SE444819B - Forfarande for reglering av en stalframstellningsprocess - Google Patents

Description

. _ n .I ill:- In' I I ¿ 7809502-3 kola stålsmältan.

Bestämning av kolhalten i det smälta stålet som behandlas kan genomföras genom att man stoppar blåsningen av syre, tar prov av stålsmältan (ifråga om en konverter efter tippning av kon- verten), samt analyserar stålprovet så snabbt som möjligt.

Denna provtagning från stålsmältan och analys av provet är emellertid ytterst besvärliga operationer. Det skulle vara önskvärt både med hänsyn till processens verksamhet och pro- duktkvaliteten om det vore möjligt att noggrant bestämma kol- halten hos stålsmältan som behandlas utan behov av provtag- ning av stålsmältan och efterföljande analys.

Ett försök att lösa detta problem är baserat på mätning av mängden kol som överförts till avgasen, dvs. mängden av CO och C02 i avgasen, istället för mätning av mängden kol som kvarstannar i stålsmältan. För detta ändamål är det väsentli-- gen nödvändigt att noggrant bestämma icke endast mängden av CO och C02 i avgasen utan även mängden av all avgas i varje ögonblick. Man har försökt bestämma kolhalten hos den behand- lade stålsmältan genom att övervaka avgasflödet med hjälp av en differentialtryckflödesmätare anordnad i en avgasledning och genom att övervaka halterna av CO och C02 1 ett prov av avgasen med hjälp av infrarödgasanalys. Man har emellertid icke kunnat åstadkomma något tillfredsställande resultat med sådana försök. Detta beror delvis på att mycket stora mängder avgas tillåtas strömma genom en kanal med stor tvärsektion vid ståltillverkningsprocesser under atmosfärstryck, samt att temperaturen hos avgasen varierar i hög grad under processens förlopp vilket gör det svårt att noggrant detektera mängden avgas med ett sådant instrument som en differentialtryckflödes- mätare, samt delvis på grund av att analysanordningar, såsom infrarödgasanalysanordningar, har en begränsad noggrannhet och begränsad gensvarshastighet. Vidare erbjuder det förhållandet att olika infrarödgasanalysanordningar erfordras för detekte- ring av olika gaskomponenter i ett prov av avgasen svårigheter 7809502-3 vid hantering av fel samt eftersläpning för respektive analys; -anordning. Det har sålunda varit mycket svårt att noggrant be- stämma halten av kol i en stålsmälta som behandlas utgående från information beträffande avgasning i varje ögonblick. Vär- den beträffande kolhalten som bestämts med tidigare kända me- toder varierar ofta i hög grad och den sannolikhet med vilken det bestämda värdet utgör ett gott värde med acceptabel nog- Rášg grannhet är av storleksordningen cirka 60 till 80 procent. I synnerhet vid en stâltillverkningsprocess som genomföres under atmosfärstryck är det omöjligt att förhindra att atmosfärsluft inträder i avgasen och påverkar mängden gas samt gör det ännu svårare att erhålla noggrann information beträffande stålsmäl- tan med ledning av avgasen.

I en publicerad japansk patentpublikation nr 50(l975)-99592, som publicerades 7 augusti l975 angives ett förfarande för be- stämning av mängden gas som bildas i en gasframställningskam- mare, exempelvis mängden ånga som bildas i en torkanordning.

Det i denna publikation föreslagna förfarandet innefattar så- som steg tillföring av en jämförelsegas (dummy gas) till gas- framställningskammarcn, övervakning av mängden till gasfram- ställningskammaren förd jämförelsegas samt partialtrycket av jämförelsegasen och den bildade gas som förefinnes i en avgas, samt bestämning av mängden bildad gas med ledning av de över- vakade värdena. I denna publikation angives vidare att partial- trycket av gaserna lämpligen kan uppmätas med en masspektro- meter, samt angives att den föreslagna metoden kan tillämpas för bestämning av_gaser1bildade i en ståltillverkningsugn. I _ denna publikation angives emellertid icke något vad beträffar: de svårigheter som oundvikligen uppkommer vid masspektrometrisk analys av en gas innehållande CO, C02 och N2. Sålunda är huvud? topparna (parent peaks) för CO och N2 i ett masspektrum osepaï 'rerbara eftersom CO och N2 har samma masstal 28. Vidare upp- toppen för CO, som likaledes uppträder vid sama masstal. | träder en fragmenttopp för C02 vid masstalet 28 och stör huvudr i 'Uppfinningen avser ett förfarande för dynamisk reglering av en stålframställningsprocess genom avkolning av smält stål 7809502-3 *I vid atmosfärstryck och bildning av en avgas innehållande CO, C02 och N2, varvid man bereder en intim gasformig blandning av avgasen och en uppmätt mängd av en referensgas, som är inert i förhållande till avgasen, övervakar masspektrometriskt ett prov av denna intima blandning beträffande jonisationsströmmar för valda toppar, till vilka CO, C02, N2 och referensgasen i provet hänför sig, bestämmer avkolningsgraden för stålsmältan vid övervakningstídpunkten av de uppmätta värdena av mängden referensgas i blandningen samt de uppmätta värdena av jonisa- tionsströmmarna för de valda toppvärdena samt reglerar stål- framställningsprocessen i överensstämmelse med det bestämda värdet av stålsmältans avkolningshastighet eller den från stålsmältan avlägsnade kolmëngden, kännetecknat av att den intima blandningen av avgas och referensgas beredes genom in- föring av en uppmätt mängd av referensgasen i strömmen av avgas samt att provet uttages för masspektrometrisk analys på ett ställe beläget på en sträcka D (i centimeter) nedströms från stället för införing av referensgasen i strömmen av avgas, varvid D uppfyller sambandet: D >0.8Ls, i vilket Ls är minimivärdet av linjära strömningshastigheten av strömmen av avgas (i 103 cm/min.).

Figur l visar ett arrangemang av instrument som kan användas enligt en utföringsform av förfarandet enligt uppfinningen för reglering av en stålframställningsprocess, som genomföres i en toppblåst konverter vid atmosfärstryck.

Figur 2 visar ett arrangemang av instrument som kan användas enligt en utföringsform av förfarandet enligt uppfinningen för reglering av en stålframställningsprocess, som genomföres i en AOD-ugn under atmosfärstryck.

Figur 3 är ett diagram som visar de; förhållandet, att föränd- ringen av mängden referensgas, som införes till systemet enligt uppfinningen, är proportionell motMAXA, förändringen av jonisationsströmstyrkan för grundvärdet (parent) för referens- gasen. 7809502-3 Enligt en utföringsform som visas på figur l genomföres avkol- ning av stålet i en toppblåst konverter l genom blåsning av syre mot en stålsmälta 2 i konvertern från en lans 3. Mängden syre som blåses från lansen regleras med en tryck- och flödes- reglerande anordning 4. Ovanför det ställe där konverterns toppöppning befinner sig när konvertern står upprätt finnes an- ordnad en avgashuv 5, som är anbringad på visst avstånd från konverterns toppöppning. Avgas uppsamlas i huven 5 och avlägs- nas från systemet genom en kanal 6. Vid avkolningen bildas en stor mängd he; avgas och bringas att strömma uppåt genom kana- len 6. Gasen innehåller CO och C02 som bildas genom avkolning av stålsmältan 2, icke reagerat syre som blåses från lansen 3, luft som suges genom mellanrummet mellan konvertern l och huven 5, samt olika slags stoftformiga material. I huvudsak hela mängden CO och C02 som bildas vid avkolningsprocessen fbringas att strömma igenom kanalen 6. Mängderna av CO och C02 som strömmar genom kanalen 6 motsvarar sålunda avkolnings- mängden. / Enligt uppfinningen användes en masspektrometer för bestämning av mängderna av CO och C02 som strömmar genom kanalen 6. Ett prov av gasen som strömmar genom kanalen 6 införes till ett provinloppssystem (icke visat) för en masspektrometer 7 från ett gasinloppsrör 8 genonxett filter 9 med hjälp av en sugpump lO. För lyckade mätningar med masspektrometern 7 är kanalen 6 försedd med ett referensgasinloppsrör ll på ett ställe som befinner sig åtminstone en förutbestämd sträcka uppströms i gasinloppsröret 8 så att en referensgas 12 kan införas genom röret ll till avgassystemet under noggrann uppmätning med en flödesmätare 13. Beroende på arten av referensgasen kan den införas till systemet genom lansen 3. För detta ändamål är ett syrerör 14, som förenar den tryck- och flödesreglerande anord- ningen 4 med lansen 3, anordnad med ett grenrör 15 för in- föring av en referensgas vilken uppmätts med en flödesmätare 16.

Enligt en utföringsform som visas på figur 2 genomföres avkol- 7809502-3 ning av stål i en AOD-ugn. Den anläggning som visas på figur 2 är densamma som visas på figur l med undantag av att konvertern 1 är försedd med (en tätta) ett munstycke l8 vid eller nära bottnen så att de gaser som erfordras för AOD-processen kan blåsas in i stålsmältan 2 i konvertern l. Dessa gaser kan ut- göras av syre, argon och kväve, varvid mängderna regleras med tryck- och flödesreglerande anordningar 19, 20 respektive 2l.

Gaserna föras till (tättan) munstycket l8 genom ett rör 22, som är försett med ett grenrör 23 så att en referensgas, be- roende på dess art, kan införas genom röret 23 till systemet enligt uppfinningen efter att noggrant ha uppmätts med en flö- desmätare 24. På figurerna l och 2 betecknar samma referens- nummer samma delar.

Vid förfarandet enligt uppfinningen övervakas flödesmängden av referensgasen, som införes i systemet genom referensgasin- loppsröret ll eller genom röret 15 eller 23 vid en given tid- punkt, och samtidigt underkastas ett prov av avgasen masspek- trometrisk analys beträffande jonisationsströmmarna för topp- värdena vid valda masstal. Baserat på de på detta sätt uppmät- ta värdena för flödesmängden av referensgasen och de uppmätta värdena av jonisationsströmmarna för valda toppvärden bestäm- mes mängden och hastigheten av avkolningen vid denna tidpunkt.

Hur denna bestämning skall genomföras beskrives i det följan- de under hänvisning till typiska och föredragna utföringsfor- mer av uppfinningen.

Såsom angivits i det föregående innehåller vid avkolningspro- cessen när denna genomföres vid atmosfärstryck avgasen som strömmar genom kanalen 6 en stor mängd kväve. Detta kväve har masstalet (m/e) 28 vilket är samma som masstalet för CO varför grundtoppen (parent peak) för kväve sammanfaller med denna för CO. Ett uppmätt värde av jonisationsströmmen för grundtoppen för CO kan därför icke utnyttjas för att angiva enbart CO. Vi- dare uppträder båda toppvärdena för tvåvärda joner av N2 och CO vid m/e = 14, och en fragmenttopp för C02 uppträder vid m/e 28. Alla dessa betingelser gör det svårt att genomföra mass- spektrometrisk bestämning av CO och C02 i en gas som innehåller N2 tillsammans med CO och C02. 7809502-3 Ett väsentligt särdrag för uppfinningen är valet av topp- värden för vilka jonisationsströmmarna övervakas. Enligt en ' utföringsform av uppfinningen väljes icke endast grundtoppvär- den utan även vissa toppvärden för tvåvärda joner och frag- menttoppvärden avseende CO. C02 och N2 i provet. Det är lämp- ligt att välja toppvärden som uppträder vid masstalen 12, 14, 28 och 44 och att övervaka jonisationsströmmarna vid dessa masstal liksom för grundtoppvärdet för den använda referensga- Sen .

Av de på detta sätt uppmätta värdena för jonisationsströmmarna för de valda toppvärdena beräknas partialtrycken av CO och C02 mönsterkoefficienter (sensitivities and pattern coefficients) i provet med beakttande av känslighetskoefficienter och för CO, C02 och N2. De på detta sätt*beräknade värdena av par- tialtrycken av CO och C02, den separata övervakade förändringen av mängden av referensgas som införes i systemet, ett masspek- trometriskt uppmätt värde av förändringen av jonisationsström- men för ett toppvârde, företrädesvis grunàtappen kparent peak), för referensgasen och ett känslighetsvärde (sensitivity) för refergnsgasen utnyttjas därefter för beräkning av halten av CO och C0q i provet, och slutligen bestämmes mängden eller hastigheten av avkolningen av stålsmältan vid mätningstidpunk- ten av de beräknade värdena av halterna av CO och C02 genom integrering eller differentiering.

Beräkning av partialtrycken av CO och C02.

Beträffande avgassystemeti frågan kan följande ekvationer (1), (2), (3) och (4) fastställas. -s -~.,r_ -; f' -~ . 12 co 'Lo 12 pco+°co2 ”co,¿_1_¿2_ Pcoz ...(1) ¿ = 5 . 3, ~ .p_ 3" . 3 D “2 “lä CO 'O- M CO¶_“w2 š2_14'°N2 "'( ) - C ' .. 5428 * ~'-'P:ffi_+'5co'^ca+ Sao; f-cc, aspect, "°(3) v \'« m \- Sc»ç.?f:C2 cßflcèf) 7809502-3 I dessa ekvationer betecknar Xlz, XI4, X28 och X4¿ j0fliSa' tionsströmmarna (i ampere) vid masstalen (m/e) l2, l4, 28 och '4Ä.

S och S betecknar känslighetsvärden (i ampere/torr) Sco' N2 co2 för masspektrometern för CO, N2 och C02. nCO_lu 2_1¿ är mönsterkoefficienter, för ett masstal (m/e) av 14, för CO respektive N2. och nN E och I är mönsterkoefficienter, för masstalet CO-12 .CO2.12 (m/e) 12, för CO respektive C02. 3 är mönsterkoefficienten för CO för ett masstal co2_2s 2 (m/e) av 28. och PC betecknar partialtrycken i avgasen för CO, P P CO' N2 02 N2 respektive C02.

Värdena av jonisationsströmmarna Xlz, XI4, X28 och X44 upp- mätas med.masspektrometern 7. Sensitivitetsvärdena SCO, SN och SCO liksom mönsterkoefficienterna 2 2 4 . ”co.12> ”coqw "co2;n2, "coh-za °°h"r~r2_¿14är vfrdef* S” ä” karakteristiska (inherent) för masspektrometern 7 under de speciella mätbetingelserna och är därför redan kända eller kan bestämmas genom förberedan försök. Det framgår sålunda att det föreligger 4 ekvationer (l) till (4) för 3 variabler, PCO, PN och PCO . Värdena av PCO, PN och PCO kan sålunda beräknas av desså 4 ekvationer med deå sâ'kallåde minsta-kvadratmetoden.

Alternativt kan en grupp av tre ekvationer, exempelvis (4), (1), och (2); (4), (2) och (3) eller (4), (l) och (3) väljas för be- räkning av värdena av PCO, PN och PCO . Valet bör givetvis lämpligen göras på sådant sätš så att åventuella felkällor mini- meras. Om exempelvis kolväten förefinnas i avgasprovet uppträ- der en fragmenttopp för dessa ofta vid ett masstal av 12 och större värde för Xlz. Om en sådan störning beroende på kolväten icke kan försummas är det lämpligt att välja,ekvationerna (21, 7809502-3 (3) och (4) för beräkning av partialtrycken. Det har även vi- sat sig att om.en lösning av en grupp av tre lämpligt valda - ekvationer utnyttjas för reglering eller övervakning av avkol- ningsprocessen kan andra grupper av tre ekvationer med fördel användas för sekvenskontroll (sequence check) av en dator el- ler för underhållskontroll (maintenance check) av masspektro- metern.

Beräkning av halterna av CO och C02.

Sedan partialtrycken av CO och C02 i avgasen bestämts kan hal- terna av CO och CO2 i avgasen bestämmas teoretiskt med följan- de ekvationer: i vilka qco och qco betecknar halterna av CO respektive C02 1 avgasen, PCO och šco är de beräknade värdena av CO respek- tive C02, P betecknar ëotaltrycket av avgasen och Q betecknar mängden avgas. Det är emellertid mycket svårt och opraktiskt men icke omöjligt att noggrant bestämma mängden av avgas som bildas vid en stålframställningsprocess innefattande avkolning av en stålsmälta vid atmosfärstryck.

“\ Ett väsentligt särdrag för uppfinningen är att halten av CO och C02 i avgasen, dvs. qco och qco , bestämmes utan att man behöver mäta den totala mängden avgas. Såsom angivits i det föregående införes vid förfarandet enligt uppfinningen en re- ferensgas A i systemet genom referensgasinloppsröret ll eller från lansen 3 eller (tättan) munstycket 18 under noggrann upp- mätning. En förändring av mängden referensgas,¿1qA, och en för- ändring av jonisationsströmmen för ett toppvärde,'företrädes- vis grundtoppvärdet, för referensgasen A,¿}XA (i ampere) över- vakas. Förutsatt att referensgasen A som införes i systemet är likformigt fördelad i avgasen erhålles sålunda följande ekva- tioner (5) och (6):_ 7809502-3 // ' lO i vilka AXA, Q, P och 4qA har de i det föreoående angivna be- tydelserna, SA (i ampere/tbrr) är ett känslighetsvärde för masspektrometern 7 för referensgasen, samt APA betecknar en förändring av partialtrycket av referensgasen i avgasen. Av ekvationerna (5) och (6) erhålles direkt följande ekvation (7): = - Ja fra Sålunda kan qco och°qC0 direkt beräknas enligt följande ekva- . 2 tioner (8) och (9), 'D n a mi; Hc Ü = frfsiïrf* = " 3:1...- | áQ-:pøpco . , .

F r~ " q :LFÛ n ?'*~^ .iii-l = _-J-::_:-__'AÜ--'I?n~ Inn -»¿ t:2 1- AAA 1- to av de beräknade värdena av PCO och PCO , det uppmätta värdet av förändringen av flödesmängden av rešerensgasen,¿§qA, det uppmätta värdet av förändringen av jonisationsströmmen för .grundtoppen för referensgasen,A.XA, och det kända eller förut- bestämda känslighetsvärdet för masspektrometern för referens- gasen, SA.

Bestämning av avkolningsmängden.

Man kan uttrycka avkolningshastigheten för stâlsmältan vid tidpunkten t, -%%-, på följande sätt: I-tgqccüc) -a- qcoa-I-J) (10) i vilken qCo(t) och qCO2(t) är mängder av CO respektive C02 vid tidpunkten t under avkolningsprocessen och K är en kon- stant. Avkolningsmängden vid tidpunkten t,¿)C (i procent) kan sålunda bestämmas på följande sätt: AC f= Väl-Wi) Eqcoífi) + qcøgfd] *c+3 (11) 7809502-3 ll' vari K' är en konstant, W(t) är en funktion av tiden t som hänför sig till den förväntade vikten av metallsmältan vid tid- .punkten t och B är en förskjutningskoefficient.

Genom övervakning av Xlz, Xl4, X28, X44 och.AXA med hjälp av masspektrometern 7 samt även.4qA med hjälp av flödesmätarna 13, 16 eller 24 kan sålunda avkolnjngsmängden för stålsmältan AC (i procent) bestämmas. Bestämningen kan genomföras ögon- blickligen genom överförande av utsignalerna från masspektro- metern och flödesmätaren till en dator med ett program för lös- ning av ekvationerna (l) till (4) och (8) till (ll) för "real time"-bearbetning.

Enligt en utföringsform av förfarandet enligt uppfinningen un- derkastas provet av den intima blandningen av avgas och refe- rensgaser spektrometrisk övervakning beträffande jonisations~ strömmarna för de toppvärden som uppträder vid masstalen 12, 14, 28 och 44 samt för jonisationsströmmen för grundtoppen (parent peak) för referensgasen. Partialtrycken av CO och C02 i provet beräknas utgående från de uppmätta värdena av jonisa- tionsströmmarna för topparna vid masstalen 12, 14, 28 och 44, mängderna av CO och C02 i provet beräknas av de beräknade vär- dena av partialtrycken för CO och C02, det uppmätta värdet av mängden av referensgas i blandningen eller värdet av dess förändring med tiden, samt det uppmätta värdet av jonisations- strömmen för grundtoppen för referensgasen eller värdet av dess förändring med tiden, och hastigheten eller mängden av avkolning av stålsmältan vid övervakningstidpunkten bestämmes av de beräknade värdena av mängderna av C0 och C02 i provet.

Enligt en annan utföringsform av förfarandet enligt uppfinningen underkastas provet av den intima blandningen av avgas och refer- rcnsgaser masspektrometrisk övervakning beträffande X44, jonisa- tionsströmmen för en topp som uppträder vid masstalet 44, Xn och Xm valda från gruppen bestående av Xlz, XI4 och X28, jonisa- tionsströmmarna för toppar som uppträder vid masstalen 12, 14 respektive 28, samt X , jonisationsströmmen för grundtoppen för referensgasen; qCO+qCo , summan av mängderna av CO och C02 i 2 7809502-3 12' provet, bestämmes enligt ekvationen: -_ CI . : ' '--M ' CLVO+ _ JA* Lfil i vilken¿]qA är förändringen med tiden av värdet av den upp- mätta mängden av referensgas i blandningen ¿2XA är förändringen av XA med tiden, al, az och a3 är konstanter som bestämmas i förväg genom genomförande av ståltillverkningsprocessen minst tre gånger, Q är en förskjutningskoefficient och qcO+qCO , XA, Xn, Xm och X44 har de i det föregående angivna betydelserna, och varvid hastigheten eller mängden av avkolning av stålsmäl- tan vid övervakningstidpunkten bestämmes av det på detta sätt bestämda värdet av qCO+qC0 . För att förklara denna utförings- form kan man antaga ett fail varvid Xl4 och X28 selektivt över- vakas förutom X44 och X . Av ekvationerna (2) till (4), (8) A och (9), kan man erhålla följande ekvation J°« /-' “_ Qcoj'@cø2 ” "§É:_'(¿1X1h*"a2X2ö *'¿3*;4> "° (12'> i vilken al, a2 och a3 har följande betydelse f.

”L 1 “l ' ”.:t:»-11;- " ”zazfla SA ”NZ -14 az : Û __ _ - Sco ~co-14““1~:2-14 J - 7 *SA SA ^co2-28 -'NZ-14 2-3 : . _- _ Scoz Sco "co-14 ' "NZ-14 Eftersom al, az och a3vär konstšnter för systemet i fråga, så- som angivits i det föregående, kan det bestämmas i förväg ge- nom upprepande av samma process minst tre gånger. Sedan al, az och a3 förutbestämts är det möjligt att bestämma qCO+qCo , sum- man av mängderna av CO och C02 i provet enligt ekvationen: ~ JC Å °-c<>+ Qcc» = f h N f\\ 7809502-3 13 i vilken a är en förskjutningskoefficient, genom övervakning av¿]qA,A XA, XI4, X28 och X44. Av det på detta sätt bestämda dC 'värdet av qco + qco , kan avkolningshastigheten (- dt ) och den avkolade mängden (A(2) vid övervakningstidpunkten bestäm- mas enligt ekvationerna (10) respektive (ll).

Den andra utföringsform som beskrivits ovan är fördelaktig ge- nom att det icke är nödvändigt att i förväg bestämma de olika känslighetsvärdena S och mönsterkoefficienterna R . Denna ut- föringsform är särskilt användbar när ett flertal smältor upp- repat framställas under väsentligen samma betingelser med sam- ma anläggning.

Enligt ytterligare en utföringsform av förfarandet enligt upp- finningen varvid man använder Ar såsom referensgas underkastas provet av den intima blandningen av avgas och referensgaser masspektrometrisk övervakning beträffande X28, X4O och X44, jonisationsströmstyrkorna för toppar som uppträder vid mass- talen 28, 40 respektive 44, och qco + qco , summan av mängder- na av CO och C02 i provet, bestämmes enliåt ekvationen: :Û ' - '+ - 'P+ ~ qn -i- qfw- Z I] _'*°'-'j=_ï 0 , C. Û,"'"'=_'_-__". f), I '_"'.“'_' flC_ +Û u O t, b ' J _ 2 ß .ägo A *Q-.r 3 _ .lr h' i vilken1ÛqAr är förändringen med tiden av värdet av den upp- mätta mängden Ar sâsom referensgas i blandningen,¿XX4O är för- ändringen med tiden av X4O, bl, b2, b3 och b4 är konstanter som förutbestämmas genom genomförande av ståltillverkningspro- cessen minst fyra gånger, och qcø + qco , X28, X4o och X44 har de i det föregående angivna betydelsernay samt hastigheten el- ler mängden av avkolningen av stålsmältan vid övervakningstid- punkten bestämmes av det på detta sätt bestämda värdet av qco + qcoz. Med antagande av att Q är den okända mängden avgas, P är det okända totaltryck hos avgasen, L är den okända mängden luft som suges genom huven 5, 7809502-si , -14 qo är mängden syre som blâses genom lansen 3 eller munstycket 18, C'Ar är halten av Ar i den blåsta syrgasen, T är mängden Ar som blåses genom münstycket 18, när sådan blåsning användes, C q är halten av N2 i luft, C ¿ är halten av Ar i luft, I S är känsligheten hos masspektrometern för Ar, P är partialtrycket av Ar i provet.

[IP är förändringen av P r med tiden, A qAr är mängden av Ar i avgasen, AqAr är förännçingen av qAr med tiden som orsakas av införandet av Ar såsom referensgas, och AX4O är förändringen av X4O med tiden, kan följande ekvationer upnställas: ~ % s a _ p _ _ 3 _ P 'W " ”qz-rr/A xi-.r _ “-.f;;«~-/Pco - qco/Pco " “ln/PN - qAr/ Ar --<13) å 2 c. 2 AIH0 = ÉLI' A P¿r och IÄO 3 SAr"PAr I '°' (lg) (blir. z: _ °" qJ-.r “z C,~._1~'b'í"^+ klinrqOñ + 111.1" (16) Av ekvationerna (3), (4) och (13) till (16) erhålles följande ekvation: ~y- 1.1' qçgi-QCO : bï"¿šÉ“'AQ« +WL~:ä-¶q. +ï%~:ïï-¶u. +b --(17) 2 á “låo 'ur 4-)+O lår J .\x1_ - .iir h' i vilken bl, b2, b3 och b4 har följande betydelser: b b 1 = SAr/Sco 2 = SN2/Sco ' CN2/CAr 3 = Sfp/Scoz ' ”C02-2a'SAp/Sco h b: 5"? 'l-“OC7T f- -' .q ' Tfw-w) oc L H2 CJ :12 _ :LT År T .ni 7809502-3 Eftersom bl, b2, b3 och b4 är konstanter för ifrågavarande system, såsom angivits i det föregående, kan de förutbestämmas _genom upprepande av samma process minst fyra gånger. Sedan bl, b2, b3 och b4 förutbestämts är det möjligt att bestämma qCO+ qcoz enligt ekvationen (17) genom övervakande av X28, X4o, X44, X4O och¿AqAr. Av de på detta sätt bestämda värdena av qco + qco kan avkolningshastigheten (- -åë-) och avkolningsmängden (AC? vid övervakningstidpunkten bestämmas enligt ekvationerna -(10) respektive (ll).

Baserat på den bestämda avkolningsmängden eller avkolnings- hastigheten regleras stålsmältan under avkolningsprocessen till önskade betingelser. I synnerhet när avkolningsprocessen genomföras i ett flertal steg regleras kolhalten i stålsmältan vid slutpunkten av varje steg till ett förutbestämt värde ge- nom lämplig justering'av mängden blåst syre samt tryck och proportioner av denfblandade blåsningsgasen, tillsats av le- geringselement, avlägsnande av slagger och andra parametrar som påverkar systemet.

Den referensgas som användes vid ett förfarande enligt uppfin- ningen bör vara icke-reaktiv i förhållande till avgasen och bör icke denatureras i avgasen. Vidare bör referensgasen kunna mätas noggragt med masspektrometern oberoende av förändringar av temperatdk och flöde av referensgas. I allmänhet är en inert gas, exempelvis Ar, He eller N2, lämpad för användning såsom referensgas enligt uppfinningen. I samtliga fall bör emellertid det ställe i anläggningen där referensgasen inblåses i systemet och sättet för inblåsning (exempelvis om gasen inblåses konti- nuerligt eller intermittent) väljas på lämpligt sätt beroende på arten av referensgasen ifråga. Ifråga om Ar eller He kan re- ferensgasen införas i systemet genom endera av lansen 3 (figur 1), tättan 18 (figur 2) och referensgasinloppsröret ll. Vid använd- ning av N2 bör blåsning av gasen genom lansen 3 eller tättan 18 undvikas för att undvika reaktion av gasen med stålsmältan, var- för N2 såsom referensgas lämpligen införes i systemet genom re- ferensgasinloppsrörct ll. När Ar såsom referensgas införes i systemet genom lansen 3 eller tättan 18 är det i allmänhet lämp- 7809502-3 16' ligt att införa Ar-referensgasen intermittent och att övervaka ¿qA och¿1XA. Ifråga om He kan denna gas införas intermittent .i.systemet men deteär även möjligt att kontinuerligt införa ga- sen'genom lansen 3 eller tättan l8 och övervaka qA och XA. In- termittent införing av referensgasen är fördelaktig genom att störningar beroende på icke avsedd eller tillfällig införing av en gas som är identisk med referensgasen kan förhindras.

Såsom angivits i det föregående kan referensgasen beroende på dess art införas i systemet genom inblåsning genom lansen 3 eller tättan 18 mot eller i stålsmältan som framställes i kon- vertern l. I ett sådant fall säkerställes homogeniteten hos provet, dvs. likformig fördelning av referensgasen i avgasen.

Om emellertid referensgasen införes i strömmen av avgas i kana- len 6 genom referensgasinloppsröret ll bör man tillse att prov- tagningsstället i kanalen 6 är lämpligt beläget i förhållande till det ställe där referensgasen införes i kanalen 6 så att en intim gasblandning av avgasen och referensgasen kan prov- tagas. Det har visat sig att provtagningen bör genomföras i kanalen på ett ställe beläget en sträcka D (i centimeter) ned- ströms i förhållande till införingsstället för referensgasen i kanalen 6, som uppfyller följande samband: R _ D > 0.8 _A- - o.8Ls i vilket R är minimiflödet (liter/min.) av avgasen i kanalen 6, A är tvärsektionsarean (i cmz) hos kanalen samt Ls är den lin- jära minimihastigheten hos strömmen av avgas i kanalen 6 (i_lO3cm/min.).

Vid genomförande av uppfinningen bör åtminstone en mätbar mängd av referensgasen användas. Beroende på känsligheten för refe- rensgasen hos den använda masspektrometern kan 0,001 volympro- cent eller mer, beräknat på mängden avgas, av referensgasen typiskt införas i systemet vid införingstillfället. Det är up- penbarligen lämpligt att använda referensgasen i minsta möjliga mängd med vilken mätningarna kan genomföras effektivt.

Uppfinningen beskrives närmare med utföringsexempel. 7809502-3 17 Exempel l I en 40 tons konverter som visas på figur l avkolades cirka -40 ton stålsmälta genom blåsning av syrgas genom en lans 3. Ut- gångssammansättningen hos stålsmältan var 2,35 - 3,05 procent C, cirka 8,9 procent Ni, cirka 18,0 procent Cr, cirka 0,5 pro- cent Mn och cirka 0,4 procent Si. Den avsedda kolhalten i stål- smältan vid slutpunkten var 0,30 procent. Vid genomförande av avkolningsprocessen infördes varierande kända mängder av argon genom lansen 3. Avgasen provades med en sugpump 10 genom ett provinloppsrör 8 och filter 9 till ett provinloppssystem i en masspektrometer 7, och jonisationsströmmen vid ett masstal av 40 (XA), som varierade i överensstämmelse med den i systemet genom lansen 3 införda mängden argon,uppmättes. Förändringen av jonisationsströmmen vid m/e = 40,¿¿XA, visade sig vara vä- sentligen proportionell mot förändringen av mängden infört ar- gon,,5qA, såsom visas på figur 3. Av lutningen av kurvan på fi- gur 3 bestämdes masspektrometerns 7 känslighet för argon.

Tillvägagångssättet vid de ovan beskrivna preliminära prov- ningarna upprepades med undantag av att man användervarierande kända mängder argon som infördes i kanalen 6 genom referensgas- inloppsröret ll. väsentligen samma resultat som det på figur 3 visade erhölls.

Vid ytterligare en preliminär provning, varvid stålsmältan av- lägsnats från konvertern och blåsning av syre icke genomfördes, övervakades förändringen av jonisationsströmmen¿1XA med för- ändringen av mängden argon som infördes i kanalen 6 genom refe- rensgasinloppsröret ll. Likartade resultat erhölls. vid den vid de förberedande försöken använda konvertern genom- fördes 42 smältningar av rostfritt stål. I varje smälta behand- lades cirka 40 ton smält stål med den 1 det föregående angivna utgångssammansättningen i konvertern l genom blåsning av syre mot stålsmältan genom lansen 3. Den avsedda kolhalten vid slut- punkten var 0,30 procent. För smältorna nr 1 till 20 infördes argon såsom referensgas intermittent i systemet genom en flödes- mätare l6, rörledning 15 och lansen 3 såsom beskrivits i det ra: har? ' 78Û95Û2-3 18' föregående, före och efter blåsningen med syre, och för smäl- torna 2l till 42 infördes argon såsom referensgas intermittent ' i'kanalen 6 genom flödesmätaren 13 och referensgasinloppsröret llffffvarje smälta utgjorde flödet av infört argon 500 liter per minut och flödet stoppades varje 2,5 minut under en tid- rymd av 60 sekunder. Vid varje smälta infördes kontinuerli"t ett prov av avgasen, dvs. den intima blandningen av avgas och referensgas, genom provinloppsröret 8 och filtret 9 med sug- pumpen 10 till provinloppssystemet hos masspektrometern 7.och övervakades kontinuerligt beträffande jonisationsströmmarna X12' X14' X28' X44 °°h X4o' X4o men för grundtoppen för Ar, som uppträder vid m/e = 40. De upp- mätta värdena registrergdes i en snabbskrivare och bearbetades representerar jonisationsström- med en dator med ett program för lösning av ekvationerna (l) till (4) och (8) till (ll) för bestämning av avkolningsmängden C i procent. De värden som erhölls för smältorna l till 5 och Zl till 25 användes för beräkning av förskjutningskoefficienten B i ekvationen (ll). Massfaktorn W (t) som avser den förväntade vikten av stålsmältan vid tidpunkten t, bestämdes separat i förväg för varje smälta med datorn utgående från utgångsvikten av stålsmältan.

/ För varje smälta bestämdes den verkliga halten kol i stâlsmäl- tan, C akt. procent vid slutpunkten av processen genom provtag- ning och efterföljande kemisk analys. För samtliga smältor 6 till 20 och 26 till 42 bestämdes skillnaden mellan det värde av C i procent som uppmätts masspektrometriskt med förfarandet enligt uppfinningen och värdet C akt. procent, som verkligen uppmätts genom kemisk analys och visade sig ligga inom området i 0.04 procent med undantag för en smälta.

Vid detta exempel infördes argon som referensgas intermittent i systemet och skillnaden mellan värdet av X4o som erhölls när argon infördes och värdet av X4O som erhölls när argontillför- seln avbröts, dvs.,AXa, övervakades för minimering av eventu- ella störningar av X4o beroende på argon som närvarade i den blåsta surgasen (normalt 0,2 - 0,3 procent Ar i syret) liksom argon som närvarar i atmosfärsluften och insuges i huven 5 7809502-3 13' (normalt cirka 0,93 procent argon i atmosfärsluft).

'Exempel 2 Med användning av en l00 kg modell AOD-ugn som visas på figur 2 framställdes l4 smältor av rostfritt stål.

Förberedande försök likartade med de som angives i exempel l visade att¿1XA var väsentligen proportionellt mot ¿qA för helium såsom referensgas. Känsligheten hos masspektrometern för helium bestämdes.

För samtliga smältor var utgångssamzansättningen hos stålsmäl- tan: 0,65 - 1,20 procent C, cirka 8,9 procent Ni, cirka 18,0 procent Cr, cirka 0,5 procent Mn och cirka 0,4 procent Si, och blåsningsprocessen genomfördes med avsikt att åstadkomma en sluthalt av 0,060 procent kol. Blåsningsprocessen var, såsom i verkliga AOD-ugnar, uppdelade i tre steg, ett första steg i vilket mängdförhållandet av flödet av 02 : Ar var 3:1, ett andra steg i vilket mängdförhållandet av flödet 02 : Ar var 2:1 och ett tredje steg i vilket flödesförhållandet av 02 : Ar var 1:2, samt genomfördes med ett schema innefattande blåsning som avpassats med förberedande försök så att kolhalterna vid slutet av det första, det andra och det tredje steget blev cirka 0,25 procent, cirka 0,15 procent respektive cirka 0,06 procent. För smältorna nr l - 10 inverterades ugnen l icke från slutet av det första steget till slutet av det tredje steget, och för smältorna ll - 14 genomfördes processen utan invertering av ugnen under hela processen. Vid varje smälta infördes helium såsom referensgas kontinuerligt till systemet genom munstycket 18 såväl under som före och efter blåsningsprocessen efter nog- grann uppmätning med flödesmätaren 24. Den inblåsta mängden helium var av storleksordningen 2 liter per minut. Ett prov av avgasen infördes kontinuerligt genom provinloppsröret 8 och filtret 9 till provinloppssystemet hos masspektrometern 7 och övervakades kontinuerligt beträffande jonisationsströmmarna Xlz, Xl4, X28, X44 och X4. X4 betecknar jonisationsströmmen för grundtoppen för He, som uppträder vid m/e = värdena av dessa jonisationsströmmar bestämdes avkolningsmäng- 4. Av de uppmätta * _ _, i, f, _ 7809502-3 den C procent på det sätt som angives i exempel l. Den verk- liga kolhalten hos stålsmältan, C akt. procent bestämdes ke- miskt vid slutpunkten av processen för varje smälta. Skillna- den mellan värdet av C procent som bestämdes masspektrometriskt med förfarandet enligt uppfinningen och värdet C akt. procent som bestämdes genom kemisk analys låg inom intervallet 1 0,01 procent för varje smälta.

Enligt detta exempel infördes referensgasen helium kontinuer- ligt i systemet och X4 övervakades. Det har visat sig att joni- sationsströmstyrkan vid m/e = 4 icke störes väsentligt av he- lium som kan förefinnas i 02, Ar och luft som införes i syste- met. Detta antages bero på att heliumhalten i dessa gaser är låg, av storleksordningen lO_3 - 10-4 procent. När sålunda helium användes såsom referensgas kan helium införas i syste- met kontinuerligt.

Uppfinningen medför olika fördelar. Sålunda kräves icke prov- tagning från stålsmältan som framställes vid genomförande av förfarandet enligt uppfinningen varför det icke är nödvändigt att stoppa blåsningen och invertera ugnen för provtagning. Det förhållandet att den ringa volym av prover kan vara tillräck- lig för mätningarna medför att de organ som kräves för filtre- ring av proverna kan vara enkla och att tidrymden för över- föring av dessa prover till masspektrometern blir kort. Vidare kan halten av CO och C02 i den provade gasen bestämmas samti- digt med ett och samma instrument inom en kort tidrymd av stor- leksordningen milli-sekunder utan atttman behöver mäta mängden av hela avgaskvantiteten. Efter de övervakade parametrarna (jonisationsströmmarna) är av elektrisk art kan de enkelt di- rekt överföras till en lämplig skrivare och dator för realtid- behandling. Det är sålunda möjligt att bestämma mängden eller hastigheten av avkolningen i varje ögonblick. Vidare är denna bestämning noggrann och tillförlitlig.

Uppfinningen har i utföringsexemplen beskrivits i samband med processer för framställning av rostfritt stål i en toppblåst Ü\ 7809502-3 21 konverter eller AOD-ugn, men förfarandet enligt uppfinningen är även användbart vid framställning av vanligt stål och/eller _avkolning av smält stål i andra ugnar förutsatt att processen genomföres under atmosfärstryck och att avgasen innehåller CO, C02 och N2. Istället för reglering av stålframställnings- processen med integrering av C procent enligt ekvationen (ll) och utgångs- C procent, kan förfarandet även regleras med an- vändning av avkolningshastigheten bestämt vid en viss tidpunkt i kombination med en avkolningsmodell som förutbestämmes sepa- rat för det speciella stål som framställes. Om utgångsvärdet av C procent icke är tillräckligt tillförlitligt av något skäl kan C-halten i procent i stålsmältan bestämmas kemiskt vid ett visst stadium och utnyttjas istället för det förstnämnda värdet.

Olika modifikationer är uppenbara för fackmannen utan att man avviker från uppfinningstanken.

Claims (5)

78095Û2-3 æ PATENTKRAV
1. l. Förfarande för reglering av en stålframställningsprocess innefattande avkolning av smält stål under atmosfärstryck och bildning av en avgas innehållande CO, C02 och N2, varvid man bereder en intim gasblandning av avgasen och en uppmätt mängd av en referensgas, som är inert i förhållande till avgasen, genomför masspektrometrisk övervakning av ett prov av denna intima blandning beträffande jonisationsströmmarna för valda toppvärden till vilka CO, C02, N2 och referensgasen i provet hänför sig, bestämmer avkolningsgraden för stålsmältan vid Iövervakningstidpunkten utgående från de uppmätta värdena av mängden av referensgas i blandningen samt de uppmätta värdena av jonisationsströmmarna för de valda topparna, samt reglerar stålframställningsprocessen i överensstämmelse med det bestämda värdet av avkolningshastigheten eller avkolnings- mängden för stålsmältan, k ä n n e t e c k n a t därav, att den intima blandningen av avgas och referensgas beredes genom införing av en uppmätt mängd av referensgasen i strömmen av avgas, samt att provet uttages för masspektrometrisk analys på ett ställe beläget på en sträcka D (i centimeter) nedströms från stället för införing av referensgasen i strömmen av avgas, varvid D uppfyller sambandet: D ) 0.8Ls i vilket Ls är minimivärdet av linjära strömningshastigheten av strömmen av avgas (i 103 cm/min.).
2. 2. Förfarande enlig* patentkravet l, k ä n n e t e c k n a t därav, att provet övervakas masspektrometriskt beträffande jonisationsströmmarna för toppar som uppträder vid masstalen 12, l4, 28 och 44, samt beträffande jonisationsströmmen för huvudtoppen för referensgasen, varvid partialtrycket av CO och C02 strömmarna för toppvärdena vid masstalen 12, 14, 28 och 44, i provet beräknas av de uppmätta värdena av jonisations- 23 7809502-3 samt mängderna av CO och C02 i provet beräknas utgående från beräknade värden av partialtrycken av CO och C02, det uppmätta värdet av mängden referensgas i blandningen eller värdet av dess förändring med tiden, samt det uppmätta värdet av jonisa- tionsströmmen för huvudtoppen för referensgasen eller värdet av dess förändring med tiden, samt avkolningshastigheten eller ~~avkolningsmängden för stålsmältan vid övervakningstidpunkten bestämmes utgående från de beräknade värdena av mängden av CO och QQ2.
3. 3. Förfarande enligt patentkravet l eller 2, k ä n n e - t e c k n a t därav, att referensgasen är Ar, He eller NZ samt införes intermittent eller kontinuerligt i strömmen av avgas.
4. 4. Förfarande enligt något av patentkraven l-3, k ä n n e - t e c k n a t därav, att provet underkastas masspektrometrisk övervakning beträffande X44, jonisationsströmmen för ett topp- värde som uppträder vid masstalet 44, Xñ och Xm väljes bland gruppen bestående av Xlz, XI4 och X28, jonisationsströmmarna för toppvärden som uppträder vid masstalen 12, 14 resp. 28, samt XA, jonisationsströmmen för huvudtoppen för rcferensgasen, qco + qcø , summan av mängderna av CO och C02 i provet, bestämmes enligt ekvationen: JQ QCO+ qc A 02 == -( alXn + azXxr. + .'13X1+1_,) + d 4JXA i vilken.áqA är förändringen med tiden av värdet av den upp- mätta mängden av referensgasen i blandningen, AXA är föränd- ringen av XA med tiden, al, az och a3 är konstanter som förut- bestämmes genom genomförande av stålframställningsprocessen minst tre gånger, Ok är en förskjutningskoefficient, och qco + qco , XA, X , X och X44 har de i det föregående angivna be- tydålserna, samt avkolningshastigheten eller avkolningsmängden för stålsmältan vid övervakningstillfället'bestämmes av de på detta sätt bestämda värdena av qco + qco- . 2 7sn9so2f3 24 à
5. 5. Förfarande enligt något av patentkraven l-4, k ä n n e t e c k- n a t d ä r a v, att man använder Ar såsom referensgas samt underkastar provet masspektrometrisk övervakning beträffande Xzs' X4o °°h X44' uppträder vid masstalen 28, 40 respektive 44, varvid qC0+ summan av mängderna av CO och C02 i provet, hestämmes jonisationsströmmarna för toppvärden som I med ledning av ekvationen: Xno _ Km b. qco +°1co2 '"' 2 A :grå qzuf* °3 4 :gm '4 qir* L» i vilker¿2qAr är förändringen med tiden av värdet av den upp- mätta mängden Ar såsom referensgas i blandningen,¿|X4o är för- .ändringen med tiden av X4o, bl, b2, b3 och b4 är konstanter som är förutbestämda genom genomförande av stålframställnings- processen minst fyrä gånger, samt qCO+qCO2, X28, X4O och X44 har de i det föregående angivna betydelserna, samt avkolnings- hastigheten eller avkolningsmängden för stålsmältan vid över- vakningstidpunkten bestämmes av det på detta sätt bestämda vär- det av qCO+qCO2.