способ оперативного измерения положения сопла фурмы относительно зеркала расплава при его продувке в ковше

Формула изобретения

Способ оперативного измерения положения сопла фурмы относительно зеркала расплава при его продувке в ковше, включающей предварительную идентификацию зависимости давления газа перед фурмой от положения сопла фурмы относительно зеркала расплава, определение по обратной зависимости положения сопла фурмы по величине давления газа перед фурмой, отличающийся тем, что давление газа перед фурмой измеряют, сглаживают во времени и регистрируют в течение всего периода продувки, на сглаженной временной зависимости определяют минимальное значение давления газа, по которому определяют положение сопла фурмы относительно зеркала расплава.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургическому производству, в частности к способам контроля параметров режима продувки расплавов в ковше газами, например азотом либо аргоном.

Известен способ внепечной обработки стали, при котором продувку металла в ковше нейтральным газом в течении 1 2 мин ведут при положении сопла фурмы на расстоянии днища 0,05 0,1 высоты уровня расплава в ковше, затем фурму перемещают вверх и устанавливают ее сопло в металле на расстоянии от поверхности расплава 0,2 0,3 высоты расплава в ковше и продувку ведут при этом положении фурмы в течение 1 3 мин, после чего фурму перемещают в первоначальное положение и металл продувают в течение 2 5 мин (авт. св. N 1305179, кл. 5 C 21 C 7/064, 1987).

Недостатком способа является то, что к положению сопла фурмы относительно зеркала расплава в ковше (мокрому вылету фурмы H_m) предъявляются жесткие требования. Так, на втором этапе продувки снижение H_m ниже 0,2 уровня расплава в ковше H не позволяет нижним слоям металла в полной мере вовлекаться в зону продувки. Превышение H_m значения 0,3H не позволяет шлаку полностью вовлекаться в контакт с металлом. В то же время за период продувки стали при всем множестве конструкций фурм наблюдается размывание расплавом металла и шлака огнеупорной футеровки фурмы, средств крепления огнеупорных блоков, сопел и т. д. Одновременно наблюдается разрушение футеровки фурмы за счет больших термических ударов при ее вводе-выводе из расплава. Это связано с низким коэффициентом объемного расширения используемых огнеупоров, возникновением значительных внутренних термических напряжений и, как следствие, с растрескиванием футеровки. В результате действия этих факторов участок металлической трубы фурмы обнажается и расплав его размывает. Причем, если размывается средняя часть фурмы, то происходит резкое ее укорочение. Вероятность укорочения фурмы за время продувки одной плавки в зависимости от конструкции фурмы и условий продувки по полученным данным составляет 0,2 0,5. Традиционные же способы замера мокрого вылета фурмы по положению каретки с консолью дают представление лишь о положении сопла идеальной неукороченной фурмы. Если длина фурмы заранее известна, то однозначно такой она будет лишь в начале продувки. Уровень расплава также остается постоянным и меняется в зависимости от геометрии ковша, масс стали и шлака. Способ не позволяет оперативно измерять мокрый вылет фурмы в ходе продувки и поэтому не дает возможность точной установки фурмы в ковше, что снижает эффективность внепечной обработки металла.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ использования устройства для рафинирования расплавов, при котором предварительно идентифицируют зависимость давления перед фурмой от ее мокрого вылета, устанавливают ее с помощью дросселя, с учетом возможного напора в ковше задают постоянное давление инертного газа на выходе стабилизатора, постепенно с низким расходом газа опускают фурму в расплав до требуемого значения мокрого вылета, при этом давление перед фурмой и на выходе редукционного клапана, управляющего основным потоком инертного газа на продувку, постепенно растет в функции мокрого вылета, а сам мокрый вылет оценивают по величине давления, после опускания фурмы величину давления на ее входе запоминают, чем обеспечивают неизменное давление на выходе редукционного клапана, расход инертного газа увеличивают до номинального и не меняют до конца продувки (авт. св. N 1068501, кл. C 21 C 7/072, 1984).

В отличие от традиционного способа замера мокрого вылета по положению каретки, здесь использован способ измерения мокрого вылета по величине давления перед фурмой. Однако после опускания фурмы в расплав предполагается неизменность ее герметических характеристик и вытекающее из этого постоянство мокрого вылета. Фактически же с вероятностью 0,2 0,5 за время продувки наблюдается укорочение фурмы, что ведет к изменению мокрого вылета и режима продувки. К недостаткам способа относится то, что он не позволяет производить оперативное измерение мокрого вылета в течении всего периода продувки, что обуславливает снижение эффективности внепечной обработки металла.

Целью является повышение точности оперативного измерения мокрого вылета фурмы в течении основного периода продувки расплава в ковше при нахождении фурмы в нижнем положении.

Сущность изобретения заключается в том, что способ оперативного измерения мокрого вылета фурмы при продувке расплава в ковше включает предварительную идентификацию зависимости давления перед фурмой от ее мокрого вылета, оценку по обратной зависимости мокрого вылета по величине давления перед фурмой, опускание фурмы в нижнее положение, дополнительную непрерывную регистрацию давления перед фурмой в течение всего периода продувки, его сглаживание, непрерывное нахождение на сглаженной временной зависимости, с момента опускания фурмы в нижнее положение и до начала ее поднятия, абсолютного минимума давления и оперативное вычисление по нему мокрого вылета.

Датчик давления газа перед фурмой устанавливается на газопроводе между фурмой и регулирующим вентилем. Он преобразует избыточное давление P в эквивалентный сигнал на выходе. С учетом потерь давления P_ф на самой фурме и металлостатического P_m избыточное давление

P = P_ф+P_м= P_ф+_pgH_м, Па (1)

где _p плотность расплава, кг/м³;

g 9,81 ускорение свободного падения, м/с²;

H_m мокрый вылет, м.

Учитывая малую толщину слоя шлака в сравнении с общей глубиной погружения фурмы в расплав H_m, можно принять _{p м}, где _м плотность жидкого металла. С учетом этого выражения



Таким образом, измеряя с помощью регистратора по сигналу от датчика давление P перед фурмой, при известных P_ф, P_m и g по формуле (2) можно оперативно оценивать мокрый вылет H_m. Этот подход и использован в способе-прототипе.

Величина потерь давления P_ф на фурме складывается из потерь давления P_r на участке газопровода от датчика до пневмозамка соединительного шланга с фурмой и P_t на участке трубы самой фурмы



где _г,_т коэффициенты сопротивления;

L_г, l_т длины участков;

D_r, D_т диаметры участков;

_иг плотность инертного газа;

V_cpr, V_срт средние скорости движения газа на участках (см. книгу "Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. Изд. 6-е. М. Наука, 1987, с. 122).

Ввиду близости _г и _т, D_r и D_t, примем _{т г}= D_r= D_t D.

Тогда



где K₁ постоянный коэффициент.

Одним из наиболее "узких" мест газопровода является замок, который зачастую имеет свищи газа. В этом случае V_cpr > V_cpt и уравнение (3) можно представить в виде



где K₂ коэффициент, учитывающий наличие свищей в замке.

Как видно из выражения (4), потери давления на фурме не постоянны, а зависят при неизменных длинах l_r и l_t от давления газа в магистрали, полного гидравлического сопротивления газу, определяющих V_cpt, и геометрических параметров отверстий свищей замка, определяющих K₂. Кроме того, величина l_t во время продувки, кривизна соединительного шланга могут изменяться, что также влияет на значение P_ф. Величина P_ф зависит от металлостатического напора, а значит от H_m, поскольку H_m влияет на полное гидравлическое сопротивление сети. В то же время при наличии стабилизатора расхода газа это влияние практически исчезает.

При постоянном давлении газа в магистрали и наличии стабилизатора расхода, основное влияние на P_ф оказывают свищи замка, оперативная оценка которых достаточно сложна. В качестве первого приближения P_ф можно использовать среднестатистические постоянные потери давления, определяемые экстремальным путем по множеству измерений при незаметалленной фурме.

Существенной помехой для использования выражения (2) при измерении H_m является заметалливание фурмы, т. е. намораживание своеобразной металлической диафрагмы на конце трубы с постепенно, по мере продолжения продувки, уменьшающимся отверстием. Независимо от конструкции фурмы процесс заметаливания происходит безостановочно и после 10 20 мин чистого времени (3 5 плавок) фурма может выйти из строя, так как даже при высоких давлениях пропускает очень мало газа (см. книгу Коган А. Е. Внепечные и ковшевые процессы. Новокузнецк. Изд-во Кузбасского политехнического института. 1990, с. 41 42).

Заметалливание фурмы приводит к непредсказуемым изменениям величины давления P перед фурмой, так как резко увеличивается гидравлическое сопротивление на конце фурмы (может измениться от нуля и вплоть до бесконечности). Одновременно на такую же величину увеличивается P_ф. Однако, поскольку оперативный контроль P_ф затруднен и зачастую принимается P_ф const, то ошибка оценки величины H_m по уравнению (2) может оказаться соизмеримой с истинным значением H_м. Этот фактор одерживает использование выражения (2) для оперативного измерения H_м по величине P.

Предлагается непрерывно сглаживать временную зависимость P(t) с момента опускания фурмы в нижнее положение и непрерывно отыскивать на ней абсолютный минимум давления. Первый по времени максимум характеризует значение H_м на тот момент времени. Если в дальнейшем происходит уменьшение P, то данный факт означает укорочение фурмы и P в этот момент отражает истинное значение мокрого вылета H_м. Влияние в это время заметалливания на точность измерения минимально, так как основная часть намороженной диафрагмы при укорочении фурмы отделяется от ее трубы вместе с концом.

Дополнительно введенная в способ непрерывная регистрация величины давления P перед фурмой в течение всего периода продувки позволяет осуществить оперативное изменение мокрого вылета H_м фурмы в любое время продувки, включая период с момента опускания фурмы в нижнее положение и до начала ее поднятия в конце продувки.

Дополнительно введенное непрерывное нахождение абсолютного минимума давления, производимое на сглаженной временной зависимости с момента опускания фурмы в нижнее положение и до начала ее поднятия, позволяет оперативно определять величину P_min(i) сглаженного давления P в момент очередного укорочения фурмы, т. е. при смене величины H_м.

Дополнительно введенное оперативное вычисление мокрого вылета H_м по непрерывно определяемому абсолютному минимуму давления P_min(i) позволяет исключить влияние заметалливания фурмы на результаты измерения H_м. Наблюдающееся увеличение P между соседними абсолютными минимумами P_min(i 1) и P_min(i) является следствием заметалливания и не отражает изменение H_м.

Таким образом, вновь введенные операции в указанной связи с другими операциями дают возможность избежать влияния заметалливания фурмы на результаты измерения H_м, позволяют, сохранив возможность измерения H_м по величине P на начальном этапе продувки при опускании фурмы в расплав, при нахождении фурмы в нижнем положении оценивать H_м по значениям P_min и тем самым в этот основной период продувки повысить точность оперативного измерения мокрого вылета фурмы.

На чертеже показан пример устройства для реализации способа.

Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит датчик давления 1, регистратор давления 2, сглаживатель 3, выключатель 4; блок определения абсолютного минимума (БОМ) 5; преобразователь 6; идентификатор 7; стабилизатор расхода инертного газа 8. На чертеже также обозначены: 9 фурма; 10 ковш; 11 расплав; 12 каретка; 13 консоль; 14 колонна; H_м - мокрый вылет фурмы.

Инертный газ подается на вход стабилизатора расхода 8, с выхода которого через датчик давления (газоотборную трубу) 1 подается в фурму 9.

Фурма 9 укреплена на кронштейне 14, который в свою очередь крепится на каретке 12, жестко связанной с колонной 13, перемещаемой вверх-вниз с помощью электропривода. Датчик давления 1, регистратор давления 2, сглаживатель 3, выключатель 4, БОМ 5 и преобразователь 6 соединены последовательно. Выход регистратора 2 дополнительно соединен с входом идентификатора 7. На второй вход идентификатора поступает информация с ручного ввода о замеренных метрическим способом значениях H_м. С выхода идентификатора 7 информация поступает в преобразователь 6. Оперативно измеряемый H_м формируется на выходе преобразователя 6.

В качестве регистратора 2 используется самопишущий прибор для измерения давления, например, типа МТС-712. Сглаживатель 3 выполнен, например, на базе операционного усилителя типа К140УД7. ВОМ5, преобразователь 6 и идентификатор 7 выполнены, например, на базе операционных усилителей типа К14ОУД20. В качестве выключателя используется, например, тумблер выключатель типа ТВ1-1.

С помощью данного устройства способ реализуется следующим образом.

Предварительно на идентификаторе 7 идентифицируется имеющая место связь между мокрым вылетом H_м и давлением P на входе фурмы. Для этого фурму с конца размечают по высоте (H_м). Подают инертный газ на фурму 9 через стабилизатор 8. В тракте подачи поддерживается стабильный расход газа. С помощью датчика 1 и регистратора 2 фиксируется давление P газа на входе фурмы. Опуская штангу 13 с закрепленными на ней кареткой 12, консолью 14 и фурмой 9, погружают фурму в расплав 11, находящийся в ковше 10. Вначале устанавливают фурму по зеркалу шлака нижней отметкой (H_m1). Фиксируют давление (P₁). Затем опускают фурму на вторую отметку (H_м2) и фиксируют давление (P₂). И так далее по всем отметкам. В качестве отметок рекомендуется брать существующие границы огнеупорных блоков фурмы. Измерения повторяют 3 5 раз и усредняют для снижения ошибки идентификации. По полученным данным в идентификаторе 7 устанавливается зависимость H_м f(P) оценки мокрого вылета по величине давления перед фурмой. После экспериментальной проверки воспроизводимости найденной зависимости, а при необходимости настройки параметров полученной модели, она передается в БОМ 6, где далее и реализуется.

При продувке расплава в рабочем режиме подают инертный газ на фурму 9 через стабилизатор 8. Опускают фурму в расплав, фиксируя с помощью датчика 1 и регистратора 2 давление P газа на выходе фурмы. Глубину погружения фурмы также контролируют по полученной зависимости H_м f(P). После погружения фурмы в нижнее положение включают выключатель 4 и осуществляется оперативное определение абсолютного минимума сглаженного значения давления P. Последнее значение абсолютного, с момента опускания фурмы, минимума поступает в преобразователь 6, где по зависимости H_м f(P) определяется H_м.

При появлении заметалливания фурмы P увеличивается, но H_м фиксируется независимо от степени заметалливания, по величине давления до ее интенсивного образования по последнему абсолютному минимуму P. Падения P, связанные с частичным разрешением заметалливания не учитываются, так как при этом проявившийся минимум давления не является абсолютным и больше зафиксированного последнего. При разматывании и отделении части фурмы, она укорачивается, уменьшая H_м. Это отражается в снижении P ниже предыдущего абсолютного минимума. Блок 5 определяет, что последний минимум является абсолютным с момента опускания фурмы в нижнее рабочее положение, запоминает и непрерывно выдает его значение в блок 6 для определения H_м вплоть до появления нового абсолютного минимума.

Весь процесс реализации способа можно выполнять в автоматизированном режиме на аналоговой или цифровой технике. В последнем случае устройство ввода, представленное на чертеже дополняется аналого-цифровым преобразователем, установленным после блока 2.

Пример.

В Акционерном обществе "Кузнецкий металлургический комбинат" на двух установках продувки стали азотом (УПСА) в 100-тонных ковшах электросталеплавильного цеха 2 используется автоматизированная система управления и контроля. Она выполнена на промышленном контроллере на базе КТС ЛИУС-2 и позволяет реализовать функции блоков 3 7 чертежа. При этом информация о H_м может оперативно представляться оператору УПСА на экране дисплея.

Способ позволяет повысить точность оперативного измерения мокрого вылета фурмы в течение основного периода продувки расплава в ковше при нахождении фурмы в нижнем положении.