Дембовский В.В. Технологические измерения и приборы в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

2.Термо-

химиче-

ские

квази-

бинар-

ные

Теплота сгора-

ния горючих

компонентов в

смеси с возду-

хом или на

твёрдом ката-

лизаторе –

окислителе

; CO;

+ CO

Горючие

компоненты

в газовых

смесях,

0 … 10

3.Магнит-

ные

Спек-

трально –

интег-

ральная

Интенсивность

термомагнит-

ной конвекции

4. Элек-

трохими-

ческий

Спек-

тральная

ЭДС твёрдо-

электролитного

датчика

Кислород в

продуктах

сгорания

топлива,

0 … 10

5.Оптико-

акустичес-

кие

Спек-

тральная

Любые

Интенсивность

поглощения

инфракрасного

излучения в за-

данном диапа-

зоне длин волн

СО; CO

Продукты

сгорания

топлива, от

0 … 1 до 0

… 100

Продолжение таблицы 11.1

6.Хрома-

тографы

Спек-

тральная

при спе-

циально

подоб-

ранных

сорбен-

тах

Любые

Площадь пика

хроматограммы

или высота пи-

ка при посто-

янном объеме

пробы

Любые

Универсаль-

ное, 0…100

7. Масс-

спектро-

метры

Спек-

тральная

Интенсивность

ионных пото-

ков в попереч-

ном магнитном

поле при раз-

личном отно-

шении масс

ионов к их за-

рядам

Любые

Непрерыв-

ный кон-

троль соста-

ва сложных

газовых сме-

сей по от-

дельным

компонен-

там, 0 … 100

Каждый из газоанализаторов первых четырёх типов предназна-

чен для определения одного из компонентов исследуемой газовой

смеси в соответствии с условиями градуировки на заводе – изгото-

вителе.

Анализируемые бинарные смеси должны содержать только

два компонента, от совокупной теплопроводности которых зависят

показания газоанализатора. Квазибинарные газовые смеси харак-

теризуются переменным содержанием только одного – анализи-

руемого газа, тогда как соотношение между концентрациями ос-

тальных компонентов должно оставаться постоянным.

Термокондуктометрический метод существует благодаря тому,

что коэффициент теплопроводности, например, водорода почти в

семь раз превышает коэффициент теплопроводности воздуха, азо-

та, кислорода, и большинства двухатомных газов, а коэффициент

теплопроводности СО

почти в 2 раза ниже, чем у тех же газов.

Аномально высокая магнитная восприимчивость характерна

только для таких газов, как О

и NO, однако для металлургических

процессов актуальным оказывается контроль содержания именно

кислорода в продуктах сгорания топлива.

Оптико - акустические газоанализаторы недостаточно надёжны

в эксплуатации.

Из-за сложности устройства масс - спектрометров, их высокой

стоимости и необходимости в высококвалифицированном обслужи-

вании, для осуществления многокомпонентного контроля состава

газовых смесей в литейном производстве следует ориентироваться

на применение газо-адсорбционных хроматографов. Принцип их

действия основан на разделении компонентов пробы газовой сме-

си, введенной в поток газа - носителя (аргон, гелий), на состав-

ляющие компоненты при протекании через слой твердого сорбента.

При этом в результате много- численных актов адсорбции – де-

сорбции на поверхности сорбента каждый компонент проходит че-

рез сорбент со своей индивидуальной и присущей только ему ско-

ростью. Появление компонента на выходе газоаналитической сис-

темы обнаруживается детектором, например, по теплопроводно-

сти (катарометр). В результате самописец подключенный к детек-

тору, вычерчивает соответствующий пик на диаграммной бумаге.

Время регистрации пика от момента ввода пробы позволяет каче-

ственно идентифицировать компонент, а геометрические парамет-

ры пика (см. табл. 11.1) характеризируют количественное содержа-

ние компонента в пробе.

Кафедрой металлургии и литейного производства СЗТУ под на-

учным руководство автора осуществлена модернизация серийного

лабораторного хроматографа ЛХМ-8МД с целью расширения гам-

мы компонентов, определяемых из одной пробы.

Для этого применены комбинированные хроматографические

колонки (трубки, свернутые в спираль для сокращения габаритных

размеров), первая по ходу газа - носителя секция которых запол-

нена полимерным сорбентом «Полисорб -1», а вторая - цеолитом

(молекулярным ситом) 13Х. За каждой из секций включён детектор-

катарометр, причём оба детектора соединены между собой диф-

ференциально. «Полисорб -1» хорошо разделяет компоненты с по-

лярными молекулами, какие как H

O, CO

, SO

. Сорбент 13Х ус-

пешно разделяет

простые низкокипящие газы: Н

, О

, N

, CH

, CO.

Выбор применяемого сорбента обычно осуществляет сам исследо-

ватель в соответствии с поставленными перед ним задачами.

В состав хроматографа (рис.11.1) входят следующие элементы:

1– сетчатый фильтр; 2 – осушитель; 3 – регулятор давления (редук-

тор); 4- игольчатый вентиль; 5- кран-дозатор; 6 и 8 колонки; 7 и 9

детекторы; 10 – индикатор расхода (ротаметр); 11 – вторичный са-

мопишущий прибор; 12 – контрольная склянка с водой; 13 – мано-

метр.

Сетчатый фильтр 1 осуществляет очистку газа – носителя от

механических частиц, а фильтр – осушитель 2, заполняемый сили-

кагелем, служит для удаления из этого газа паров воды. Начальное

давление газа – носителя стабилизируется редуктором 3 и контро-

лируется по манометру 4. Посредством игольчатого вентиля 4

осуществляется дальнейшая тонкая регулировка давления газа –

носителя с контролем расхода по индикатору 10.

Рис.11.1. Схема модернизированного газового

хроматографа ЛХМ-8МД.

Газовая проба вводится в поток газа – носителя с помощью

крана – дазатора 5. Последний обеспечивает постоянство объема

пробы (в выполненных работах 0,1212 см

Перед вводом пробы входной канал крана-дозатора продувает-

ся газом- носителем с контролем по барботированию воды в склян-

ке 12.

При исследовании состава атмосферы литейной формы

(для дальнейшего расчета ее окислительно - воссстановительного

потенциала) пробы газа из разных точек отбирались с помощью

медицинского шприца типа “Рекорд” и вводились в кран-дозатор иг-

лой через резиновую мембрану.

На хроматограмме (11.2), благодаря постоянному объему про-

бы, мерой объективного содержания компонента является высота

пика.

Рис. 11.2. Примерный вид хроматограммы

Известны и другие конструкции хроматографов, причем в по-

следнее время выпускаются приборы с автоматической дешифров-

кой параметров пиков хроматограммы с помощью встроенных мик-

ропроцессорных устройств.

Класс точности автоматических газоанализаторов находится в

пределах 2 ... 5.

Известны также конструкции специальных неэлектрических

датчиков состава бинарных и квазибинарных газовых смесей в виде

неравновесных мостов [39] и струйных устройств [40,41,42].

11.3. Контроль коэффициента избытка воздуха

Коэффициент избытка воздуха (называемый также коэффици-

ентом расхода воздуха) представляет собой отношение практиче-

ского расхода подаваемого в печь воздуха к расходу воздуха, тео-

ретически необходимого по расчёту процесса горения. Этот коэф-

фициент является фактором, активно влияющим на эффективность

использования топлива в металлургических печах различного на-

значения и окислительную способность печной атмосферы.

Известны следующие способы контроля коэффициента избытка

воздуха.

1) Расчет по известному составу дымовых газов, что для бессер-

нистого топлива может быть выполнено по формуле:

,α=

22 2 4

N O -0,5(CO + H )-2CH

1- ×

(11.1)

где ( в объемных процентах) N

* и О

*- содержание азота и кисло-

рода в воздухе для горения;

, O

, H

, CH

, CО - содержание соответствующих компонентов в

дымовых газах.

При отсутствии химической неполноты горения для оценки зна-

чения α можно воспользоваться приближенной формулой:

O-O

α=

(11.2)

Следует иметь в виду, что в отходящих газах сталеплавильных

печей кроме собственно продуктов сгорания топлива присутствуют

и технологические газы, выделяющиеся из ванны в процессе плав-

ки, на что при расчете α следует вводить соответствующие поправ-

ки.

2) Непосредственное измерение значения α. Это измерение вы-

полняют при помощи нестандартных устройств, изготавливаемых

своими силами и известных под названиями α - индикаторов [46].

3) Определение α с помощью электрохимических датчиков содер-

жания кислорода в дымовых газах. Такой датчик содержит твёрдо-

тельный электролит, проницаемый для ионов кислорода и заклю-

ченный между двумя металлическими мембранами. Последние

омываются с одной стороны дымовыми газами с переменным со-

держанием кислорода, а с другой – воздухом (сравнительным га-

зом) с содержанием кислорода постоянным. В результате датчик

является концентрационным элементом, ЭДС которого определя-

ется выражением, В

1/2

(газ)

ln ,

2(воздух)

(11.3)

где R = 8314

⋅

Дж

кмоль К

–

универсальная газовая постоянная;

F = 96484,56 Кл / моль – число Фарадея;

p – парцальные давления кислорода в анализируемом газе и воз-

духе;

T – температура датчика, К, которая поддерживается постоянной.

Описанный датчик под названием «УКАРСК – 2» разработан и

поставляется фирмой Уралэкоавтоматика (г.Свердловск).

11.4. Определение содержания газов в металлах

При отборе и хранении пробы металла с целью последующего

контроля концентрации растворенных в нем газов (водорода, азота,

кислорода) необходимо предотвратить диффузионное выделение в

атмосферу и потерю анализируемых газов пробой. Для этого пробы

металла немедленно после отбора из ванны плавильной печи или

разливочного ковша нужно закалить в деаэрированной воде, а за-

тем хранить в жидком азоте.

Известно, что растворимость газа в металлах [Г] подчиняется

закону Сивертса:

[Г] = к

, (11.4)

где Р

- парциальное давление данного газа над поверхностью ме-

талла;

- константа растворимости, зависящая от природы газа и ме-

талла, а также от температуры.

Экстракцию газа осуществляют следующими методами:

1) плавлением пробы в вакууме;

2) то же – под током инертного газа;

3) восстановительным плавлением.

Первые два из перечисленных методов непосредственно пони-

жают парциальное давление анализируемых газов над металлом, и

эти газы выделяются из пробы для последующего их определения

соответствующими газоаналитическими детекторами. Из состава

последних чаще используются катарометры (по теплопроводности

анализируемого газа) и детекторы инфракрасного поглощения. Для

разделения компонентов анализируемой газовой смеси применя-

ются сорбционные методы газовой хроматографии.

Метод восстановительного плавления пробы в графитовом тиг-

ле применяется для определения содержания в металле кислоро-

да. Прочность находящихся в металле оксидов настолько высока,

что для их разрушения и экстракции кислорода из пробы требуется

нагревание последней до температуры, значительно превышающей

2000˚C. Поскольку это практически недостижимо, кислород выде-

ляют из пробы в составе СО при существенно более никой темпе-

ратуре, благодаря реагированию оксидов металла с углеродом ма-

териала тигля по реакции:

+n C = m Me+n CO (11.5)

При этом непосредственно анализируют СО с дальнейшим пе-

ресчетом в концентрацию содержащегося в металле кислорода.

Вопросы для самопроверки

1.Охарактеризуйте принцип действия эмиссионного вакуумного спектрометра.

2.Какое физическое явление положено в основу действия рентгено – флуорес-

центного квантометра?

3.Сравните возможности и пределы измерения названных приборов определе-

ния химического состава металла и шлака.

4.Объясните принципы действия физических методов газового анализа.

5.Как устроены газовые хроматографы и какими достоинствами, по сравнению

с другими газоанализаторами, они обладают?

6.С помощью каких приборов контролируют значение коэффициента избытка

воздуха в металлургических печах?

7.Катие методы используют для определения содержания газов в металлах?

12. Контроль влажности

формовочных материалов

Литейная технология предъявляет сравнительно высокие тре-

бования к точности определения влажности песчано - глинистых и

других формовочных и стержневых смесей. Допустимая погреш-

ность измерения не должна превышать ± 0,5% Н

О.

Влага входит в состав формовочных материалов в различных

формах. Часть ее адсорбируется на поверхности зёрен материала

и удерживается силами поверхностного натяжения. Избыточная

влага вызывает скольжение зёрен относительно друг друга по дей-

ствием внешних сил. Наконец, некоторое количество влаги оказы-

вается химически связанным в форме кристаллогидратов связую-

щих веществ.

Наиболее точно влажность можно определить ручным спосо-

бом путём нагревания и высушивания навески испытуемого мате-

риала до постоянной массы. Однако этот метод требует значитель-

ной затраты времени ( до трех часов).

В приборах автоматического контроля влажности преимущест-

венно используются электрические методы измерения (табл. 11.3).

Электрический ток через формовочную (стержневую) смесь оп-

ределяется выражением:

I = I

сп

+ I

, (11.6)

где I

сп

– ток сквозной проводимости, обусловленный переносом

электрических зарядов (практически – через раствор солей, кислот

и оснований в воде);

– ток смещения, вызываемый поляризацией зарядов частиц

формовочного материала как диэлектрика;

– ток потерь, в результате протекания которого электрическая

энергия превращается в тепловую.

Таблица 11.3

Методы автоматического контроля влажности

формовочных и стержневых смесей

1 2 3 4 5 6

Метод Сущность

метода

Датчик

сигнала

влажности

Достоин-

ства

Недос-

татки

Особенности примене-

ния

Электро-

кондук-

тометри-

ческий

Опреде-

ление

влажности

материала

по его

электро-

проводно-

сти

Два элек-

трода, по-

мещён-

ные в

контроли-

руемую

среду

Простота

устройст-

ва

Зависи-

мость ре-

зультата

измере-

ния от

хими-

ческого

состава

среды

Расстояние между

электродами должно

быть не менее 25 мм

во избежание влияния

размера зерна.

Измерение

предпочти-

тельно вести на пере-

менном токе, чтобы

исключить эффект по-

ляризации

Ёмкост-

ный

Опреде-

ление

влажности

материала

по его ди-

электри-

ческой

прони-

цаемости

Конденса-

тор, меж-

ду об-

кладками

которого

помещёна

проба ма-

териала

Простота

реализа-

ции

Зависи-

мость ре-

зультата

от степе-

ни уп-

лотнения

пробы

Необходимо произво-

дить измерение на токе

высокой частоты для

повышения чувстви-

тельности и ослабле

ния эффекта электри-

ческих потерь

Продолжение таблицы 11.3

Диэлек-

тричес-

ких по-

терь

Влаж-

ность оп-

ределяет-

ся по зна-

чению ди-

электри-

ческих

потерь,

обращае-

мых в те-

плоту

Катушка

индуктив-

ности, в

которую

вводят

пробу

контроли-

руемого

материала

То же То же Проба влажного мате-

риала нагружает коле-

бательный контур по-

терями, измеряемыми

электрическим спо-

собрм

Нейтрон-

ный

Приёмник

ядерного

излучения

Не требу-

ется стан-

дартного

уплотне-

ния пробы

Радиаци-

онная

опас-

ность

Автоматически вво-

дится поправка на

плотность материала

Ядерного

магнитно-

го резо-

нанса

Резонанс-

ное взаи-

модейст-

вие высо-

кочастот-

ного излу-

чения с

ядрами

атомов

водорода

ЯМР - ра-

диоспек-

трометр

Раздель-

ное опре-

деление

содержа-

ния влаги

в различ-

ных её

формах

Слож-

ность и

высокая

стомость

средств

измере-

ния

–

По техно-

логичес-

ким свой-

ствам ма-

териала

Косвен-

ный кон-

троль

влажности

(см. в тек-

сте)

Фотоэле-

мент, эк-

ранируе-

мый от

источника

света

струёй

смеси

Учитыва-

ются фак-

тические

техноло-

гические

свойства

смеси

– Необходима индиви-

дуальная градуировка

в местных условиях

производства

Соответственно этим составляющим полного тока различают

следующие методы контроля влажности:

1) электрокондуктометрический (по величине I

cп

);

2) ёмкостный (по величине I

);

3) диэлектрических потерь (по величине I

Емкостный метод и метод диэлектрических потерь часто

объединяют под общим названием диэлькометрического метода.