АВТОМАТИЧЕСКАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ЭМИССИОННАЯ СПЕКТРОМЕТРИЯ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПОТОКЕ

Автоматизация некоторых видов анализа в технологических процессах металлургии успешно применяется многими фирмами. Ниже приведены некоторые примеры применяемых систем. Для автоматизации процесса сортировки скрапа (по качеству и легированию) перед загрузкой в агрегаты в настоящее время применяют в основном автоматизированные установки. Полностью автоматические системы находятся в настоящее время в стадии разработки.

Лабораторные модули размещают непосредственно вблизи агрегатов для контроля технологического процесса выплавки стали. В настоящее время анализ жидкого металла перед его загрузкой в конвертер может, например, производиться с помощью оптического эмиссионного спектрометра (ОЭС). Такой подход используется в лабораторных модулях, не требующих присутствия оператора, за исключением ежедневного одноразового осмотра при минимальном времени обслуживания [1].

Автоматизи рованная эксп ресслаборато рия.

В этом случае ОЭС размещают в экспресс лабораториях поблизости от контролируемого технологического процесса. В этих же лабораториях может размещаться обслуживаемое оператором оборудование для анализа газов и шлаков. Отобранная проба доставляется в лабораторию, где она попадает в пробоприемник и автоматически подготавливается для оптического анализа. Отдельные пробы шлака могут быть спрессованы и отправлены на газовый анализ на полуавтоматическую установку, работающую по методу сжигания (рис. 1).

Автоматизированная центральная лаборатория. Минимизирует текущие расходы за счет сокращения числа обслуживающего персонала. Поступление проб с различных участков обычно осуществляется пневмопочтой.

Для обработки проб различных типов могут применяться различные уровни автоматизации, что определяется экономическими соображениями. Основные требования, предъявляемые к центральной лаборатории, приведены ниже: Могут быть автоматизированы следующие лабораторные операции: прием поступающих по пневмопочте проб, сортировка для разных способов приготовления и распределение образцов в порядке срочности анализа; отрезка металлических проб, их перемещение, взвешивание, нагрев и опрессовка образцов для газового анализа, контролируемое охлаждение, подготовка поверхности для ОЭС и (или) рентгеновского анализа, аналитические измерения, маркировка и регистрация проб; очистка обдувкой проб шлака, сортировка и доставка к месту анализа методами сжигания или плавления, взвешивание, анализ и регистрация образцов; дробление и шлифовка проб шлака, просеивание и прессование, доставка к рентгеновскому спектрометру, анализ и регистрация образцов.

Полностью автоматизированная центральная лаборатория должна в перспективе содержать все перечисленные выше операции. Однако в конкретных обстоятельствах лишь некоторые операции автоматизированы.

Имеется шесть основных позиций применения аналитической аппаратуры:

Доменная печь. Современные оптические эмиссионные спектрометры обеспечивают требуемый анализ жидкого чугуна и шлака с применением разработанной улучшенной методики отбора проб. Сейчас возможен исчерпывающий анализ по единственной пробе в отличие от традиционных методов, требующих отдельных образцов для рентгеновского флуоресцентного анализа и метода сжигания. Предвижные лаборатории позволяют разместить аналитическое оборудование непосредственно у печи, что сокращает общую продолжительность анализа по сравнению с передачей образцов в центральную лабораторию, например, по пневмопочте. Для процесса десульфурации чугуна перед загрузкой в сталеплавильные агрегаты можно выполнять полный анализ с минимальным запаздыванием.

Скрап. Строгая сортировка загруженного скрапа обеспечивает заданную точность химического состава производимой стали и минимальные корректировки (добавки) в процессе ее выплавки. Это также способствует сокращению продолжительности плавки, увеличивает производительность и кампанию печи.

Выплавка стали. Модульные системы в настоящее время уже признаны обязательной частью технологического контроля процесса t выплавки стали, поскольку позволяют выполнять анализ отобранной пробы за 2—3 мин. Так, модульная лаборатория (Spectrolux) позволяет экономить до 5—7 мин на времени нагрева, что составляет 15 % общей длительности технологии. Кроме этого, обеспечи * вается меньший износ футеровки вследствие снижения продолжительности контакта со шлаком и уменьшения числа продувок для подогрева стали в ожидании результата лабораторного анализа. Эти факторы окупают капитальные затраты на аналитическое оборудование примерно после 1500 плавок.

Внепечная обработка. Экспрессанализ химического состава стали исключительно важен при доведении состава стали при внепечной обработке. При этом необходимое аналитическое оборудование может быть размещено как в лабораторном модуле, так и в автоматизированной поточной лаборатории. Газовый анализ может полностью обеспечить автоматизированная поточная лаборатория, оборудованная ОЭС и газоанализатором. Если газовый анализ не требуется на данной стадии внепечной обработки, то лабораторный модуль или автоматическая поточная лаборатория обеспечат соответствующие измерения на пробах, отобранных из ковша и на стадии дегазации. Когда сталь требуемого качества готова для разливки, требуются независимые аналитические приборы, показания которых вносятся в сертификат изготовителя. На этой стадии образцы направляются в центральную лабораторию для полного анализа, включая анализ содержания азота, кислорода и водорода. Работа, которая выполняется лабораторными модулями при проведении анализа состава жидкого металла и стали в процессе их изготовления, высвобождает центральную лабораторию. Таким образом, вероятность конфликтов при определении приоритетности выбора образцов позволяет лаборатории работать в нормальном режиме с меньшим количеством критических по скорости выполнения анализа образцов. Можно также уменьшить количество автоматических линий в этой лаборатории, поскольку теперь уже не требуется анализировать ковшевые пробы из конвертера и электродуговой печи. Тем не менее, в лаборатории должны сохраняться анализаторы, дублирующие функции лабораторного модуля, на случай его остановки на профилактическое обслуживание.

Разливка. До начала непрерывной разливки производится анализ проб, отбираемых из промежуточного разливочного ковша, который безотлагательно и гарантированно обеспечивается лабораторным модулем. Любое отклонение от спецификации при смене разливаемых сталей фиксируется без задержки и немедленно поступает сигнал о необходимой корректировке технологического процесса. При разливке в слитки необходим непрерывный контроль однородности всех слитков. В этом случае пробы отбирают из струи металла в процессе разливки, причем помимо стандартного количества, определяемого количеством слитков в плавке, также отбирают пробы от первого и последнего слитков. Эти пробы направляют в центральную лабораторию, поскольку экспрессанализ на данной стадии не влияет на качество (производительность) процесса.

ПрокаТка. На современных прокатных станах производится большое количество различных профилей и полуфабрикатов, для которых обязательно подтверждение химического состава. Установка автоматического передвижного спектрометра в технологическом потоке — это наиболее экономичный способ обеспечить 100 %ный контроль качества. Разработки новых оптических эмиссионных анализаторов, выполненных фирмой "Spectro Analytical", продемонстрировали, что достигаемая ими точность при определении содержания углерода не уступает получаемой по методу сжигания. Стало возможным и определение содержания азота. Рис. 3 иллюстрирует расширение возможностей автоматического эмиссионного спектрометра, который один способен обеспечить необходимые измерения на каждом технологическом участке, что соответственно экономит время, количество необходимых приборов и обслуживающего персонала. Определение кислорода в настоящее время производится отдельным газоанализатором, который обслуживает оператор как в центральной лаборатории, так и в поточной. Вместе с этим разработки, проводимые в области развития спектрального аналитического оборудования, вселяют оптимизм, что в будущем также будет возможен спектральный анализ и этого элемента.

Автоматизированные оптические эмиссионные спектрометры увеличивают эффективность металлургического производства и качество металлопродукции. Разработка погружных пробоотборных зондов для определения содержания водорода, несмотря на их высокую стоимость, теперь позволяет осуществлять полный экспрессанализ во время выплавки стали непосредственно в технологическом агрегате. Дальнейшее существенное ускорение аналитического анализа может быть достигнуто только в случае отмены процедуры отбора проб вообще и выполнения анализа непосредственно в жидком металле. В этом направлении начаты исследования для успешного применения в будущем такой измерительной аппаратуры.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м I, Москва 1994