Контроль температуры в процессе выплавки стали заводы

Если честно, многие до сих пор считают, что главное в выплавке — это химический состав шихты. Да, важно, но без точного контроля температуры даже идеальная шихта даст брак. Особенно в кислородно-конвертерном процессе, где перегрев на 20–30 °C уже ведёт к перерасходу ферросплавов и ускоренному износу футеровки. Сам видел, как на одном из уральских комбинатов из-за устаревших термопар в 2018 году простаивала целая плавка — перепутали пробы, потому что датчики 'врали' на 50 градусов. Сейчас, конечно, уже реже такое, но до сих пор встречаются цеха, где полагаются на 'глазомер' сталевара. А зря.

Почему инфракрасные пирометры вытесняют контактные методы

Раньше в основном использовали погружные термопары типа ХА или ПП. Нагревают электрод, опускают в ванну, снимают показания. Метод проверенный, но есть нюансы: во-первых, сам электрод со временем деградирует, особенно при высоких содержаниях марганца. Во-вторых, это точечное измерение — а ведь температура в разных зонах ванны может отличаться на 40–50 °C, особенно при неидеальном перемешивании. В-третьих, задержки: пока подготовишь электрод, пока опустишь — уже прошло 10–15 секунд, а за это время температура успевает измениться.

С инфракрасными пирометрами проще — они бесконтактные, можно мониторить температуру поверхности шлака или металла непрерывно. Но тут свои подводные камни: если окно пирометра запылится или запотеет, показания будут неверными. Помню, на ММК в 2020 году как раз из-за этого чуть не пропустили момент раскисления — датчик стоял слишком близко к зоне выброса газов, и его оптику затянуло плёнкой оксидов. Пришлось экстренно ставить дублирующий пирометр с системой продувки воздухом.

Сейчас многие переходят на комбинированные системы: инфракрасный пирометр + термопара для калибровки. Особенно это актуально для электропечей, где точность критична из-за быстрых изменений температуры. Кстати, недавно тестировали на Череповецком комбинате пирометры от ООО Шэньян Тэнъи Электроникс — у них как раз есть модели с автоматической коррекцией показаний по запылённости. Не идеально, но уже лучше, чем старые советские системы.

Особенности контроля в разных типах печей

В дуговых электропечах температура меняется скачкообразно — особенно в период расплавления. Тут важно не столько абсолютное значение, сколько динамика. Если температура растёт слишком быстро — может пойти перегуб электродов, если медленно — растут потери на тепловое излучение. Обычно ставят 2–3 пирометра на разных уровнях свода, но иногда этого недостаточно — например, при плавке легированных сталей с низкой теплопроводностью.

В конвертерах сложнее всего поймать момент выпуска. Тут уже не до калибровок — нужно быстрое и точное измерение. Часто используют портативные пирометры, но их точность сильно зависит от оператора. Видел, как на НЛМК внедрили систему автоматического сканирования поверхности металла при выпуске — снизили брак по температуре на 3–4%, но система дорогая, не каждому заводу по карману.

Для разливочных ковшей вообще отдельная история. Казалось бы, металл уже готов, но нет — при переливе температура может упасть на 30–40 °C, особенно при больших объёмах. Тут важно контролировать не только сам металл, но и температуру футеровки ковша. Если футеровка холодная — будут большие теплопотери, если перегрета — сократится её ресурс. Обычно используют термопары, встроенные в футеровку, но они быстро выходят из строя. Сейчас пробуют бесконтактные ИК-датчики, которые сканируют всю поверхность ковша — пока дорого, но уже есть результаты по экономии энергии.

Проблемы калибровки и обслуживания измерительных систем

Самое слабое место в любой системе контроля температуры — это калибровка. Многие заводы проводят её раз в квартал, а то и реже. А между тем, дрейф показаний у пирометров может достигать 1–2% в месяц, особенно в условиях вибрации и перепадов влажности. На одном из сибирских заводов как-то обнаружили, что все пирометры в цехе 'завышают' температуру на 25 °C — оказалось, последнюю калибровку делали два года назад, и то только на одном датчике.

Сейчас появляются системы самодиагностики — например, в пирометрах ООО Шэньян Тэнъи Электроникс есть функция автоматической проверки оптики. Если коэффициент пропускания падает ниже заданного уровня — система сигнализирует о необходимости очистки. Мелочь, а на практике предотвращает множество ошибок. Особенно важно для печей с высокой запылённостью — там окна пирометров могут загрязняться буквально за смену.

Ещё одна проблема — тепловые помехи. Например, при измерении температуры ванны в дуговой печи на показания влияет излучение от электродов и стен. Раньше пытались компенсировать это программно, но не всегда удачно. Сейчас используют многоспектральные пирометры, которые измеряют температуру на разных длинах волн и вычисляют истинное значение. Дорого, но для ответственных плавок — например, для подшипниковых сталей — оправдано.

Практические кейсы: что работает, а что нет

В 2019 году на одном из заводов в Липецке пробовали внедрить систему предиктивного контроля температуры — чтобы по данным с пирометров предсказывать момент готовности плавки. В теории — отлично, на практике столкнулись с тем, что алгоритмы не учитывали износ футеровки. В итоге первые две недели система постоянно 'перегревала' плавки — пришлось дорабатывать модель, добавлять данные по состоянию футеровки. Сейчас работает нормально, но настройка заняла почти полгода.

А вот на Череповецком комбинате удачно внедрили систему мониторинга температуры шлака. Раньше её практически не контролировали, а ведь от температуры шлака зависит и десульфурация, и теплопотери. Поставили ИК-пирометры с выносными оптическими головками — теперь оператор видит температуру шлака в реальном времени. Неожиданно обнаружили, что при некоторых режимах продувки температура шлака на 100–150 °C выше, чем металла — теперь корректируют режимы, экономят энергию.

Из неудач: пробовали на одном из малых заводов использовать дешёвые китайские пирометры без термостабилизации. Через месяц работы в цехе с температурой воздуха +45 °C их погрешность достигла 8% — пришлось срочно менять на более качественные аналоги. Кстати, у ООО Шэньян Тэнъи Электроникс в этом плане неплохие модели — рабочий диапазон до +60 °C без потери точности, проверяли лично.

Перспективы и новые технологии

Сейчас всё больше говорят о системах цифровых двойников, которые моделируют температурные поля всей ванны по данным с ограниченного числа датчиков. Звучит футуристично, но на практике уже есть работающие решения — например, в Японии такие системы используют с 2018 года. Правда, для их работы нужны очень точные исходные данные по теплопроводности и излучательной способности металла — а эти параметры сильно зависят от состава шихты.

Ещё одно направление — беспроводные датчики температуры. Казалось бы, мелочь, но на крупных заводах прокладка кабелей к пирометрам — это огромные затраты. Особенно в реконструируемых цехах, где нельзя останавливать производство. Беспроводные системы решают эту проблему, но пока есть вопросы по надёжности связи в условиях мощных электромагнитных помех от печных трансформаторов.

Лично я считаю, что будущее за гибридными системами, которыеcombine данные с пирометров, термопар и даже вибродатчиков (вибрация ведь тоже влияет на теплопередачу). Но пока это дорого и сложно в настройке. Для большинства заводов оптимальны проверенные решения — например, те же инфракрасные пирометры от ООО Шэньян Тэнъи Электроникс, которые специализируются именно на непрерывном измерении температуры в металлургии. Не панацея, но работающий инструмент, если правильно его использовать.