Аннотация

В статье рассматривается практическое применение двух типов измерительных зондов в условиях дуговой сталеплавильной печи (ДСП): зондов окисленности (измеряющих ЭДС и температуру для расчета активности кислорода) и температурных зондов (измеряющих температуру ликвидуса для определения содержания углерода). Основное внимание уделяется физико-химическому обоснованию выбора метода контроля в зависимости от конечного содержания углерода в стали. Показано, что решающим фактором является термодинамическая взаимосвязь между углеродом и кислородом в железоуглеродистом расплаве, определяющая границу применимости методов (≈ 0.15% C).

1. Введение

Современная технология выплавки стали в ДСП подразумевает получение окисленного полупродукта, который впоследствии доводится до заданного химического состава и температуры на агрегатах внепечной обработки (ковш-печь, вакууматор).
Эффективное управление этими процессами требует оперативного экспресс-контроля параметров металлической ванны: температуры, окисленности (активности кислорода) и содержания углерода. На практике для этих целей применяются два основных типа сменных измерительных блоков:

1. Зонды окисленности (в нашем каталоге ЕВРАЗОКСИ EO): измеряют температуру и ЭДС (EMF) электрохимической ячейки, что позволяет рассчитать активность кислорода в металле .
2. Зонды для измерения температуры ликвидуса ( в нашем каталоге ЕВРАЗЛИКТ ELT): измеряют температуру жидкой стали и температуру кристаллизации (ликвидус) пробы металла в полости зонда, что дает возможность определить содержание углерода по температурной задержке.

Выбор между этими двумя типами зондов и интерпретация их показаний напрямую зависят от термодинамических закономерностей взаимодействия углерода и кислорода в стали, особенно в условиях, характерных для ДСП.

2. Термодинамическая связь углерода и кислорода как критерий выбора метода

Ключевым физико-химическим законом, определяющим применимость зондов окисленности, является реакция взаимодействия растворенных в жидком железе углерода и кислорода с образованием монооксида углерода:

[C] + [O] = CO(газ)
Для этой реакции произведение равновесных концентраций углерода и кислорода (при постоянной температуре и парциальном давлении СО) является константой:

[C] × [O] ≈ const
Это означает, что при низком содержании углерода (например, < 0.15%) равновесное с ним содержание кислорода резко возрастает, становясь достаточно высоким для точного измерения потенциалометрическим методом (зондом окисленности). На практике это выражается в том, что зонд, измеряя ЭДС гальванической ячейки, позволяет надежно определить активность кислорода именно в этих условиях.

Напротив, при высоких содержаниях углерода (> 0.15%) равновесная концентрация кислорода очень мала (рисунок 1). В этих условиях электрохимический сигнал от зонда окисленности становится недостаточно информативным, а его точность падает, что делает метод малоэффективным для прямого контроля активности кислорода.

3.1. Зонды окисленности (ЕВРАЗОКСИ)

При содержании углерода ≤ 0.15% количество растворенного кислорода становится достаточным для стабильной работы датчика окисленности, основанного на твердом электролите из диоксида циркония. В этом случае зонд позволяет:

Контролировать степень раскисленности металла: активность кислорода является ключевым параметром для расчета количества раскислителей (например, алюминия) на выпуске из печи.
Судить о завершенности окислительного периода: мониторинг роста активности кислорода позволяет оценить момент достижения заданного углеродистого предела.
Корректировать технологию: данные о текущем состоянии ванны позволяют оптимизировать режим продувки кислородом и избежать переокисления металла.

3.2. Температурные зонды ELT (ЕВРАЗЛИКТ)

При содержании углерода > 0.15%, когда электрохимический метод менее эффективен, предпочтительным становится метод, основанный на измерении температуры ликвидуса. Так как температура ликвидуса стали сильно зависит от содержания углерода (элемента, значительно понижающего точку плавления), зонд ELT позволяет с высокой точностью косвенно определить его содержание. Этот метод применим на этапах плавки, когда содержание углерода еще высокое, например:

В начале окислительного периода.
При выплавке средне- и высокоуглеродистых марок.
Для контроля доли жидкого чугуна в шихте, так как она определяет начальное содержание углерода.

4. Выводы

Применение различных методов экспресс-анализа в условиях дуговой сталеплавильной печи должно быть обосновано с учетом термодинамики процесса.

1. Решающим фактором для выбора между зондом окисленности и зондом ELT является содержание углерода в стали на момент измерения.
2. Зонды окисленности, работающие на принципе измерения ЭДС, наиболее информативны при низких содержаниях углерода (≤ 0.15%), так как в этом диапазоне концентрация растворенного кислорода высока и может быть надежно измерена.
3. Зонды ELT, определяющие углерод по температуре ликвидуса, являются предпочтительными при высоких содержаниях углерода (> 0.15%), когда электрохимический сигнал становится слабым и недостоверным.
4. Надежный экспресс-контроль, основанный на правильном выборе измерительного инструмента, позволяет оптимизировать режим продувки, сократить время плавки и повысить качество металла за счет более точной дозировки раскислителей при выпуске.