Введение к работе
Актуальность работы.
Качество выпускаемой продукции металлургического производства определяется эффективностью системы измерения и контроля параметров процесса, основным из которых является химический состав приготавливаемого расплава. При этом контроль химического состава выпускаемого сплава осуществляется после его пробоотбора из печи и отверждения с последующей передачей в лабораторию, где основным методом определения состава пробы является атомно-эмиссионный спектральный анализ (АЭСА). Такой вид контроля состава приготавливаемого сплава характеризуется значительной инерционностью, что не обеспечивает возможности проведения контроля физико-химических параметров (ФХП) сплава в процессе его приготовления, а,следовательно, и качественного регулирования и поддержания оптимальных параметров работы печи.
Принципиально новым направлением в решении указанной проблемы является разработка способов контроля металлургического процесса по ходу приготовления сплава В отечественной и зарубежной научно-технической литературе имеется информация об использовании физических методов контроля состояния плавки в реальном времени. Среди них наиболее распространёнными являются лазерный и рентгеновский способы контроля состава расплава. Однако из-за технических сложностей эти способы при контроле металлургических процессов широкого распространения не получили. Для непрерывного контроля процесса приготовления сплава в настоящее время иногда применяют дымоанализаторы, принцип работы которых основан на измерении оптической плотности света, пропускаемого через отходящий поток газа. Недостатком их применения является невозможность определения химического состава продуктов расплава, уносимых отходящими газами.
В данной работе эти недостатки решаются путём использования методов
АЭСА состава продуктов уноса компонентов расплава отходящими газами
(ОГ), реализуемых на базе разработки принципиально нового
специализированного источника возбуждения спектра газовых потоков -шестиэлектродного высоковольтного факельного разряда (ВФР). Основные разделы работы выполнены в соответствие с грантами по решению актуальных проблем в области фундаментальных исследований металлургии и машиностроения в период 1989...2000 гг.
Цель работы. Разработка методологии непрерывного определения физико-химических параметров выплавки металла на основе АЭСА его компонентов, уносимых ОГ.
09^»ЩкПЛР[
Поставленная цель реализовывалась путём проведения комплексных исследований по ряду направлений, в ходе которых потребовалось решить следующие задачи:
на базе синтеза газовых смесей заданного состава теоретически и экспериментально обосновать возможность определения состава расплава по содержанию его компонентов в отходящих потоках;
на основе исследований разработать конструкцию ВФР, способного активно захватывать продукты уноса (ПУ) компонентов приготавливаемого сплава отходящими газами и изучить закономерности их проникновения в его внутренние зоны;
для получения спектроаналитических данных о составе ПУ в отходящих газах разработать методы синтезирования газовых потоков заданного состава с устранением эффекта фракционной возгонки элементов различной летучести на базе исследований работы специализированных испарителей стандартных образцов сравнения, применяемых для синтеза газовых потоков заданного состава, содержащих:
- пары графита для контроля ОГ дуговых печей с графитовыми
электродами;
- пары металлов и их окислов, отходящих из индукционных и
нагревательных печей;
- углеводородные компоненты в ОГ пирометаллургии;
- разработать методы спектроаналитических измерений процентного
содержания элементов в ОГ печей различного типа с обеспечением заданньж
точностных характеристик;
- изучить закономерности зависимости величины спектроаналитических
данных от режима работы печи и влияния окружающей атмосферы;
исследовать газодинамику подводимого к плазме потока
контролируемого газа для обеспечения высокоэффективного введения продуктов уноса во внутренние зоны ВФР;
исследовать способ газодинамической стабилизации приэлектродных плазменных струй ВФР для обеспечения длительной непрерывной его эксплуатации;
теоретически и экспериментально изучить и оптимизировать процесс испарения частиц продуктов уноса в потоке плазмы ВФР;
- обеспечить малую инерционность системы газообеспечения с
устранением «эффекта памяти».
Научная новизна работы:
-разработан и теоретически обоснован новый принцип контроля содержания компонентов приготавливаемого расплава в ходе металлургического процесса путём получения атомно-эмиссионного спектра продуктов уноса компонентов расплава при использовании высоковольтного шестиэлектродного факельного разряда;
; г», v* ip, j
-установлена связь спектроаналитической информации о составе ОГ с ФХП плавки, позволяющая определять скорость уноса компонентов расплава;
-предложен метод определения температуры расплава, приготавливаемого в электродуговых печах с графитовыми электродами, основанный на измерении интенсивности спектральной линии натрия, входящего в состав продуктов сублимации графита;
-установлено, что химический состав продуктов уноса компонентов расплава является информативно ёмким объектом, позволяющим оптимизировать состав расплава и изучать химическую кинетику и термодинамику металлургических процессов.
Практическая значимость работы:
-методология позволяет повысить качество выпускаемой продукции путем корректирования дошихтовкой недостающих компонентов по ходу металлургического процесса, повысить производительность печей, снизить расход легирующих элементов и объём брака на различных печах в среднем вдвое;
-разработанный и запатентованный автором стабильный высоковольтный источник возбуждения спектра компонентов сплава, содержащихся в отходящих газах, при длительной его эксплуатации в непрерывном режиме обеспечивает возможность контроля физико-химических параметров по ходу процесса приготовления сплава;
-разработан метод управления работой плавильного агрегата, основанный на введении спектроаналитического сигнала в систему автоматизированного дозирования компонент шихтового материала;
разработанные методики контроля химического состава расплава, основанные на измерении содержания его компонентов в отходящем газе, позволяют оптимизировать параметры работы различных плавильных агрегатов - электродуговых, газопламенных, индукционных, нагревательных и печей выдержки;
разработаны и исследованы способы и устройства для проведения арбитражного контроля химического состава продуктов уноса.
Реализация работы. Основные разработки диссертационной работы апробированы и внедрены на Новосибирском авиационном заводе (п/я Г-4744) и в ОАО «КамАЗ-Металлургия», г. Набережные Челны. Результаты диссертации могут быть использованы в научно-исследовательской деятельности институтов, занимающихся проблемами совершенствования металлургических процессов. Отдельные результаты работы могут быть использованы для учебных целей при чтении курсов «Физические методы контроля», «Металлургия», «Управление и контроль качества» и «Автоматизация металлургических процессов».
Достоверность результатов. Экспериментальные исследования проведены на основе теории инженерного эксперимента с проверкой адекватности теоретических моделей по статистическим критериям Стьюдента и Фишера. Эффективность оптимизации технологических процессов приготовления сплава, достигнутая применением спектроаналитической информации о содержании его компонентов в отходящих газах, подтверждена практическим использованием результатов исследований на конкретных плавильных агрегатах. Правильность определения состава расплава в реальном времени измерений подтверждена методами анализа отвержденньж образцов после завершения процесса приготовления сплава, а также практической деятельностью предприятия, использующего разработанную систему.
Личный вклад автора состоит в формировании научного направления, постановке общих и решении конкретных задач на всех этапах теоретических и экспериментальньж исследований, систематизации, обобщении и анализе полученных результатов. Работа имеет комплексный характер: от разработки теоретических основ определения содержания компонентов расплава, уносимых отходящим потоком газа, до конструирования всех устройств, обеспечивающих требуемые точностные характеристики измерений; подготовки методик анализа, их унификации и метрологического обеспечения с последующим внедрением в практику атомно-эмиссионной спектроаналитики. При выполнении работы участвовали аспиранты, программисты и научные сотрудники, работавшие под руководством автора диссертации.
Апробация работы. Основные результаты работы защищены 17 авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ, с опубликованием 14 статей в журналах, сборниках научных трудов и 75 тезисов докладов на различных конференциях и съездах. Результаты работы частично освещены в трёх научно-технических отчётах по фундаментальным исследованиям и разработкам спектроаналитики продуктов, уносимых отходящим потоком газа.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном симпозиуме по применению плазматрона в спектроскопии (г.Фрунзе, 1970г.), 17-м Всесоюзном съезде по спектроскопии (г.Минск, 1971г.), 3-й Болгарской конференции по спектроскопии (г.Варна, 1971г.), 8-й Сибирской конференции по спектроскопии (г. Иркутск, 1972г.), 2-й Всесоюзной конференции по спектроскопии (г. Иркутск, 1981г) 10-й Уральской конференции по спектроскопии (г. Магнитогорск, 1982г.), 19-ом Всесоюзном съезде по спектроскопии (г. Москва, 1983г.), Всесоюзной НТК ВНИИПВтор Цвет.Мет.(г. Донецк, 1991г.), Международной научно-практической конференции (г. Пенза, 1994г.), Международной НТК «Механика машиностроения» (г. Набережные Челны, 1995, 1997гг.),
Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды» (г. Томск, 1995г.), 21-ом съезде по спектроскопии (г. Звенигород, Моск. область, 1995г), 22-ом съезде по спектроскопии (г. Звенигород, Моек обл., октябрь, 2001г.), 3-м Международном симпозиуме «Проблемы выживания и экологические механизмы хозяйствования» (г. Набережные Челны, февраль, 2002г.), заседании кафедры «Машины и технология литейного производства» МГТУ МАМИ (г. Москва, 04 марта, 2003 г.), семинаре-совещании заведующих кафедрами по специальности 12.03.00 на кафедре МТ-5 МГТУ им. Баумана (г. Москва, 05 марта, 2003г.), международной научно-технической выставке-конференции «Машиностроительная отрасль - будущее России» (г. Москва, КВЦ Сокольники, 17-19 сентября, 2003г.) и других конференциях и съездах.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка из 223 наименований и приложения. Ее содержание изложено на 289 страницах машинописного текста и включает 41 таблиц и 144 графиков и рисунков.
