SE444818B - Forfarande for styrning av en stalframstellningsprocess - Google Patents

Description

3 7809501 -5 ställda värdena av parametrarna så att det önskade stålet kan framställas. Bl.a. är detektering av kolhalten i den stål- smälta som behandlas särskilt betydelsefullt eftersom huvud- ändamålet med processen är att avkola stâlsmältan. Det är emellertid icke lätt att noggrannt och ögonblickligen detek- tera förändringen av kolhalten i stâlsmältan i varje ögonblick vid behandling av stål under vakuum i ett slutet kärl.

För bestämning av kolhalten i stålsmältan och reglering av slutpunkten av kolhalten har tidigare olika metoder före- slagits, däribland exempelvis en experimentmetod baserad på statiska analyser, ett förfarande varvid en grad eller hastig- het (rate) av avkolning av stålsmältan indirekt förutsäges av en förändring av det övervakade undertrycket hos avgasen, samt ett förfarande varvid partialtrycket av syre i avgasen övervakas med hjälp av en koncentrationscell samt kolhalten i stålsmältan bestämmes från en inflektionspunkt i förändringen av det övervakade partialtrycket av syre. Sådana tidigare kända förfaranden är emellertid otillfredsställande p.g.a. dålig precision, och det har varit svårt att med gott resultat reglera olika typer av stål innehållande olika mängder av Cr, Ni och Mn till slutkolhalter av olika storlek som önskas hos de ifrågavarande speciella produkterna.

Ett försök att lösa problemet är att noggrannt och ögonblick- ligen mäta mängden kol som överförts till avgasen, dvs. mängden CO och C02 i den evakuerade avgasen. Försök har gjorts att mäta mängden avgas som bringas att strömma genom en ledning som står i förbindelse med vakuumkärlet och evakue- ringsorgan,liksom mängden av CO, C02 och 02 i avgasen.

Infrarödgasanalysatorer för analys av CO och C02 samt magne- tiska gasanalysatorer för analys av 02 har tidigare använts.

Dessa element har emellertid begränsat precision och gensvars- hastighet varför det är svårt att erhålla en noggrann känne-- dom om kolhalten i stâlsmältan varje ögonblick från informa- tion som erhålles med sâdana instrument. Dessa instrument har vidare i sig konstruerats för analys av gaser under 7809501-5 atmosfärstryck varför vid analys av en gas under ett reduce- rat tryck en vänteperiod erfordras innan en tillräcklig mängd av gasen uppsamlats för analys vilket gör gensvarshastigheten och precisionen hos instrumenten sämre. För att undvika sådan vänteperiod har man föreslagit att den evakuerade avgasen skall uppsamlas för analysändamål vid utmatningssidan av evakueringsorganen. Tillfredsställande resultat har emel- lertid icke erhållits med sådana försök. Detta beror på att mätningarna innefattar fel motsvarande den andel av C02 som upplöses i vatten som kondenseras med kondensorer 6a till 6d och avlägsnas från systemet. Vidare medför det faktum att olika gasanalysatorer erfordras för detektering av olika gas- komponenter i ett prov av avgasen svårigheter med hanterings- fel och tidseftersläpning hos de olika analysatorerna.

I den japanska patentpublikationen 50(l975)-99592, som publi- cerats den 7 augusti l975, beskrives ett förfarande för be- stämning av den mängd gas som bildas i en gasbildningskamare, exempelvis den mängd vattenånga som bildas genom torkningsan- ordning. Det föreslagna förfarandet innefattar såsom steg tillföring av en blindgas (dummy gas) till gasbildníngskamma- ren, övervakning av mängden av blindgas som tillföres till gasbildningskammaren samt partialtrycket hos blindgasen och den gas som bildas och förefinnes i en avgas, samt bestämning av mängden gas som bildas av de uppmätta värdena. I denna publikation anges vidare att partialtrycken av gaserna lämpli- gen kan mätas med en masspektrometer samt anges att den före- slagna metoden kan vara tillämpbar på bestämning av gaser som bildas i en ståltillverkningsugn. I denna publikation anges emllertid icke någonting beträffande de svårigheter som i sig är förenade med masspektrometrisk analys av en gas inne- fattande CO, CO och N Toppvärdena (parent peaks) för CO 2 2' och N2 i ett masspektrum är sålunda oseparerbara eftersom CO och H2 har samma masstal 28. Vidare uppträder en fragment- topp för C02 vid masstalet 28 och stör grundtoppen (parent peak) för CO, som även uppträder vid sama masstal. Vidare finnes ytterligare svårigheter vid masspektrometri av avgas 7809501 -5 som evakueras tvångsvis vid en avkolningsprocess för smält stål under reducerat tryck beroende på det faktum att å ena sidan känsligheten hos en masspektrometer för en gas varierar beroende på gasets tryck, samt å andra sidan på att trycket av den evakuerade avgaser varierar i höggrad under förloppet av en vakuumavkolningsprocess för smält stål. I denna patent- publikation anges icke heller någonting beträffande dessa svårigheter.

Såsom definieras i patentkraven avser föreliggande uppfinning ett förbättrat förfarande för dynamisk reglering av en stål- framställningsprocess innefattande avkolning av smält stål i sluten zon under reducerat tryck och tvângsevakuering av av- gas innefattande CO, C02 och N2 från den slutna zonen. Ett förfarande enligt uppfinningen innefattar såsom steg bered- ning av en intim gasblandning av avgasen och en uppmätt mängd av en referensgas som är inert gentemot avgasen, masspektro- metrisk övervakning av prov av den intima blandningen beträf- fande jonisationsströmmar för valda toppvärden till vilka CO, C02, H2 och en referensgas i provet hänför sig, bestämning av graden (rate) eller mängden av avkolning av stålsmältan under övervakningstiden från de uppmätta värdena av mängden av referensgas i blandningen och de uppmätta värdena av jonisa- tionsströmmarna för de valda toppvärdena, och reglering av ståltillverkningsprocessen i enhet med det bestämda värdet av graden eller mängden av avkolning av stålsmältan.

Uppfinningen beskrives i det följande närmare under hänvisning till bifogade ritning.

Figurïl visar ett arrangemang med instrument som kan användas enligt en utföringsform av förfarandet enligt uppfinningen för reglering av en stâltillverkningsprocess som genomföres via VOD-ugn under reducerat tryck.

Figur 2 är ett diagram som visar det förhållandet, att A qA, förändringen av mängden av en referensgas som införes till 7809501-5 systemet enligt uppfinningen, är proportionell mot ¿1XA, för- ändringen av jonisationsströmmen för föräldern (parent) till referensgasen, och; Figur 3 visar skissartat en tänkbar utformning av ett viss masspektrum som erhållits enligt en tredje utföringsforxn av förfa- randet enligt uppfinningen.

'Enligt figur l hålles en stâlsmälta l, som skall behandlas, exempelvis en stâlsmälta innehållande krom med en ursprunglig kolhalt av 0,2 - 0,5 viktprocent, i en skänk 2 som är anordnad i ett slutet kärl 3. Kärlet 3 har ett lufttätt lock 4 och står i förbindelse med evakueringsorgan innefattande ång- ejektorer Sa - Si och kondensorer 6a - 6d via en ledning 7.

Locket 4 är försett med en vertikalt förskjutbar lans 9 och trattar l0a och l0b för tillföring av legeringselement och flussmedel. Skänken 2 är vid bottnen försedd med en porös plugg ll.

Vid drift av den på detta sätt utformade VOD-ugnen beskickas skänken med en stålsmälta som partiellt avkolats i en konver- ter eller elektrougn. fieducerat tryck åstadkommes i det slutna kärlet 3 genom drift av ångejektorer Sa - Si och kondensorer 6a - 6d. Under upprätthållande av reducerat tryck i kärlet 3 blåses syre genom lansen 9 mot stâlsmältan 1 i skänken 2. Mängden syre som blåses regleras med hjälp av tryck- och flödesregleringsorgan 12. Under blåsningen av syret omröres stâlsmältan genom blâsning av argon genom smältan genom den porösa pluggen ll som är anordnad i bottnen av skänken 2. Mängden argon som blåses regleras med hjälp av tryck- och flödesregleringsorgan l3.

Under blåsningsprocessen reagerar kol i stâlsmältan med blåst syre till bildning av CO och C02 som tvångsevakueras genom ledningen 7. Avgasen som bringas att strömma genom ledningen 7 innehåller sålunda förutom CO och C02 argon som blâses genom den porösa pluggen ll, icke reagerat syre som 7so9so1-s d blâses genom lansen 9, luft som kvarstannat i kärlet 3 och luft som inläckt genom eventuella spalter mellan kärlet 3 och locket 4, samt mellan locket 4 och lansen 9 eller trattarna l0a och l0b liksom genom den del av ledningen 7 där en elekt- riskt driven tillslutningsventil 14 är anordnad. Icke desto mindre kommer när evakueringsorganen hålles i drift hela mängden CO och C02 som bildas vid avkolningsprocessen att evakueras och bringas att strömma genom ledningen 7.

Mängderna av CO och C02 som strömmar genom ledningen 7 mot- svarar sålunda mängden avkolning av stålsmältan 1.

Enligt föreliggande uppfinning användes en masspektrometer för bestämning av mängderna av CO och C02 som strömmar genom ledningen 7. Ett prov av gasen som strömmar genom ledningen 7 införes i ett provinföringssystem (icke visat) till mass- spektrometer 15 från ett gasinledningsrör 16 genom ett filter 17 med hjälp av en sugpump 18. För lyckad mätning med mass- spektrometern 15 är ledningen 7 försedd med ett referensgas- inloppsrör 19 på ett ställe som är beläget åtminstone en förutbestämd sträcka uppströms i förhållande till gasinlopps- rör 16 så att en referensgas 20 kan införas genom röret 19 till avgassystemet under noggrann uppmätning med en flödes- mätare 21. Ett prov underkastas masspektrometrisk analys beträffande jonisationsströmmarna för toppvärdena vid valda masstal. Baserat på de uppmätta värdena beträffande mängden referensgas som införes i systemet och de uppmätta värdena avjonisationsströmmarna för de valda topparna kan mängden eller hastigheten (graden) av avkolningen vid detta tillfälle bestämmas. Utförandet av denna bestämning beskríves i det följande under hänvisning till två typiska och föredragna utföringsformer av uppfinningen.

Enligt en första utföringsform av förfarandet enligt uppfin- ningen underkastas en förutbestämd mängd av ett prov av den intima blandningen av avgas och referensgas masspektromet- risk övervakning beträffande jonisationsströmmarna för värden som uppträder vid masstalen 12, 14, 28 och 44, samt beträf- 7809501-5 fande jonisationsströmmen för grundtoppen (parent peak) för referensgasen. Partialtrycken av CO och CO2 i provet beräknas av de uppmätta värdena av jonisationsströmmarna för topparna vid masstalen 12, 14, 28 och 44. Mängden av CO och C02 i provet beräknas av de beräknade värdena för partialtrycken av CO och CO2, de uppmätta värdena av mängden referensgas som införes i blandningen eller värdet av dennas förändring med tiden, samt det uppmätta värdet av jonisationsströmmen för grundtoppen för referensgasen eller värdet av dennas för- ändring med tiden, och hastigheten eller mängden av avkolning av stålsmältan vid övervakningstiden bestämmes av de beräkna- de värdena av mängden av CO och C02 i provet.

Beträffande avgassystemet ifråga kan följande ekvationer (1), (2), (3) och (4) uppställas: ... (1)' (2) P X12 = Sco°”co-12'Pco + Sco2'”co2-42' co2 X . = S A-I ,-P + Sw - za- ,,Pw 14 CO CO-14 CO na L2-4# na "za Sr2'Pn2 + Sco'Pco + öco2'”co2-2a'Pc02°° (5) -P ... (4) = S co2 C02 I dessa ekvationer representerar Xlz, XI4, X28 och X44 joni- sationsströmmarna (amper) vid masstalen (nVe) 12, 14, 28 resp. 44.

SCO, SN2 och SCG2 representerar känslighetsvärden (i amper/ torr) hos masspektrometern för CO, N2 resp. C02. 7ï CO_l4 och 7fN2_l4 är mönsterkoefficienter, till ett mass- tal (m/e) av 14 för CO resp. N2. íï C0_l2 och 7fcO2_l2 är mönsterkoefficienter, till ett mass- tal (m/e) av 12, för CO resp. C02. 7É(X)_28 är en mönsterkoefficient för C02 för ett masstal (m/6 zav 28, och 7809501-5 PCO, PN2 och Pcoz representerar partialtrycket, i avgasen, för CO, N2 resp. C02.

Värden av jonisationsströmmarna Xlz, XI4, X28 och X44 uppmät- tas med masspektrometern 15. Känslighetsvärdena SCO, SN2 och S liksom mönsterkoefficienterna 7CCO_l2,ÜZ¿o_l4,¶1CO2_l2, C02 -¶CCO2_28 och7íN2_l4 är värden som är inherenta för masspektro- metern 15 under speciella mätningsbetingelser och är därför redan kända eller kan bestämmas genom fullberedande försök.

Det skall sålunda observeras att det finns 4 ekvationer (1) till (4) för 3 variabler, PCO, PN2 och PCO2.

PN2 och PCO2 kan sålunda beräknas av dessa 4 ekvationer med den såkallade minsta-kvadrat-metoden. Alternativt kan en Värden av PCO, grupp av tre ekvationer, exempelvis (4), (l) och (2); (4), (2) och (3), eller; (4), (l) och (3) utväljas för beräkning av CO, PN2 och PCO2. göras på sådan sätt att eventuella möjliga fel kan minimeras. värden av P Givetvis bör valet lämpligen Om exempelvis några kolväten förefinnas i provet av avgasen uppträder ofta en fragmenttopp därav vid ett masstal av 12 och stör värdet av Xlz. Om en sådan störning beroende på kolväten icke kan försummas är det lämpligt att välja ekvationerna (2), (3) och (4) för beräkning av partialtrycken. Det har även visat sig att om en lösning av en uppsättning av lämpligt valda tre ekvationer utnyttjas för verklig kontroll eller reglering av avkolningsprocessen kan andra grupper av tre ekvationer med fördel användas för sekvenskontroll med en dator för underhâllskontroll av masspektrometern.

Om ekvationerna (2). (3) och (4) användas erhållas följande lösningar för PCO och Pcoz. ' _ f: w _ X14 * co .2s°/”N .14°X44 itu .14'X2a P _ 2 2 2 ... (5) CO s (qíco 14'7Zu 14) co ° 2' x P = 44 ... (6) coz S C02 7809501-5 Sedan partialtrycken av CO och C02 i avgasen bestämts kan halten av CO och C02 i avgasen teoretiskt bestämmas med föl- jande ekvationer: P _ co qco “ P x Q _ PCO2 qcoz ' P X Q i vilka qco och qcoz representerar halten av C0 och C02 i av- gasen, PCO och PCO2 är de beräknade värdena av partialtrycken av CO och resp. C02, P betecknar det totala trycket i avgasen och Q representerar mängden avgas. Det är emellertid mycket svårt och opraktiskt men icke omöjligt att exakt och kontinuer- ligt bestämma trycket och mängden avgas som bildas i ståltill- verkningsprocessen innefattande avkolning av smält stål vid reducerat tryck.

Ett av de utmärkande särdragen för uppfinningen är att halten av CO och C02 i avgasen, d.v.s. qco och qcoz bestämmas utan nödvändigheten att mäta det totala trycket och mängden av av- gasen. Såsom angivits i det föregående infördes vid förfaran- det enligt uppfinningen en referensgas i systemet genom refe- rensgasinloppsröret 19 eller genom den porösa pluggen ll i vissa fall, under noggrann uppmätning. En förändring av mängden av refercnsgasen som infördes i systemet, A qA, och en förändring av jonisationsströmmen för grundtoppen (parent peak) av referensgasen, A XA (in ampere) övervakas. Förutsatt att referensgasen som infördes i systemet är likformigt för- delad i avgasen erhållas sålunda följande ekvationer (7) och (8): A XA = S . A PA ... (7) i vilka A XA, Q, P och A gA har de ovandefinierade värdena, SA (i ampere/torr) är en känslighet hos masspektrometern 15 för referensgasen, och A PA representerar en förändring av partialtrycket av regerensgasen i provet. Av ekvationerna 7809501-5 (7) och (8) kan följande ekvation (9) direkt bestämmas: W SA Q/P = -- - A qA -... (9) AXA Sålunda kan qcø och qco beräknas i överensstämmelse med ekva- 2 tionerna (10) och (ll), _ Q _ A - qco - PCO. P - __ï . A qA.PCO ... (10) _ A A qco '= Pco '-9- = så ' Å-qA'Pco (11) 2 2 P A A 2 °°' Av de beräknade värdena PCO och PCO2, de uppmätta värdena för förändringen av mängden av referensgasen, Å qA, det uppmätta värdet av förändringen av jonisationsströmmen för grundtoppen för referensgasen A XA, samt den kända eller förutbestämda känsligheten av masspektrometern för referensgasen SA.

Man kan härvid uttrycka förhållandet mellan avkolningen av smält stål vid en tidpunkt t, 3%, på följande sätt: - - = K (qCO(t) + qCO2(t)) ... (12) i vilken qC0(t) och qco (t) är mängder av CO och C02 vid tid- punkten t under avkolningsprocessen, samt K är en konstant.

Mängden avkolning vid tidpunkten t, Å C (i %) bestämmes Så- lunda på följande sätt: _ . t A,c _ K J; (qcott) + qCo2(t) + B ... (13) i vilken K' är en konstant och B är en förskjutningskonstant (bias constant). M Genom övervakning av Xlz, Xlq, X28, X44 och A XA med hjälp av masspektrometern 15 samt även A qA med hjälp av flödesmetern 2l eller 23 kan avkolningsmängden i stâlsmältan Å C (i %) be- stämmas. Bestämningen kan göras momentant genom överföring av utsignalerna från masspektrometern och flödesmätrarna till en dator med ett program för lösning av ekvationerna (1) till (4) 7809501-5 ' i 11 och (10) till (l3), för real time processing.

Referensgcsen som användes vid ett förfarande enligt uppfin- ningen bör bara icke-reaktiv i förhållande till avgasen och bör icke förändras (denatured) i avgasen. Vidare bör referens- gasen lämpligen kunna detekteras noggrannt med hjälp av mass- spektrometern oberoende av förändringen av temperaturen och flödet av referensgasen. I allmänhet användes lämpligen en inert gas, exempelvis Ar, He eller N2 såsom referensgas vid förfarandet enligt uppfinningen. Det ställe i anläggningen där referensgasen blåses in i systemet och sättet för inblås- ning (exempelvis om gasen blåses kontinuerligt eller inter- mittent) bör väljas på lämpligt sätt beroende på arten av den speciella referensgasen. Vid användning av He såsom referens- gas kan denna införas genom referensgasinloppsröret 19 till ledningen 7 eller tillföras från en källa för He 22 genom en flödesmeter 23 och den porösa pluggen ll till stålsmältan l som behandlas i skänken 2 tillsammans med eller separat från argon för omröring av det smälta stålet (fig.l). He såsom referensgas kan införas till systemet antingen intermittent eller kontinuerligt. Om Ar användes såsom referensgas måste denna gas införas i systemet intermittent, och ß qA, d.v.s. skillnaden mellan mängderna av Ar i avgasen och Ar-referens- gasen som införes, och när införingen av Ar-referensgasen avbrytes, liksom Å X40 som utgör skillnaden mellan jonisations- 'strömmarna vid m/e = 40 när Ar-referensgasen införes och när införingen av Ar-referensgasen avbrytes måste övervakas.

Denna intermittenta införing av argon såsom referensgas är nödvändig för eliminering eller minimering av eventuell stör- ning av XAO beroende på argon som blåses genom den porösa pïuggen II, argon som förcíínnes 1 det syre som blåses genom lansen 9 (normalt ca 0,1 volymprocent Ar i det syre som använ- dos vid VOD-processen) och argon som förofinnes 1 atmosfären som läcker in i systemet (normalt finnes ca 0,3 volymprocent ;:=:;=:=a=šë:;¿:š:Qm4_ :§=:§y~::==s:«årnsešänmëszraazzmaint: a:'sàsa.:eâe:æzsgas genQm;éen;;Q:Qse.gš§gggß;lå. Qe::a.:e:Q: -på att intensiteten av omröringen av stålsmältan och härigenom 7809501 -5 12' avkolningshastigheten vid VOD-processen påverkas på ett oför- delaktigt sätt genom detta införingssätt för referensgasen.

Ar bör sålunda såsom referensgas företrädesvis införas i en Vid använd- ning av N2 såsom referensgas är det likaledes nödvändigt att ström av avgas genom referensgasinloppsröret 19. intermittent till strömmen av avgas genom referensgasinlopps- röret 19 införa referensgasen för att undvika reaktion av den använda referensgasen med det smälta stålet och för att elimi- nera eller minimera störningar beroende pâ oavsiktlig införing av N 2 i systemet.

I genomförande uppfinningen bör åtminstone en mätbat mängd av referensgasen användas. Beroende på känsligheten för refe- rensgasen hos den speciella masspektrometern som användes bör 0,001 volymprocent eller mer, baserat på avgasen, av referens- gas typiskt införas i systemet vid införingstillfället. Uppen- barligen är det fördelaktigt att använda referensgasen i den minsta möjliga mängden förutsatt att mätningarna kan genom- föras effektivt. Det har visat sig att i en drift av en 40 till 50 ton VOD-ugn är det lämpligt att införa 10-30 l/min.He, 50-150 l/min. Ar eller 200-500 1/min. N2 såsom referensgas.

När referensgasen införes i strömmen av avgasen som bringas att strömma genom ledningen 7 bör man genomföra provtagning från blandningen på ett ställe som är beläget tillräckligt långt nedströms från det ställe där referensgasen införes i ledningen 7 för att en intim gasblandning av avgasen och referensgasen skall kunna provtagas. I detta sammanhang har det visat sig att tvângevakuering med hjälp av ångejektorer Sa till Si och kondensorer 6a till 6d i hög grad underlättar blandningen av avgasen och referensgaserna till bildning av den avsedda intima blandningen.

Enligt den första beskrivna utföringsformen är det väsentligt att provtaga en förutbestämd viktmängd av den intima bland- ningan av avgas och referensgaser för masspektrometri. Såsom är välkänt varierar avgastrycket i hög grad (exempelvis inom 7809501-5 13 området mellan 0,1 torr och 760 torr) under VDO-processes för- lopp, och masspektrometerns känslighet för en gas varierar även beroende på gastrycket. Det är därför nödvändigt att provta av förutbestämd viktmängd av blandningen oberoende av förändringen av trycket hos blandningen och att härigenom åstadkomma upprätthållande av ett konstant tryck i provinlopps- systemet till masspektrometern 15. För detta ändamål är det lämpligt att anordna regleringsventiler (icke visade), vilkas genomsläpplighet varierar omvänt mot trycket av gasprovet i ett rör som leder till provinloppssystemet hos masspektrome- tern 15.

Enligt. en arndra utföringëíorm 'av förfarandet enligt 'uppfinning- en övervakas provet av den intima blandningen av avgas och referensgas masspektrometiskt beträffande X4¿, ::ummE:ifït'¿z:::p;~scm'1pgt:áäë:'w:f:ma§s:z§§:rêëç 3% ccfiršà väljes från gruppen bestående av Xlz Xl4 och X28, jonisations- jonisations- s;r:5:::vz~¿í5~:zçxzzfifirsšmr;g;::::s:rf::f:§=;-°f- _jII__}:;::: 28 samt X jonisationsströmmen som uppträder vid grundtoppen AI för referensgasen; qco + summan av mängderna av CO och I C02 i provet bestämmes i överensstämmelse med ekvationen: = Û qA (aïxn + azxm + a x ) + o< ... (14) qco * qcoz 3 44 A XA i vilken A qA är förändringen med tiden av värdet av den upp- mätta mängden av referensgasen i blandningen, A XA är föränd- ringen av XA med tiden, a1, az och a3 är konstanter som förut- bestämmas genom genomförande av ståltillverkningsprocessen vid minst tre tidpunkter,CÄ-är en förskjutningskoefficient (bias coefficient), och qco + qcoz , A XA, Xn, Xm och X44 har de i 'det föregående angivna betydelserna, och ; hastigheten eller mängden av avkolning av det smälta stålet vid övervaknings- tidpunkten bestämmes av de på detta sätt bestämda värdena av qco + qco . För förklaring av den utföringsform kan man anta 2 ett fall vid vilket Xl4 och X28 selektivt övervakas förutom X44 och XA. Av ekvationerna (2) till (4), (8) och (9) kan 7809501-5 14 man erhålla följande ekvation: _ A q qco * qco ' --15 (a1X14 * azxza * a3X44) "' (1”) 2 ¿ AA _ i vilken a1, az och a3 har följande betydelser: S a1 = A _ 1 Scof 7fco.14 '77N2.14 _ I* -az = SA . 'M N2 ° 14 + SA f* _/“" Sco f¿co.14 /°N2.14 Scoz fd f* _ /L -/C a3 = sA + sA _ coz _ za N2.14 _./" scoz Sco 7ïco.14 /¿N2.14 Eftersom aï, az och a3 är konstanter för det speciella system- et, såsom angivits i det föregående kan de förutbestämmas ge- nom upprepande av samma process minst tre gånger. Sedan a1, a och a har förutbcstämts är det möjligt att bestämma 2 3 qco + qco , summan av mängden av CO och C02 i provet enligt ekvationeå: qco * qco = ¿1qA (a1X14 + azxzs * a3X44) *CK "'(l4") 2 _¿XA i vilkencX.är förskjutningskoefficient (bias coefficient), ge- nom övervakning av A qA, Å XA, Xl4, X28 och X44. Av de på detta sätt bestämda värdena av q + q , kan avkolningshas- _ dc CO CO _ u _ tigheten (- äï och avkolningsmängden (å C) vid overvaknings- tidpunkten bestämmas i överensstämmelse med ekvationerna (10) resp. (ll).

Den andra utföringsform som beskrivits ovan är fördelaktigt genom att det icke är nödvändigt att i förväg bestämma respek- tive känslighetsvärden S och mönsterkoefficienterflflf. Denna utföringsform är särskilt användbar vid tillverkning av ett flertal smältor i fölšd under väsentligen sama betingelser 7809501-5 '15 med användning av samma anläggning. Vad beträffar arten av referensgasen, sättet att införa referensgasen och mängden referensgas som infördes i systemet är den föregående beskriv- ningen i samband med den första utföringsformen tillämpebar.

Det är emellertid icke av kritisk betydelse även om det är lämpligt att provtaga en förutbestämd mängd (vikt) av bland- ningen av avgas och referensgas. Detta beror på att förhål- landet mellan känslighetsvärdena, exempelvis SA/SCO och SA/SCQ2 icke pâverkas av förändringen av trycket hos gasen även om de individuella känslighetsvärdena, SA, SCO och SCOZ varierar beroende på trycket. Detta är en ytterligare betydelsefull fördel med den andra utföringsformen.

Enligt en tredje utföringsform av förfarandet enligt uppfin- ningen med användning av Ar såsom referensgas underkastas provet av den intima blandningen av avgas och referensgas masspektrometiskt övervakning beträffande X28, X40 och X44, jonisationsströmmarna för topparna som uppträder vid masstalen 28, 40 och 44; qco + qco , summan av mängden av CO och C02 i provet bestämdes enligt följande ekvation: X X _ . za 40 +4 qco* qcoz' °1 ¿1x40 'ÅqAP bz Axw ° Åqzxr* bsífxflffiqzxr* b4 (um) i vilken AqAr är förändring med tiden av värdet av den uppmät- ta mängden av Ar såsom referensgas i blandningen,¿flX40 är förändringen med tiden av X4O, b1, bz, b3 och b4 är konstanter som bestämmas i förväg genom genomförande av ståltillverknings- processen minst fyra gånger, och qCO+ qco , X28, X40 och X44 har de i det föregående angivna betydelserna, samt hastigheten eller mängden av avkolning av stålsmältan vid övervakningstids- punkten bestämmes av de på detta sätt bestämda värdena av qco + qcoz ' Med antagande av att Q är den okända mängden av avgas, P är det okända totaltrycket hos avgasen, L är den okända mängden luft som läcker in i systemet, goz är mängden syre som blâses genom lansen 9, 7809501-5 '16 C'Ar är mängden Ar i den blåsta syrgasen, PPAI är mängden Ar som blåses genom den porösa pluggcn, CN2 är halten av N2 i luft, CAI är halten av Ar i luft, Sàr är känsligheten hos masspektrometern 15 för Ar, PAr är partialtrycket av Ar i provet, ¿PAr är förändringen av P med tiden, Ar qAr är mängden Ar i avgasen, ¿1qAr är förändringen av qAr med tiden som orsakas genom införandet av av Ar såsom referensgas, och AX40 är förändringen av X4o med tiden, kan följande ekvationer uppställas: Q/P = AqAr/APAr = qco /Pco z qco/Pco z qnz/PNZ z qAr/PAr 2 2 ... (15) 11x40 = sAfAPAr och x40 = sAr . PM (16) qN2 = CN2. L --- (17) qAr = CAr ° L + C ArqO2 + PPAr '°' (18) Av ekvationerna (3), (4) och (15) samt (18) erhålles följande ekvationen: X X X . za 40 + b 44 .Aq + b q + q = o-- .Aq +11-f--.Åq 3--- Ar 4 co coz 15x40 Ar 24x40 Ar Axw nov i vilken b1, bz, b3 och b4 har följande betydelser: b1 = SAr/Sco bz = "SN2/Sco'CN2/CAr b3 = sAr/Scozfl” C02. zzæszxr/Sco och 1:4 = sNz/scoßNz/Cmwuxrmløz + PPM) Eftersom bl, bz, b3 och b4 är konstanser för ifrågavarande system, såsom angivits i det föregående, kan de bestämmas i förväg genom upprepande av samma process minst fyra gånger. 7809501 -5 17' Sedan bï, bz, b3 och b4 att bestämma qCo+ qcoz av X28, X40, X44,¿¶X4o and.ÅqAr. Figur 3 visar i diagramform joniseringsströmmarna X28, X40 och X44, som representeres av ekvationerna (3), (16) och (4), för toppar vid masstalen 28, 40 och 44. Av de på detta sätt bestämda värdena av qCo+qcO kan avkolningshastigheten (- gg-) och avkolningsmängden (ÅC¥ vid övervakningstidpunkten bestämmas enligt ekvationen (12) en gång förutbestämts är det möjligt enligt ekvation (19) genom övervakning resp. (13).

Den tredje utföringsformen, som beskrivits ovan, är fördel- aktig genom att det icke är nödvändigt att förutbestämma de respektive känslighetsvärdena S och mönsterkoefficienterna if.

Denna utföringsform är särskilt användbar när ett flertal smältor tillverkas i följd under väsentligen samma betingelser med användning av samma anläggning. Argon såsom referensgas kan införas intermittent genom referensgasinloppsröret 19 till strömmen av avgas. Vad beträffar den mängd referensgas som infördes i systemet är uppgiften i det föregående beträffande den första utföringsformen tillämpliga. Det är icke av kri- tisk betydelse men lämpligt att provta en förutbestämd mängd (vikt) av blandningen av avgas och referensgas av samma skäl som angivits i det föregående beträffande den andra utförings- formen. Jämfört med den andra utföringsformen kan den tredje utföringsform ge mer noggranna resultat.

Baserad på denbestämda avkolningsmängden eller avkolningshas- tigheten regleras stålsmältan under avkolningsprocessen till de önskade betingelserna. I synnerhet när avkolningsprocessen genomföres i ett flertal steg kontrolleras kolhalten i stål- smältan vid slutpunkten av varje steg till ett förutbestämt värde genom lämplig justering av mängden blå syre, när trycket och proportionerna av den blandade blåsningsgasen, tillsats av legeringselement, mängd av slagg och andra parametrar som påverkar systemet.

Uppfinningen beskrives i det följande närmare med utförings- 7809501-S 18 exempel.

Exemgel l.

Detta exempel åskådliggör den första utföringsformen av för- farandet enligt uppfinningen.

Ett antal förberedande försök genomfördes med användning av en 45 ton VOD-ugn såsom åskådliggöres på figur l. Med en mängd av ca 45 ton avkolat smält stål i skänken 2 men utan vare sig blåsning av syrgas genom lansen 9 eller bubbling av argon genom den pårösa pluggen ll infördes varierande mängder argon genom referensgasinloppsröret 19 under det att ,ÅqA uppmättes noggrannt med hjälp av flödesmäunæn 2l. Förändring- en av jonisationsströmmen vid m/e = 40,Å]XA, uppmättes. Mät- ningarna upprepades under olika konstanta vakuumgrader som åstadkommes med evakueringsorgan och med bibehållande av kons- tant genomsläppning genom regleringsventilerna (icke visade) som var anordnade i ett rör ledande till provinloppssystemet hos masspektrometern 15. Resultaten visas på figur 2. Av figur 2 framgår att förändringen av jonisationsströmmen vid m/e = 40,¿1XA, är väsentligen proportionell mot förändringen av mängden argon som infördes såsom referensgas,¿¶qA, under varje konstant tryck. Från lutningen av varje rak linje kan känsligheten hos masspektrometern 15 för argon under varje angiven vakuumgrad (PO) bestämmas.

Vid ett annat förberedande försök, varvid det smälta stålet avlägsnats från skänken 2 och blåsning av syre och argon genom- fördes, övervakades förändringen av jonisationsströmmen.ÛXA vid förändring av mängden argon som infördes till ledningen 7 genom referensgasinloppsröret 19. Likartade resultat er- hölls.

Samma slags förberedande försök genomfördes med användning av He eller N2 såsom referensgas och gav likartade resultat.

Det bör emellertid påpekas att olika referensgaser medför r 7809501-5 19' olika lutningar under samma vakuumgrad. En ytterligare preli- minär provning varvid He användes såsom referensgas och inför- des genom den porösa pluggen ll till stålsmältan som fram- ställdes gav även likartat resultat.

I den VOD-ugn som användes vid de förberedande försöken fram- ställdes fyra smälter av rostfritt stål. Utgângssammansätt- ningen av stålsmältan var: 0,252 till 0,286 viktprocent C, ca 8,9 viktprocent Ni, ca 18,3 viktprocent Cr, ca 0,5 vikt- procent Mn, och ca 0,4 viktprocent Si. I smältorna 1 och 2 infördes ca 45 ton smält stål med den ovanangivna utgångs- sammansättningen i skänken 2 och underkastades en konventio- nell VOD-process genom att man bringade evakueringsorgan att börja arbeta och åstadkomma ett reducerat tryck i ugnen samt fortsatte driften av evakueringsorganen under införing av syre genon lansen 9 och argon genom den porösa pluggen ll tills stålsmältan i skänken 2. Den avsedda kolhalten i stål- smältan vid slutpunkten var 0,05 viktprocent. Under proces- sens fortskridande infördes Ar såsom referensgas intermittent genom referensgasinloppsröret l9 till ledningen 7 under nog- grann uppmätning med hjälp av flödesmäunæn 21. Flödet av argon som infördes genom röret 19 var ca 100 liter per minut och flödet stoppades varje 2,5 minut under en tidrymd av 60 sekunder. En förutbestämd viktmäng av en intim blandning av avgas och argonrefercnsgas provtogs kontinuerligt genom prov- inloppsröret 16 till provinloppssystemet hos masspektrometern l5 och övervakades kontinuerligt beträffande AXA, Xl4, X28 och X44. och behandlades med en dator med ett program för lösning av ekvationerna (2) till (6) och (10) till (13) för bestämning av avkolningsmängden,_AC beräknat, för stålsmältan i varje De uppmätta värdena registrerades i en snabb skrivare ögönblick.

I smältorna 3 och 4 upprepades detallmänna tillvägagângssättet för smältorna 1 och 2 med undantag av att He användes såsom referensgas i stället för Ar och infördes intermittent från en källa för He genom den porösa pluggen ll till stâlsmältan 7809501 -5 ' som behandlades under noggrann uppmätning med hjälp av flödes- mätanïx23. Flödet av He som infördes var ca 20 liter per minut och flödet avbröts varje 2,5 minut under en tidrymd av 60 sekunder.

Vid slutet av varje smälta bestämdes den verkliga kolhalten hos stålsmältan, C verklig procent, genom provtagning av den behandlade stâlsmältan och efterföljande kemiska analys. För lsmältorna l, 2, 3 och 4 uppgick skillnader mellan värdet av C verkligtprocent som bestämts på kemisk väg och värdet av C beräknat procent (vid slutpunkten) som bestämts masspektro- metisk väg med hjälp av förfarandet enligt uppfinningen, C verkligt - C beräknat, till 0,012 %, -0,006 %, -0,008 % resp. 0,014 %.

Exempel 2- Detta exempel åskådliggör den andra utföringsformen av för- farandet enligt uppfinningen.

Tjugosex smältor (smältorna 5-30) av rostfritt stål behandla- des väsentligen på samma sätt som smältorna 3 och 4 enligt exempel l. De värden som erhölls före smältorna 5-12 an- vändes för bestämning av konstanterna a1, az och a3 i ekva- tionen (l4"). I var och en av de återstående 18 smältorna 13 till 30 övervakades ¿§qA,¿lX4, XI4, X28 och X44 kontinuer- ligt med hjälp av masspektrometern l5 och flödesmätaren 23, och de övervakade värdena behandlades med en dator med ett program för lösning av ekvationerna (12) och (13) för bestäm- ning av kolhalten i stålsmältan i varje ögönblick. I slutet av varje smältperiod bestämdes den verkliga kolhalten hos stålsmältan, C verkligtprocent vid slutpunkten av processen genom kemiska analys. Skillnaden mellan värdet av den mass- spektrometrisktförutsagda kolhalten i procent med förfarande enligt uppfinningen och värdet av C verkligt procent, som bestämts kemiskt, låg inem intervallet 1 0,020 % c för 16 av de 18 smältorna. 7809501-5 21' Exempel 3.

Detta exempel åskådliggör den tredje utföringsformen av för- farandet enligt uppfinningen.

Trettiotvå smältor (smältorna 31 till 62) av rostfritt stål, vilka var väsentligen desamma som smältorna nr 1 och 2 enligt exempel l framställdes. De för smältorna 31 till 40 erhållna värdena användes för bestämning av konstanterna b1, b2, b3 och b4 i ekvationen (14"'). Vid framställning av var och en av de återstående 22 smältorna 41 till 62 bestämdes kontinuer- ligt värdet av ÅqAIJAXMJ, X28, X40 och X44 med hjälp av masspektrometern 15 och flödesmätaren 21, och de uppmätta värdena behandlades för bestämning av kolhalten hos stål- smältan som behandlades i varje ögönblick med hjälp av en dator som var försedd med ett program för en lösning av ekva- tionerna (12) och (13). Vid slutet av varje smältperiod be- stämdes den verkliga kolhalten för stålsmältan, C verkligt procent, genom kemiska analys. För 21 av de 22 smältorna var skillnaden mellan verkligt bestämda värden genom kemiska analys och masspektrometriskt förutbestämda värden med för- farandet enligt uppfinningen inom intervallet 1 0,015 % C.

Uppfinningen medför ett flertal fördelar. För det första är bestämningen noggrann, tillförlitlig och ögonblicklig. .Det faktum att en ringa volym av prover är tillräcklig för mät- ningarna gör de medel som erfordras för filtrering av proverna enkla och tidrymden för överföring av proverna till masspektro- metern blir kort. Vidare kan halten av CO och C02 i den prov- tagna gasen bestämmas samtidigt med ett och samma instrument inom en kort tidrymd av storleksordningen millisekunder utan att det är nödvändigt att mäta mängden av hela mängden av av- gas. Eftersom de övervakade parametrarna (jonisationsström- mar) är av elektrisk natur kan de direkt och lätt överföras till en lämplig skrivare och dator för "real time processing".

Det är sålunda möjligt att bestämma mängden eller hastigheten av avkolningen i varje ögönblick. 7809501-5 22' Uppfinningen har beskrivits med utföringsexempel i samband med en typisk VDO-process, med förfarandet enligt uppfinningen är tillämplig vid olika processer eller stadier i den mån dessa processer eller steg innefattar avkolning av smält stål under sänkt tryck i en sluten zon och tvångsevakuering av av- gasen från den slutna zonen, oberoende av syreblâsning och arbonbubbling. Vidare kan i stället för kontroll eller regle- ring av stâltillverkningsprocessen enligt den integrerade C-halten i procent enligt ekvation (13) och ursprunglig C- haltig procent, förfarandet även regleras eller kontrolleras med användning av avkolningshastigheten som bestämmes vid en viss tidpunkt i samband med en avkolningsmodell som separat förutbestämts för-det speciella stål som framställes. Olika modifikationer är uppenbara för fackmannen utan att man av- viker från uppfinningstanken.

Claims (2)

1. m 7809501-5 PATENTKRAV l. šrfarande för styrning av stålframställning varvid man utnyttjar ett prov av den från den stålsmälta, som skall av- kolas, bortförda avgasen för masspektrometrisk övervakning av jonisationsströmmarna vid utvalda toppar beträffande CO, C02, NZ , bestämmer avkolningsgraden för stâlsmältan vid övervaknings- tiden, och styr stålframställningsförfarandet enligt den förutbe- stämda avkolningsgraden för stâlsmältan, varvid avkolningen genomföres i en sluten zon under sänkt tryck och en avgas av CO, C02 och N2 tvângsvis avlägsnas under vakuum ur den slutna zonen, en intim gasformig blandning av avgas och en uppmätt mängd av en gentemot avgasen inert referensgas beredes, och varvid avkolningsgraden bestämmes av de uppmätta referensmängderna i blandningen och de uppmätta värdena av jonisationsströmmarna för de utvalda topparna på ett sätt som k ä n n e t e c k - n a s av: masspektrometrisk övervakning av provet beträffande X44, joni- sationsströmmen för en topp vid masstalet 44, för Xn och Xm valt från den av Xlz, Xl4 och X28 bestående gruppen, jonisa- tionsstömmarna för topparna vid masstalen 12, 14 och 28, och för X jonisationsströmmen för bastoppen för referensgasen, AI bestämning av qco + qco , summan av mängderna av CO och C02 i provet, enligt följande ekvation: àqA qco J' qco = FX" (a X + a X + a X ) +<7š 2 A 1 n 2 m 3 44 varvid ¿àqA är ändringen per tidsenhet av värdet av den upp- mätta referensgasmängden i blandningen,_ÅXA är ändringen av XA med tiden, al, az och a3 är konstanter, förutbestämda genom minst trefaldigt genomförande av stålframställningsförfaran- 7809501-5 2, detfO-Cär en förspänningskoefficient och qco + qco. , AXA, Xn, Xm och X44 har ovan angivna definition, och bestämning av graden av avkolning av stålsmältan vid övervakningstidpunkten av det på detta sätt bestämda värdet av qco + qcø . 2
2. 2. Förfarande enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a t därav, att man använder Ar som referensgas samt övervakar provet masspektrometriskt beträffande X28, X40 och X44; joni- sationsströmmarna för toppvärden som uppträder vid masstalen 28, 40 resp. 44, bestämmer qco + qco summan av mängder av CO och CO i provet enligt ekvationen: 2 x x x = 28 40 44 qco* qcoz b14x40 ' Aqm* b2Ax40' Åqar* bfixw 'Aqmf b4 i vilken Å.qAr är förändringen med tiden av värdet av den uppmätta mängden Ar såsom referensgas i blandningen, ¿dX4o är förändringen med tiden av X40, bl, bz, b3 och b4 är konstanter som förutbestämmes genom genomförande av ståltillverkningspro- och X44 har cessen minst fyra gånger samt qco + qco , X28, XÅO de i det föregående angivna betydelsernå, samt bestämmer avkolningsgraden av stålsmältan vid övervakningstidcn av det på detta sätt bestämdä värdet av qco + qco . 2