Piipitoisuuden määrittäminen sulassa ferrokromissa elektrokemiallisen mittauksen avulla

• Main Author: Pesonen, H. (Heikki)
• Format: Dissertation
• Language: Finnish
• Published: University of Oulu 2016
• Subjects: Process Engineering
• Online Access: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201606032216; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:fi:oulu-201606032216

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia onko Multi-Lab III -mittauslaitteistoa lisäosineen mahdollista käyttää terässulaton ferrokromikonvertterin piipitoisuuden mittaukseen. Laitteisto mittaa sulan happipotentiaalin, jonka avulla on mahdollista päätellä happipitoisuutta rajoittavien aineiden pitoisuuksia sulassa. Menetelmää ei ole aikaisemmin sovellettu tässä työssä tutkitulle sulakoostumukselle. Mittausta tarkasteltiin aluksi laskennallisesti. Laskennoissa otettiin huomioon mittauksen kannalta tärkeimmät aineet, joita olivat pii, kromi, hiili ja titaani. Tavoitteena oli saada selville onko pii se aine, joka aiheuttaa laitteiston mittaaman sähkömotorisen voiman eli EMF-jännitteen. Laskennallisessa tarkastelussa käytettiin hyväksi UIP-formalismia aineiden aktiivisuuksien laskemiseksi. Laskennallisen tarkastelun avulla pystyttiin selvittämään millaisen EMF-jännitteen kukin aine aiheuttaa reagoidessaan mittauslaitteiston referenssimateriaalin kanssa. Lisäksi selvitettiin millainen vaikutus lämpötilalla ja muiden aineiden pitoisuuksilla oli piin aiheuttamaan laskennalliseen EMF-jännitteeseen. Tämän jälkeen suoritettiin mittauksia ferrokromikonvertterista Multi-Lab III -mittauslaitteistolla ja Celox Hot Metal -sondeilla. Mittaustuloksia verrattiin kunkin aineiden synnyttämään laskennalliseen mittausjännitteeseen yksittäistä mittausta vastaavissa pitoisuuksissa ja lämpötiloissa. Jokaista mittausta kohden laskettiin siis kolmen aineen vastaava laskennallinen mittausjännite, jolloin tulokset olivat hyvin verrattavissa. Kromin aiheuttama laskennallinen mittausjännite jätettiin huomioimatta, sillä jännitettä ei synny käytettäessä Cr2O3-referenssimateriaalia sisältäviä Celox Hot Metal -sondeja. Tuloksia verrattaessa huomattiin, etteivät tarkasteltujen aineiden laskennalliset ja konvertterista mitatut jännitteet vastanneet toisiaan tarkasti. Tämä oli kuitenkin odotettavissa, sillä rautasysteemissä mitatut vuorovaikutuskertoimet ja mahdollinen poikkeama tasapainotilasta aiheuttivat oman vaihtelunsa tuloksiin. Tuloksia voitiin silti verrata tarkastelemalla mittauspisteiden ja laskennallisten pisteiden muodostamia käyriä, jolloin nähtiin eri aineiden mittausjännitteissä tapahtuvia muutoksia vaihtelevissa pitoisuuksissa sekä lämpötiloissa. Piin synnyttämä laskennallinen EMF-jännite vastasi parhaiten mittaustuloksista saatuja EMF-jännitteitä, lukuun ottamatta selvää poikkeamaa piipitoisuuden laskiessa alle 0,5 p-%. Tästä voitiin päätellä, että piin reagointi todennäköisesti aiheuttaa EMF-jännitteen sen pitoisuuden ollessa ferrokromikonvertterissa yli tämän rajan. Varmoja tuloksia voitaisiin saada esimerkiksi laboratorio-olosuhteissa tehtävien koesulien avulla. Mittaustuloksille ja laboratoriosta saaduille piipitoisuuden analyyseille suoritettiin regressioanalyysit eri vaiheissa puhallusta. Regressioanalyysien avulla johdettiin kolme funktiota, jotka ilmaisevat piipitoisuuden lämpötilan ja EMF-jännitteen suhteen. Funktioita testattiin kahden puhalluksen kohdalla. Aiemmissa mittauksissa ei ollut yli 5,3 p-% piipitoisuuksia, joten funktio ei laskenut oikein testimittauksien alkupitoisuuksia. Oli myös mahdollista, että alkumittaukset otettiin kuonasta. Väli- ja loppumittauksien tarkkuus oli kohtuullisen hyvä otettaessa huomioon, että valmistaja suosittelee 50 mittauksen sisällyttämistä regressioanalyysiin ja kyseisten funktioiden tekemisessä käytettiin hyväksi 28 mittausta. Alku-, väli- ja loppumittaukset huomioon ottaen, tulisi mittauksia suorittaa 150 kappaletta. Tässä työssä tehdyt sovitefunktiot toimivat malleina sovitefunktion tekemisestä, eikä niitä tulisi pitää esimerkkeinä menetelmän tarkkuudesta. Multi-Lab III -mittauslaitteistoa voidaan hyödyntää ferrokromikonvertterin piin mittauksessa, mutta optimaalisen tarkkuuden ja koko pitoisuusalueen kattamisen aikaansaamiseksi vaaditaan lisää mittauksia sekä parempi sovitefunktio piipitoisuuden, EMF-jännitteen ja lämpötilan välille. === The objective of this Master’s thesis is to find out if Multi-Lab III measuring system and its additional tools, can be used for the determination of silicon content in molten ferrochrome and processed ferrochrome melts. The equipment measures the oxygen potential of the melt, which can be used to define the contents of different components in melts. The measurement of silicon content was first studied from a calculational point of view. The most important components to be taken into account in the calculations were silicon, chrome, carbon and titanium. The aim was to study if silicon is the component to generate the electromotive force or EMF-voltage measured by the equipment. UIP-formalism was used to calculate the activity of each component. Interaction parameters used in the calculations were previously calculated in iron melts, but could be used in ferrochrome melts with acceptable accuracy. Each component’s EMF-voltage, while reacting with the reference material, was calculated. Additionally, the effect of temperature and the contents of other components on calculated EMF-voltage produced by silicon were researched. Secondly, practical measurements were carried out with the Multi-Lab III measuring system and Celox Hot Metal probes on the ferrochrome converter. The measurements were compared to individual calculational EMF-voltages of each component in the same conditions. In other words, for each measurement, three EMF-voltages were calculated so that the results were easily comparable. The voltage produced by chrome content of the melt was ignored because its EMF-voltage is not induced when Cr2O3 reference material is being used. While comparing the results it was noticed that none of the calculational EMF-voltages of the components were equal with the practical measurements from the converter. This was expected taking into account that the interaction parameters were imperfect and there may be some sort of discrepancy from equilibrium, which may cause its own fluctuation to the measurements. The different results were still comparable by examining the curves of the practical and the calculational measurement points in variable temperatures and contents of different components. The computational EMF-voltage produced by silicon resembled the deviations of practical measurements the most, apart from the clear difference when silicon content dropped somewhere below 0,5 w-%. It was assumed that the reaction of silicon with reference material produced the EMF-voltage while silicon content was above this value. For more reliable results laboratory experiments would have to be carried out. Multi-Lab III measurements and the contents of silicon were analyzed by regression analysis in different parts of the blowing. Three equations, which show content of silicon as a function of temperature and EMF-voltage, were derived from the results. The formulas were tested during two heats of the ferrochrome converter. Earlier measurement did not include silicon contents above 5,3 w-% therefore the formulas were unable to find out the starting content of silicon in the beginning of the blowing. It was also possible that the starting measurements were taken from the slag. The equations meant for the middle and the end of the blowing gave satisfactory results, taking into account that the that the supplier of the measuring unit recommends 50 measurements for regression analysis and only 28 measurements were used for three formulas. The actual amount of recommended measurements would be 150. The equations obtained from regression analysis in this master’s thesis do not give reliable information of the accuracy of the measuring system, but act as an exemplary model of how the formulas are made. In conclusion, Multi-Lab III measuring unit can be used as a measuring tool for silicon content in ferrochrome converter, but more measurements and better formulas are needed to achieve a higher accuracy during the whole blowing.