Способ определения содержания водорода в жидкой стали в ковше

(51)5 О 01 й 7/00 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ У СВИДЕТЕЛЬСТВ К АВТОР ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВОДОРОДА В ЖИДКОЙ СТАЛИ ВКОВШЕ(57) Изобретение относится к металлургии иможет быть использовано для экспрессногоопределения водорода в жидкой стали впроцессе ее выплавки. Целью изобретенияявляется повышение достоверности определения соединения водорода, Жидкий металл барботируют пузырьками инертного Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к сталеплавильному производству и производству стальных отливок, но может быть также использовано для определения содержания водорода в любом жидком металле,Цель изобретения - повышение достоверности определения содержания водорода.Содержание азота в пробе газа, соответствующее азоу в стали с учетом кинетических затруднении при выделении его в пузырьки аргона, для сталей, не легированных азотом, сравнительно мало, и верхний уровень ео в зк ожных значений легко газа, осуществляют отбор пробы газа под крышкой ковша или погружаемым колоколом при давлении 20 - 400 мм вод, ст, и определяют в ней содержание водорода с последующим пересчетом его на содержание водорода в жидкой стали на основе закона Сивертса, Чтобы исключить возможность искажения результата за счет случайного попадания в объем пробы водорода извне, наряду с определением водорода в потоке пробы определяют содержание азота, сравнивают его с максимально возможным содержанием азота во всплывающих пузырьках газа, который определяют предварительно для принятых конкретных условий продувки. При этом для пересчета на содержание водорода в стали используют величины тех значений годержания водорода в пробе газа, при которых величина значений содержания азота в пробе газа меньше величины максимально возможного значения содержания азота во всплывающих пузырьках газа, 1 з, и. ф-лы, 2 табл. предсказать заранее, Поэтому превышение этого уровня будет свидетельствовать о недостаточной промывке улавливаемым газом замкнутого обьема, в который этот газ улавливается, или о негерметичности устройств отбора и транспортировки пробы газа, При отборе пробы газа с по; держанием положительного давления под крышкой ковша или приемником-колоколом, например, за счет увеличения расхода барботирующего газа аргона, негерметичность этих устройств не может привести к за рчзнению пробы газа воздухом из окружающ о пространства.Предпосылки, де;клч(ие в основе изобретения, являются слл) ющими.Равновесное содержание азота в пузырьках аргона, всплывающих из металла, подобно водороду, с содержанием азота в металле связано по закону Сивертса: ния (20 - 400 мм вод. ст.) исключает захват воздуха в пробу газа,Характер изменения содержания азота в текущей пробе газа может служить информацией об источнике попадания азота в пробу,55 Если при отборе пробы, отбираемой сразрежением под колоколом или под крышкой ковша, содержание азота снижается и где Ки - коэффициент Сивертса, численно равный растворимости азота в данной стали при давлении его в газовой фазе, равном 1 атм;(Ж,Щраен - равновесное содержание азота в инертном газе после выхода иэ металла;Робщ - общее давление газовой фазы над металлом.Исследования показывают, что если для водорода допущение о равенстве фактического и равновесного его содержаний в большинстве случаев близко к истине, то содержание азота в барботирующем газе (например, аргоне) на выходе из металла из-за меньшей диффузионной его подвижности составляет лишь 10 - 30 от равновесной величины, т.е.;(Й 2)факт=(0,1-0,3)(Й 2) раен (2) Содержание азота в готовой стали в подавляющем большинстве случаев соответствует соотношениюй, =(0,1 - 0;2)Км. (3) Для нелегированных сталей и конструкционных легированных сталей с невысоким, (менее 5%) содержанием легиующих элеМентов Ки=0,04-0,05,атмпри температурах разливки. Учитывая это, из выражений (1) - (3) приходим к заключению, что содержание азота в пробе газа, обусловленное переходом азота из металла во всплывающие пузырьки аргона, должно быть в пределах 0,1 - 1,2 о .Присутствие азота более 1,2 в пробе газа говорит либо о недостаточной промывке свободного пространства под крышкой ковша или приемника-колокола от первоначально заключенного в них воздуха, либо о захвате воздуха из атмосферы при улавливании пробы газа для анализа.Отбор пробы газа из-под крышки ковша или приемника-колокола с поддержанием под ними небольшого избыточного давлеустанавливается на стабильном уровне в пределах 0,1-1,2%, то это говорит о том, что промывка всплывающим из металла газом внутреннего объема улавливающего устройства закончена, проба газа не искажена разбавлением воздуха и реакцией с ним. В этом случае результат анализа пробы газа на водород соответствует содержанию водорода в металле по закону Сивертса.Если после снижения содержания азота и стабилизации на уровне 0,1 - 1,2 отмечен кратковременный всплеск содержания азота с четкой тенденцией повторного последующего снижения, произошел захват воздуха под нижнюю кромку колокола или под крышку ковша, При этом, в случае отбора газа колоколом, следует несколько увеличить заглубление колокола или перейти на отбор пробы при положительном давлении под колоколом. Для получения представительного замера следует вновь дождаться снижения содержания азота до стабильного уровня 0,1 - 1,2 о Если содержание азота в пробе газа после установки крышки ковша или приемкика-колокола снижается, но стабильно устанавливается на уровне, который лежит существенно выше уровня, соответствующего содержанию азота в стали, то можно предположить негерметичную установку крышки ковша или наличие трещины в приемнике-колоколе, а также неплотность .в тракте транспортировки пробы. Получение представительного анализа водорода возможно в этом случае только при переходе на отбор пробы газа под положительным давлением.Пределы положительного давления под крышкой ковша или приемником-колоколом при отборе проб в предлагаемом изобретении продиктованы следующими условиями.При избыточном давлении менее 20 мм вод. ст исчезает гарантия исключения захватов воздуха при местном оголении кромок погруженного в расплав колокола вследствие колебания поверхности расплава или подсосов воздуха под крышку ковша,При избыточном давлении свыше 400 мм вод. ст. необходимо дополнительное заглубление колокола в металл более, чем на 60 мм, что отрицательно сказь 1 вается на его стойкости. При отборе газа из-под крышки ковша усложняется уплотнение крышки, Кроме того, дальнейшее повышение давления не дает никаких преимуществ с точки зрения исключения загрязнений пробы газа.Определение содержания водорода в жидкой стали по предлагаемому способу осуществляется следующим образом, 167927245 50 55 З 1 эранее рассчитывают максимально возможное содержание азота во всплывающих из металла пузырьках аргона (о , Йгмакс ИЗ ФОРМУЛЫ, ВЫтЕКаЮЩЕЙ ИЗ (1);И 2 100 5 СЦ 100 (4К где аи - верхний предел отношения фактического содержания азота во всплывающих пузырьках аргона к равновесному содержанию, заранее выявляемый для принятого варианта устройства газоулавливания и режима продувки опытным путем;Ммакс - максимально возможное содержание азота в анализируемой стали при принятых условиях ее выплавки;Ки - коэффициент Сивертса, численно равный растворимости азота в выплавляемой стали под давлением 1 атм при типичной температуре разливки. 20Непосредственно в момент определения водорода погружают через шлак до металла устройство газоулавливания или накрывают ковш крышкой, продувают металл инертным газом и часть улавливаемого 25 газа направляют в газоэнализаторы. Анализ газа на водород или азот выполняется либо хроматографическим путем, с дискретной. выдачей результатов анализа, либо на приборах непрерывного действия. 30В типичном случае содержание азота в пробе газа по показаниям анализатора опу- СКЭЕТСЯ ДО УРОВНЯ НИЖЕ (Мгиакс д ЗатЕМ стабилизируется, В этот момент фиксируют содержание водорода в пробе газа по пока заниям анализатора на водород и рассчитывают содержание водорода в стали по формуле,: , где Роищ. = 1 атм, так как учет разрежения 40 или избыточного давления в устройстве газоулавливания из-за малости этих величин практически не влияет на результат.В случае получения нестабильного анализа азота в пробе газа следует увеличить глубину погружения колокола-устройства на 30 - 50 мм в расплав, вновь дождаться стабилизации анализа азота на уровне ни- жЕ ( , Мг)макс И ПО НОВЫМ ПОКаЗаНИЯМ СО- держания водорода в пробе газа произвести расчет содержания водорода в металле.В случае получения стабильного фона по содержанию азота в пробе газа, уровень которого однако существено выше величины (о , югмакс, необходимо увеличить расход аргона, подаваемого на фурму устройства газоулавливания, перейти на отбор пробы газа с положительным давлением в тракте гэзоотбора и повторить вышеуказанные действия, изложенные для типичного случая,П р и м е р 1. В 40-тонной электропечи выплавляли сталь марки ШХ 15 с рафинированием в печи под окислительным, затем под восстановительным шлаком. Коэффици(г, енты Сивертса для этой стали, атм при 1550 СКн=2,0 10 Ки=0,039;при 1600 С К,=2,1 10, Км=0,040, Содержание азота в готовой стали при указанной технологии - до 0,0080 . Для барботирования металла аргоном использовали погружаемую на глубину около 0,5 м футерованную фурму с диаметром сопла 2 мм, Для улавливания отходящих газов использовали устройство типа колокола диаметром 0,3 м. Заранее экспериментально бь 1 ло установлено, что максимально аи=0,30 для выбранных условийй продувки. Сл еда вател ь но, (7 ь, Мг)макс=1,2%. ПРобы газа анализиРовали на хроматографе,Перед разливкой при температуре метала 1560 С измерили содержание водорода в стали в ковше по предлагаемому способу. Содержание водорода в текущей пробе газа после погружения колокола в рабочее положение за 60 с увеличилось от нуля до 7,0 . Содержание азота в пробе за это же время опустилось до стабильного уровня 0,85%, что меньше максимально возможного в пузырьках аргона уровня 1,2%. Содержание водорода в жидкой стали1 н=2,0,10 1 1,0= 5,3 10 ,Контрольный отбор пяти проб металла с последующим их анализом на аппарате вакуум-плавления дал средний результат 5,1.10 "%,П р и м е р 2, В 100-тонной электропечи выплавляли сталь марки 40 Х одношлаковым процессом, с раскислением в ковше во время выпуска.Содержание азота в готовой стали - до 0,007 о . Коэффициенты Сивертса для этой стали,атм ; при 1550 С Кн=2,2510 , Кы=0,043; и ри 1600 С Кн=2,3410 Ки=0,044,Максимально возможный уровень содержания азота в пузырьках аргона при аы=0,30 составляет 0,8 .Перед разливкой в ковше при температуре металла 1580 С измерили содержание водорода по предлагаемому способу. Для имитации образования трещины в колоколе-приемнике предварительно просверлили в нем отверстие диаметром 5 мм.Через 60 с после погружения колокола в рабочее положение содержание азота в пробах газа опустилось до уровня 8 и нанем стабилизировалось. Этот уровень значительно больше (%, Щмакс, которое равно 0,8%, следовательно, проба загрязнена воздухом, Содержание волорода в пробе газа не поднималось выше 1,0%, что намного 5 ниже Ожидаемого и Говорит об окислении водорода в пробе кислородом воздуха,Рззреткение в.грэкте газоотбора в момен Определения содержания вОдородз со гТка 1 ц," 30 р ООД СТ 10":и подачу зрГОнз нз устройство пример:О втрое - до Ь лмин. В тракте гзэГГОтбоЗз устаОвилось Давление 80 мм вод. ст, Зз следующие 30 с, показания по анализу водорода поднялись до 2,8% .и 15 дальше не изменялись, з по анализу азота стабилизировались на 0,5%, что меньше(%, К 2)макс. СОДЕРЖЗНИС ВОДОРОДЗ В ЖИДКОЙ СТЗ- лиИ ,0=3,85 О%., 20 Контрольный отбор пяти проб металла с последующим их анализом нз аппарате вакуум-плавления дал средний результат7 10 025П р и м е р 3, В условиях примера 1 провели сериа опытов для выявления оптимальных пределов положительного давления в устройстве гззоотбора во время улавливания пробы отходящего газа, Ре зультаты приведень в табл. 1.В табл, 1 приняты следующие обозначе- НИЯ: ЬРизЬт - ПОЛОЖИТЕЛЬНОЕ ДаВЛЕНИЕ ПОД КОЛОКОЛОМ,К 2) макс - МаКСИМаЛЬНО ВОЗМОЖ- ное содеркэе азота в пробе газа, исходя из 35 содержания азота в металле при ат = 0,3; (М 2)факт - содержание азота в пробе газа через 1,0-2,0 мин От начала переделе ия; Щ- содержание водорода в металле, рассчитанное из показаний Газоан-лизаторз по содержзниО водорода в пробе газа; 40 Иконтр, - СодврЖЗНИЕ ВодорОда В МЕтаЛЛЕ по результатам анализа контрольных проб металла методом вакуум-плавления.Из приведенных в табл, 1 результатов в,Дно., что Достоверность способа ОпреДе 45 ления содержания водорода в жидкой стали дополительно повышзотся при положительном давлении под крышкой или погружземьм колоколом, равным 20-400 мм вод, са, (Опыт 3-8), Кроме того, результаты опытов показывают, что при избыточном давлении гтод колоколом менее 20 мм вод, ст, из-зз колебаний давления, вызванных всывэнием пузырьков аргона из глубины металла, не усраняется периодический подсос воздуха под колоколом через его повреждения, Это приводит к искажению анализа нз Мдород, При давлении свыше 400 мм вод, ст, возникают затруднения друГОГО рода; глубоко погруженные кромки колокола испытывают сильные удары от волнового характера движения барботируемого металла, что приводит к его разрушению.В качестве примера определения водорода по известному способу может служить опыт 3 в табл. 1. Занижение анализа на водород в металле на 1,510 % из-за попадания воздуха в пробу газа в этом опыте осталось бы незамеченным без контроля азота в пробе газа и результат анализа ошибочно был бы принят за истинный. Подобная ошибка (занижение анализа) неизбежна при любом незамеченном нарушении герметичности газоулэвливающего устройства, если проба газа отбирается с разрежением под ним. Ошибка неизбежна также при недостаточной промывке тракта гззоотбора улавливаемой пробой газа, т.е. при фиксации содержания водорода в анализируемом газе до установления соотно- ШЕНИЯ (М 2)факт (Г 2 ГмаксКоличественная оценка повышения достоверности определения водорода в жидкой стали на основе анализа отходящего газа при барботировании стали аргоном может быть сделана по результатам лабораторных опытов, проведенных на стадии его освоения и разработки предлагаемого варианта этого способа, Опыты проводили на массе металла 40 кг при температуре 1600.+20 С, с продувкой раскисленного металла аргоном через дно тигля со скоростью около 1 л/мин, с улавливанием отходящего газа кварцевым колоколом диаметром 60- 80 мм и анализом его через 90 с от начала улавливания на хроматографе через фиксированные промежутки времени. Параллельно с отбором проб газа отбирали пробы металла с последующим их анализом на водород методом вакуум-плавления, Результаты определения водорода по газовой фазе считали достоверньми, если их отличие от анализа пробы металла не превышало 0,41,0 %, Обобщенные данные опытов приведены в табл. 2,Таким образбм, из приведенных данных следует, что предлагаемый способ определения водорода в жидкой стали позволяет определять водород более достоверно, чем известный способ, так как в последнем контроль чистоты Отбираемой для анализа пробы газа вообще не предусмотрен. Кроме того, отбор пробы газа под положительным давлением, также не предусмотренный в из-. вестном способе, позволяет по ходу определения водорода исправлять погрешности определения, позволяет снизить требования к герметичности гаэоулавливающего устройства.1679272 Таглица 1 2)рктн г11)контрРеа улвтат опдт Д Рат ( БДмм вод.ст, 7 1, 0-3,5 0,9 0,6 0,5 1,О 0,7 0,4 5,5 3,545 37 5,З 3,7 5,6 4,0 З,7 4,4 3,8 5, 4,0 5,5 1,5 1,З 0,9 0,8 1,7 О,6 1 О 20 50 80 зоо 400 6 ОО 3 4 5 , 6 7 8 9 Длительность определения водорода в металле в известном способе и предлагаемом в типичном случае одинакова, тэк как определение азота в пробе газа проводится параллельно с ее анализом на водород. Од нако при отклонениях от нормального хода определения (слабый поток пробы газа, затянувший промывку ею тракта газоотбора, подсос воздуха и т.п.) по известному способу получают неверный результат по водоро ду в металле, а предлагаемый способ позволяет принять соответствующие меры для исправления хода и с некоторой задержкой выдать правильный результат.11 оскольку в известном способе и в 15 предлагаемом на содержание водорода при идентичных условиях анализируется одна и та же проба газа, содержание водорода в газе определяется с одинаковой точностью, Усовершенствование, вносимое предлэгае мым способом, заключается в контроле представительности анализируемой пробы газа через дополнительное определение в ней содержания азота, т.е, в контроле (через азот в газе) правомочности использования 25 полученного анализа водорода в пробе газа для расчета содержания водорода в металле по закону Сивертса, Кроме того, усовершен- ствование заключается в устранении погрешностей, вносимых первоначальной или 30 возникшей негерметичностью устройства газоулавливания за счет исключения подсоса воздуха в пробу газа путем создания положительного давления под устройством газоулавливания. 35Использование способа определения содержания водорода в жидкой стали позволяет шире внедрять экспресс-анализ стали на водород перед разливкой стали. Это позволяет в паспорт плавки внести со держание водорода в металле и, таким образом, назначить после прокатки для заготовок каждой плавки оптимальный режим противофлокенной термообрэботки,В литейном производстве внедрение способа может способствовать осуществлению мероприятий по повышению качества отливок из стали.Формула изобретения 1. Способ определения содержания водорода в жидкой стали в ковше, включающий барботирование стали пузырьками инертного газа, например аргона, улавливание всплывающих пузырьков газа под крышкой ковша или погружаемым колоколом, отбор проба газа и определение в нем содержания водорода с последующим пересчетом его на содержание водорода в жидкой стали на основе закона Сивертса, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью повышения достоверности определения содержания водорода, в потоке пробы газа наряду с водородом определяют содержание азота и для пересчета на содержание водорода отбирают те анализы газа, для которых соблюдается соотно- шение(дЙЧ )макс 1002КЙгде(М 2, 6) - содержание азота в пробе газа;аи - максимальное значение отношения фактического содержания азота во всплывающих пузырьках аргона к равновесному с металлом при выбранном режиме продувки;Ммакс - максимальное содержание азота в стали, ;Км - коэффициент Сивертсэ для азота, % этм 12.2, Способ по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что отбор пробы газа проводят при положительном давлении под крышкой ковша или погружаемым колоколом, равном 20 - 400 мм вод. ст,КД пе сгаонлиаируетсяЗамечая и л тЗамечаний яетЗамеяаппетЗамечапи 13 и.тЗамепапии и.тусипояиа; пиГ 1 раиия колоколапопрек,и" "го кромки