ISSN 1318-0010 KZLTET 32(3-375)165(1998) UPORABA KISIKOVE SONDE PRI KONTROLI IN VODENJU PROCESA IZDELAVE JEKLA USE OF OXYGEN PROBES BY THE MEASUREMENT AND THE PROCESS CONTROL IN STEEL PRODUCTION B. KOROUŠIĆ1, T. GODICELJ2, A. ROZMAN3 1In{titut za kovinske materiale in tehnologije - IMT, Lepi pot 11, 1000 Ljubljana 2Jeklo [tore, d.o.o. 3Metal Ravne, d.o.o, Ravne na Koro{kem Prejem rokopisa - received: 1997-10-01; sprejem za objavo - accepted for publication: 1997-12-19 JEKLO-[TORE in METAL-RAVNE uporabljajo že dalj časa kisikove-potro{ne sonde za direktno določevanje aktivnega kisika v tekočem jeklu. V obeh jeklarnah se od januarja 1997 skoraj redno za večino {arž izvaja merjenje kisika s kisikovimi sondami v električni obločni peči (EOP) tik pred prebodom. Vsebnost aktivnega kisika se uporablja bodisi za kontrolo ogljika ali za uspe{no izvajanje dezoksidacije jekla in določevanje količine zlitin. Redna uporaba kisikove sonde omogoča natančnej{e določevanje vsebnosti ogljika v EOP in direktno prispeva k pobolj{anju kvalitete jekla in predvsem izkoristka taline. Ključne besede: kisikova sonda, kontrola ogljika in dezoksidacije, izbolj{anje kvalitete, zmanjšanje stro{kov Steelworks JEKLO-[TORE and METAL-RAVNE started using expendable probes for the determination of the active oxygen content in early 1980. Since January 1997, the shops have been determing and controlling the oxygen content of the bath at turndown on almost every heat. The oxygen content is used to determine the carbon level before LF - practice or for optimal determination the deoxidation and alloy addition schedules for most steel grades. Through the use of oxygen probes, tighter carbon and oxygen control in electric-arc furnace (EAF) can be made but also quality and yield have been improved. Key words: oxygen probe, carbon level and deoxidation control, quality improvements, cost reduction 1 UVOD Že dalj časa je znano, da je ključna faza izdelave jekla kontrola kisika v talini in pravilno izpeljana dezok-sidacija jekla pred začetkom litja. Bolj ko se zaostrujejo zahteve po višji kvaliteti jekla in bolj ko se ožijo predpisane meje za kemijsko analizo, tem bolj postaja aktualno vpra{anje natančne nastavitve ciljne vsebnosti aluminija in žvepla v tekočem jeklu. Direktno merjenje aktivnosti kisika v talini s komercialnimi sondami je danes rutinsko opravilo, ki skupaj z računalniško podprtimi metodami vodenja izdelave šarže pomeni osnovo sodobne jeklarske tehnologije. V prispevku bomo pokazali nekatere rezultate uporabe kisikove sonde pri kontroli aktivnega kisika v fazi izdelave jekla v elektro-obločni peči pred prebodom v agregate ponovčne metalurgije. Cilj uporabe tovrstne tehnologije je natančna povezava med vsebnostjo aktivnega kisika ter ogljika v tekočem jeklu na eni strani in predpriprava optimalnih pogojev vpihovanja ogljika s ciljem znižanja stroškov za dezoksidacijo jekla z aluminijem in doseganje boljšega izkoristka v EOP (Električna Obločna Peč). 2 TEORETIČNE OSNOVE ODVISNOSTI MED AKTIVNIM KISIKOM IN OGLJIKOM V TEKOČEM JEKLU V fazi izdelave jekla v elektro-obločni peči poteka in-tezivna oksidacije ogljika, ki jo opisujemo z reakcijo: KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) [C] + [O] = CO(g) (1) kjer pomeni: [C], [O] ogljik in kisik raztopljena v talini CO(g) CO v plinskem stanju. Pod pogoji, ki so blizu ravnotežnem stanju (intezivno mešanje taline zaradi izkuhavanja taline), velja naslednja zveza med kisikom in ogljikom1: , / pco s 935 0 1 _ log( I ) = T" +2,15 a*ao T (2) Opisana ravnotežna konstanta med ogljikom in kisikom je že večkrat opisana v strokovni literaturi2-4 in jo lahko z veliko zanesljivosti uporabimo za analizo oksidacije ogljika. Osnovna značilnost reakcije ogljika s kisikom glede na termodinamične pogoje je zelo majhen, skoraj zanemarljiv vpliv temperature. V področju vsebnosti ogljika pod 0,1% lahko njegov vpliv in drugih vsebovanih prisotnih elementov (Si, Mn, P, S...) zanemarimo, kar pomeni, da lahko enačbo (2) zapišemo v bolj znani obliki: log (%C*ao) = log pco - 935 T + 1,85 (3) kjer je aO aktivnost kiska v ppm PCO tlak CO v talini v fazi oksidacije ogljika. Pri ravnotežnem tlaku pco = 1 bar dobimo iz enačbe (3) pri temperaturi 1600°C znano vrednost produkta %C*ao (znanega kot Vacher-Hamiltonova konstanta): 3-4 165 B. Koroušic et al.: Uporaba kisikove sonde pri kontroli... %C*aO = 22,4 (aO v ppm) Prakti~ne meritve aktivnosti kisika v razli~nih talilnih agregatih (konvertor, EOP) so pokazale, da so vrednosti produkta %C*aO odvisne predvsem od tlaka CO oziroma globine potopitve kisikove sonde v fazi merjenja. Empiri~no dobljena korelacija med aktivnim kisikom in ogljikom sledi termodinami~ni zakonitosti in jo lahko izpeljemo iz ena~be (3): log aO(ppm) = A + B*log [%C] (4) pri ~emer sta konstanti A in B odvisni od razmer v talilnem agregatu (predvsem od intenzitete izkuhavanja CO in veliko manj od temperature taline). Pri talinah z vsebnostjo ogljika nad 0,1% se za~enja kazati razlika med aktivnostjo ogljika - aC in [%C] zaradi vpliva ogljika, kar v termodinami~nih pogojih zapišemo s znano relacijo: log aC = log [%C] + log fC (5) pri ~emer fC ozna~uje skupni koeficient aktivnosti ogljika, ki upošteva celotno sestavo teko~ega jekla v trenutku merjenja s kisikovo sondo. Kot je znano, vrednost log fC lahko izra~unamo s tki. parametri interakcije: eij, kjer indeks - i pomeni element, ki vpliva na aktivnost elementa - j. Konkretno za ogljik lahko zapišemo naslednjo termodinami~no odvisnost med aktivnostjo in vsebnostjo ogljika: log fC = £ [%X *e'c (6) 3 PRAKTIČNE MERITVE AKTIVNEGA KISIKA V EOP Meritve aktivnosti kisika v EOP smo izvedli v Jeklu d.o.o v Štorah. Izvedli smo približno 350 meritev, in sicer predvsem v EOP. Rezultate teh meritev smo razdelili v dve skupini. - Prva skupina meritev je bila izvedena ob raztalitvi vložka, to je pri t.i. 1. vzorcu, ki ga vzamemo iz EOP. Koncentracije ogljika ob raztalitvi se glede na kemi~no sestavo jekla, ki se izdeluje v pe~i, gibljejo med 0,20 in 1,00% ogljika, temperature taline pa se gibljejo med 1510°C in 1580°C. Osnovni namen meritev koncentracije aktivnega kisika ob raztalitvi vložka je predvsem hitra ocena vsebnosti ogljika v talini na osnovi izmerjene aktivnosti kisika in temperature taline s kisikovo sondo. - Druga skupina meritev je v zvezi z meritvami aktivnosti kisika v EOP po kon~anem procesu oksidacije ogljika oziroma tik pred prebodom taline iz EOP v ponovco. Uporaba kisikove sonde in s tem kontrola kisika po kon~anem procesu oksidacije oziroma tik pred prebodom daje jeklarju naslednje prakti~ne informacije: - Pri kvalitetah jekla, kjer je po kon~ani oksidaciji vsebnost ogljika v talini C < 0,20%, se z uvedbo te metode lahko izognemo jemanju dodatne t.i. 2. 376 probe in s tem skrajšamo ~as izdelave jekla v EOP (tap to tap) za približno 7 minut. - Ob~utno se izboljša natan~nost dodanja potrebne koli~ine aluminija za dezoksidacijo taline v po-novci pred dodatkom potrebnih ferozlitin, kar prispeva k boljšem izkoristku postopka legiranja taline v ponovci. - Omogo~ena je uporaba optimalnih koli~in cenejših ferolegur, z višjo vsebnostjo ogljika, saj lahko na ta na~in proces oksidacije taline vodimo do želene vsebnosti ogljika pred prebodom. S tem se tudi lahko izognemo pretirani oksidaciji taline, ko vsebnost ogljika v talini pade pod C < 0,07%, kar je odvisno od ustreznega naraš~anja vsebnosti prostega kisika, ki je nad 400 ppm. - Vpeljana metoda omogo~a racionalno izvedbo preddezoksidacije taline pred prebodom iz EOP z metodo oglji~enja taline (vpihovanje manjših koli~in ogljika v koli~inah cca. 4-6 kg/t, direktno v talino). 4 ANALIZA DOBLJENIH REZULTATOV Na osnovi teoreti~no opisanih zakonitosti v poglavju 2 in analize dosedanjih eksperimentalnih rezultatov, objavljenih v literaturi1, lahko z gotovostjo definiramo korelacijo med aktivnim kisikom in ogljikom v obliki ena~be (4). Vrednosti korelacijskih ena~b omogo~ajo, da ocenimo parcialni tlak CO v ~asu merjenja, kar je pomembna informacija o stanju taline. 4.1 Rezultati meritev aktivnega kisika v jeklarni STORE Detajlna analiza vpliva vsebnosti ogljika in temperature na topnostni produkt [%C]*aO je še v teku, toda dosedanji rezultati kažejo, da je ta vpliv zanemarljiv, dokler se vsebnost ogljika v talini giblje pod 0,2%. Na sliki 1 je prikazana korelacija med izmerjeno aktivnostjo kisika in vsebnostjo ogljika za obdobje februar - avgust 1997. Izvedeno je bilo 106 meritev kisika s sondo CELOX. S slike 1 je razvidno, da je bila povpre~na temperatura taline v EOP 1657 6 25°C in da je bila vsebnost ogljika pod 0,2%. Iz dobljene relacije smo izra~unali povpre~ni tlak pœ v talini v trenutku merjenja, ki je 1,21 bara in se lepo ujema s ugotovitvami drugih avtorjev. Koeficient korelacije R = -0,988, pomeni, da le približno 1% vseh rezultatov leži zunaj premice. Zato je razumljivo, da se konstanta ravnotežja za reakcijo (1), opisana z ena~bo (2) po podatkih Schür-mann-a1, prakti~no povsem ujema z rezultati naših meritev (glej sliko 2). Zato je bilo pri~akovati, da bo natan~nost zadevanja vsebnosti ogljika na osnovi dobljene korelacije zelo visoka, kar tudi potrjujejo rezultati primerjave med izra~unano in dejansko ugotovljeno vsebnostjo ogljika v talini (glej sliko 3). KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 5 Mtdtvt knika v BcH^Alama Siore ( IWT) 'im