яковлев, М.Г.Крашенинников и др. Физико-химические методы исследования металлургических процессов.- М.: Металлругия, 1988, с. 492 - 494).

Известные способы характеризуются длительностью выполнения, что в ряде случаев не позволяет оперативно корректировать технологические стадии плавки. Кроме того, они не дают возможности получить однозначного ответа на вопрос, сколько углерода в данный момент времени содержится, например, в шлаковой ванне, довольно сложны по техническому воплощению и эксплуатации.

Известен также способ контроля шлакового режима конвертерной плавки (Авт. свид. СССР, N 398618, кл. C 21 C 5/30, 1974), заключающийся в определении ЭДС в цепи фурма - ванна - "земля" - фурма. При этом генератором является реакционная зона конвертера, в который имеются направленные потоки ионов газа и жидкости, а также образуется термоЭДС. Причем для увеличения точности контроля определяют переменную составляющую ЭДС, которая может быть измерена путем наведения ЭДС во вторичной обмотке трансформатора, для которого первичной обмоткой является цепь фурма - ванна - "земля" - фурма.

В связи с тем, что известные способы по своему назначению не относятся к способу, описанному в предлагаемом изобретении, заявитель не считает возможным выбрать какой-либо из них за прототип.

Однако существующий способ контроля не позволяет определять и контролировать содержанием твердого восстановителя (например, угля) в шлаковой ванне.

Кроме того, использование в качестве электрода-токосъемника кислородной фурмы конвертера, хотя и является удачным инженерным решением, использующим элемент конструкции пирометаллургического агрегата, все же наталкивается на существенные трудности, связанные с невозможностью надежной изоляции фурмы от "земли", и как следствие этого, сопротивление контура фурма - ванна - "земля" - время, контроль возможно осуществлять только лишь в периоды непосредственной продувки кислородом ванны конвертера, что существенно ограничивает возможность организации контроля на протяжении всего периода плавки И, наконец, генерирование переменной ЭДС предполагает размещение на кислородной фурме электрического генератора переменной частоты, который находится в зоне воздействия высокой температуры и агрессивной газовой среды.

Целью настоящего изобретения является определение и контроль количества твердого восстановителя (угля) в жидкой шлаковой ванне пирометаллургического агрегата по ходу процесса плавки.

Поставленная цель достигается тем, что концентрацию твердого восстановителя определяют по изменению электрической разности потенциалов между электродом токосъемником, погруженном в жидкую шлаковую ванну и "землей", причем увеличение концентрации восстановителя приводит к увеличению значения разности потенциалов на 10 - 15 мВ на каждые 100 - 150 в шлаковой ванне, операцию погружения в шлаковый расплав электрода-токосъемника проводят электрически изолируя его от "земли". Другое отличие состоит в том, что измеряют и анализируют электрическую разность потенциалов между электродом-токосъемником и "землей" с одновременным измерением электрического сопротивления между электродом-токосъемником и "землей".

Сущность заявляемого способа основана на использовании физического явления, которое заключается в том, что в результате протекания окислительно-восстановительных реакций в пирометаллургическом агрегате часть химической энергии преобразуется в электрическую энергию. Поэтому пирометаллургический агрегат является устройством, где возникают электродвижущие силы, создающие и поддерживающие электрический потенциал.

При попадании частиц твердого восстановителя (угля) в железистый шлаковый расплав происходит интенсивное взаимодействие его с оксидами железа и дутьем. Суммарные химические реакции, описывающие данное взаимодействие в идущие в объеме шлаковой ванны, протекают по схемам:
2C + O₂ _→ 2CO (1) E₁ = 613 мB;
C + O₂ _→ CO (2) E₂ = 1030 мB;
FeO + Fe₂O₃ + 4C _→ 3Fe + 4CO (3) E₃ = -1496 мB;
6FeO + O₂ _→ 2Fe₃O₄ (4) E₄ = -395 мB.
Каждая из приведенных химических реакций вырабатывает либо положительную, либо отрицательную ЭДС. Первая описывает окисление восстановителя кислородом форм нижнего ряда, вторая кислородом фурм верхнего ряда, третья восстановление железосодержащей части шихты и, наконец, четвертая окисление закиси железа избыточным кислородом.

Поскольку твердые частицы восстановителя в оксидном расплаве образуют развитую поверхность контакта с жидкостью, то химические реакции при этом идут по границам раздела данных фаз. Электрические заряды (электроны), возникающие в результате акта взаимодействия между реагентами, создают электрическое поле, распространяющееся по объему хорошо проводящего ионного оксидного расплава коим является шлаковая ванна агрегата, и тем самым генерируют электродвижущие силы, которые поддерживают определенную разность потенциалов между шлаковой ванной и "землей", величина которой связана непосредственно с концентрацией твердого восстановителя. Как установлено авторами, суммарная разность потенциалов ΔU, поддерживаемая ЭДС химических реакций, представляет собой алгебраическую сумму локальных разностей потенциалов, создаваемых каждой из реакций, и описывается соотношением:
ΔU = [R/F(R+r)]^*{Q₁X₁/Z₁+Q₂X₂/Z₂+Q₃X₃/Z₃+Q₄X₄/Z₄},
где R - внешнее сопротивление источника ЭДС (например, футеровка агрегата);
r - внутреннее сопротивление источника ЭДС, обусловленное собственным сопротивлением шлаковой ванны, электрода-токосъемника и соединительных проводов;
Q₁...Q₄ - тепловые эффекты реакций;
Z₁...Z₄ - числа электронов, переносимых в элементарном акте реакций;
F - число Фарадея;
X₁. ..X₄ - концентрация твердого восстановителя в шлаковой ванне и окисленного железа шихты.

Таким образом, увеличение концентрации твердого восстановителя приводит к тому, что начинает развиваться реакция 2, приводящая в конечном итоге к увеличению положительной разности потенциалов. Экспериментально установлено, что увеличение содержания твердого восстановителя в шлаковой ванне на 100 - 150 кг вызывает увеличение положительной разности потенциалов на 10 - 15 мВ, и напротив, понижение концентрации твердого восстановителя способствует развитию реакции 4 и понижению абсолютного значения разности потенциалов.

Необходимость погружения электрода-токосъемника под слой жидкого шлака и надежной изоляции его от "земли" обусловлена следующими причинами. Слой шлака защищает электрод-токосъемник от разрушающего воздействия на материал электрода высокотемпературной газовой атмосферы и улучшает контакт электрода с расплавом. С другой стороны, если не будет обеспечена надежная изоляция электрода-токосъемника от "земли", то сопротивление цепи электрод-токосъемник - шлаковая ванна - "земля" становится незначительным. Фактически шлаковая ванна замыкается накоротко с "землей" через электрод и следовательно, ее потенциал относительно "земли" невелик.

И наконец, принципиальное отличие операции измерения от известной, используемой в прототипе, состоит в том, что в предлагаемом способе измеряют разность потенциалов одновременно с измерением внешнего электрического сопротивления R и внутреннего электрического сопротивления r между электродом-токосъемником и "землей". Наглядно это можно пояснить исходя из закона Ома для цепи с источником ЭДС. В соответствии с ним:
ΔU = R^*E_r/(R+r)
где ΔU - разность потенциалом;
R - внешнее сопротивление;
E_r - величина ЭДС;
r - внутреннее сопротивление источника ЭДС.

Видно, что измеряемая разность потенциалов всегда меньше вырабатываемой химическими реакциями в агрегате ЭДС на величину падения напряжения внутри самого источника ЭДС. Поэтому проводя совместно измерения разности потенциалов и электрического сопротивления цепи шлаковая ванна - электрод-токосъемник - "земля" - шлаковая ванна повышается и точность измерений.

В результате многочисленных экспериментов авторами установлено, что падение напряжения внутри пирометаллургического агрегата составляет приблизительно 10% от величины измеряемой разности потенциалов, а следовательно, измеряемый сигнал точно отражает процессы, связанные с протеканием химических реакций и изменением концентрации углеродсодержащего восстановителя.

На чертеже изображена зависимость измеряемой разности потенциалов от концентрации твердого восстановителя в шлаковой ванне, полученная в результате использования данного способа.

Пример. На пирометаллургическом агрегате жидкофазного восстановления ведут восстановительную плавку железосодержащего сырья. В качестве топлива и восстановителя используют угли Кузнецкого месторождения ОС. Контроль количества восстановителя в жидкой шлаковой ванне осуществляют по изменению электрической разности потенциалов, возникающей между электродом-токосъемником, погруженным в слой жидкого шлака, электрически изолированным от "земли" и собственно "землей". В шлаковую ванну непрерывно осуществляют подачу шихты (шлам кислородно-конвертерного производства, содержащий 45 - 55% железа интенсивностью 10 - 30 т в час и восстановитель с интенсивностью 10 - 25 т в час. Во время проведения плавки, в силу технологических особенностей процесса меняется интенсивность загрузок, количество кислородсодержащего дутья на верхний и нижний ряды фурм. При этом в шлаковой ванне изменялось содержание твердого восстановителя от 200 до 2000 кг. Это изменение определяли и контролировали по величине разности потенциалов, которая варьировалось от - 20 до 170 мВ в зависимости от концентрации восстановителя в расплаве. Причем данное изменение разности потенциалов корректировали по измеренным значениям суммы внутреннего и внешнего электрического сопротивлений R + r. Эта сумма в излучаемом интервале времени изменялась от 7 до 9 Ом. Внутреннее сопротивление r легко вычисляется, зная геометрические размеры агрегата и удельную проводимость данного шлакового расплава: r = 1/χ^*1/S = (1/5)^*(8/2,5) = 0,64 Oм. И, наконец, ΔU = R^*(E_r/R+r) = 7,36^*(100/7,36+0,64) = 92mV.
Использование предлагаемого способа контроля количества твердого углеродсодержащего восстановителя в шлаковой ванне процесса жидкофазного восстановления РОМЕЛТ обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
- экспрессность и непрерывность получения информации во время работы пирометаллургического агрегата;
- простоту технического исполнения и ясность физических принципов, на которых базируется данный способ;
- увеличение точности измерения разности потенциалов с учетом внешнего и внутреннего электрических сопротивлений агрегата в среднем на 8 - 10%.

Изобретение относится к металлургии, а именно к тем технологиям, где формируются жидкие шлаковые и штейновые фазы. Технический результат - возможность оценки количества твердого углеродсодержащего восстановителя в шлаке. Заявляемый способ позволяет определять и контролировать содержание твердого восстановителя в шлаковой ванне, кроме того, имеет ряд преимуществ по сравнению с известными способами, которые выражаются в простоте исполнения, быстроте и непрерывности действия и повышенной точности. Данные преимущества реализованы благодаря проведению ряда мероприятий, состоящех в следующем. Содержание твердого восстановителя в шлаковой ванне контролируют по изменению электрической разности потенциалов между электродом-токосъемником, электрически изолированным от "земли", погруженным под слой жидкого шлака и собственно "землей". Увеличение количества твердого восстановителя в шлаковой ванне приводит к возрастанию уровня электрического сигнала. Кроме того, электрическую разность потенциалов измеряют одновременно с измерением сопротивления в цепи электрод - токосъемник - шлаковая ванна - "земля" - электрод-токосъемник, что в конечном счете приводит к увеличению точности измеряемого сигнала. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ контроля количества твердого углеродсодержащего восстановителя в шлаковой ванне процесса жидкофазного восстановления, отличающийся тем, что погружают электрод-токосъемник, электрически изолированный от "земли", под слой шлака и измеряют разность потенциалов между электродом-токосъемником и "землей", по величине которой определяют количество твердого восстановителя, причем увеличение количества твердого восстановителя в шлаковой ванне на 100 - 150 кг соответствует увеличению разности потенциалов на 10 - 15 мВ. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разность потенциалов измеряют одновременно с измерением электрического сопротивления контура "электрод-токосъемник - шлаковая ванна - "земля" - электрод-токосъемник".