Файл: Пауков А.В. Радиоактивные изотопы - помощники металлургов об опыте применения радиоактивных изотопов в металлургии.pdf

Радиоактивные изотопы позволили установить факт переноса частиц топлива из верхних слоев в нижние при спекании агломерата методом просасывания и исследо­ вать некоторые процессы в зоне сушки.

Работу выполняли на лабораторной аглочаше ДоиНИИчермета с применением радиоактивных изото­ пов железа-55 и золота-198. Выяснилось, что ухудшение структуры и газопроницаемости переувлажненного слоя шихты происходит не только за счет отрицательного вли­ яния конденсирующейся влаги и усадки шихты, но и за счет частичного разрушения окомкованной шихты в зоне сушки и переноса мелких фракций потоком газа в низлежащий слой. Эти явления следует учитывать при оцен­ ке количества тепла, вносимого в верхний слой шихты, а для интенсификации аглопроцесса принимать меры по упрочнению окомкованной шихты.

Определение скоростей перемещения и времени пребывания материалов в агрегатах

Наблюдение за перемещением частиц в непрозрачных средах, исследование скоростей движения различных по­ токов в закрытых системах и т. д. дает возможность вы­ брать надежные исходные данные для расчета геометри­ ческих параметров и режима работы агрегатов, решать многие специфические задачи контроля процессов.

Рассмотрим один пример.

Во всех способах получения стали одной из основных реакций является окисление углерода из металлических капель. Результаты многочисленных исследований этого вопроса, проведенных по различным методикам, не одно­ значны. С использованием радиоактивных меток А. X. Дымничем и др. (ДонНИИчермет) разработана метрдика и создана оригинальная установка для наблюде­ ния за вертикальными перемещениями капли металла в шлаке. По изменению скоростей перемещении капли су-

70

Азо/п

Рис. 21. Схема установки для изучения взаимодействия ка­ пель расплава железо-углерод с окислительными шлаками:

/ — индуктор; 2 — алундовая труба; 3 — капля с изотопом; 4 — на­ греватель; 5 — тигель; 6 — шлак; 7 — щель коллиматора; 8 — колли­ матор; 9 — датчик; 10 — усилитель-формирователь сигнала; 11 — ос­

циллограф

дили о характере взаимодействия капель железоуглероднстого расплава с окислительным шлаком (рис. 21).

Был выявлен ряд интересных особенностей взаимо­ действия капель металла со шлаком. Например, обнару­ жен инкубационный период, в течение которого капля после попадания в шлак свободно опускается. Во втором периоде капля начинает как бы витать в шлаке из-за флотирующего действия пузырьков СО, образующихся в результате реакции интенсивного окисления углерода на границе металл — шлак. По достижении определенной концентрации углерода в капле скорость его окисления резко уменьшается, и капля быстро опускается на дно тигля (третий период).

По оценке времени витания капли в шлаке рассчита­ ны скорости окисления углерода и другие кинетические

71

характеристики процесса, имеющие важное теоретиче­ ское и практическое значение.

На основе результатов исследования закономерностей рафинирования металла в диспергированных средах предложен высокопроизводительный способ непрерывно­ го получения стали, который основан на пропускании раздробленной струи чугуна через слой окислительного шлака.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ источников РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРОИЗВОДСТВА И КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ

Обогащение железной руды и руд цветных металлов, производство агломерата, интенсификация многих произ­ водственных процессов в металлургии немыслимы без эффективных средств механизации и автоматизации кон­ троля и регулирования технологических процессов.

Во многих случаях, где по производственным усло­ виям не могут быть использованы обычные средства автоматизации, на помощь приходит радиоизотопная тех­ ника.

Общие принципы действия радиоизотопных приборов

Действие радиоизотопных приборов основано на по­ глощении и отражении радиоактивных излучений, а так­ же на ионизации газов. При этом различные физические параметры (плотность, температура, давление, расход, скорость, геометрические размеры, физико-химические и механические свойства материалов и т. п.) определяются без соприкосновения с контролируемыми материалами или средой, т. е. бесконтактным методом (что выгодно

72

отличает их от большинства приборов других типов). Результаты замеров различных величин преобразуются непосредственно в электрические выходные сигналы, ко­ торые можно использовать в системе автоматического регулирования, передавать в вычислительные машины (управляющие, например, ходом плавки и т. д.).

Характерными составными частями любого радиоизо­ топного прибора являются источник (радиоактивный изотоп) и детектор (или приемник) излучения. Источник помещен в чугунный или свинцовый контейнер для за­ щиты персонала от вредного действия излучения. Кон­ тейнер имеет коллиматор (отверстие) для формирования узкого пучка радиоактивного излучения и механизм для уборки источника в нерабочее, более защищенное место.

Источники излучения в контейнерах, входящие в ком­ плект радиоизотопного прибора, не требуют специально­ го ухода: при потере активности в результате естествен­ ного распада изотопа требуется лишь перезарядка кон­ тейнера новым источником излучения. Так, например, перезарядка кобальтовых источников производится через 4—5 лет, а цезиевых — через 12—15 лет.

В зависимости от назначения и требований приборы могут быть дискретного и непрерывного действия. К пер­ вым относятся всевозможные гамма-реле, позиционные уровнемеры и т. д. Все они построены на схемах прямого измерения, конструкция их наиболее проста, потому они нашли широкое применение в тех случаях, когда ңе тре­ буется высокой точности. Приборы непрерывного дей­ ствия — различные плотномеры, толщиномеры, следящие уровнемеры и другие — имеют более сложное устройство и схемы измерения (компенсационные, дифференциаль­ ные, логарифмические и т. д.).

Как уже отмечалось, характерная особенность ядерных излучений — большая проникающая способность: у-лучи свободно проходят через стальную бронь резер­ вуаров, бункеров, огнеупорную футеровку и другое обо-

73

рудование. Если в какой-либо закрытой емкости (напри­ мер бункере) нужно измерить уровень материалов, то источник излучения и детектор устанавливают в двух диаметрально противоположных точках на наружной стороне стенки резервуара, причем обычно не требует­ ся вырезать отверстий в резервуаре, т. е. нарушать це-

•лостности стенок, а следовательно, герметичности сосу­ да. Это означает, что прибор на емкости можно монти­ ровать во время работы агрегата, что представляет не­ сомненные удобства.

Принцип действия у-реле весьма прост. Рассмотрим его на примере контроля высоты уровня какого-либо ма­ териала (руды, жидкости и т. п.; рис. 22). Источник и

.детектор излучения располагают так, чтобы поток нзлу-

Рис. 22. Расположение 7-реле для однопознцнонного fa) и многопознцнонного (б) конт­ роля уровня высоты

чения был горизонтальным (материал перемещается

•сверху вниз). Количество изотопа (излучателя) выби­ рается так, чтобы излучение легко проникало через стен­ ки сосуда, но полностью поглощалось в контролируемом веществе. Когда уровень жидкости или какого-либо сыпучёго вещества расположен выше линии, соединяющей источник излучения и детектор, у-излучение. в детектор

-.74

практически не попадает, если ниже,— число у-квантов, попадающих в детектор, максимально. Такое резкое из­ менение потока облучения легко обнаруживается при помощи несложных электронных устройств. При необхо­ димости можно по вертикали вдоль контролируемого резервуара расположить несколько пар источников излу­ чения и детекторов (многопозиционный контроль, рис. 22, б), что дает возможность определить, между ка­ кими двумя источниками находится контролируемый уро­ вень.

Тіа этом принципе, т. е. на резком изменении количе­ ства попадающих на детектор частиц или у-квантов при пересечении потока излучения каким-либо поглотителем, построены различные сигнальные устройства: счетчики предметов, измерители числа оборотов, расхода, термо­ регуляторы, блокирующие устройства и т. д.

Построенный по схеме у-реле прибор не позволяет вести непрерывный контроль изменения высоты уровня материала. Для измерения и автоматического регулиро­ вания уровней материалов применяются следящие уров­ немеры, основной принцип которых заключается в сле­ дующем. Источник излучения и детектор укрепляют на стойках, по которым они при помощи электромотора мо­ гут перемещаться в вертикальном направлении вдоль сосуда с контролируемой средой. Управление движени­ ем мотора устроено так, что, когда пара источник-детек­ тор (датчик) расположены на высоте уровня среды, дви­ гатель не работает. Как только уровень ее понижается (повышается), изменяется количество у-излучения, попа­ дающего в детектор, мотор включается и опускает (под­ нимает) датчик до положения, совпадающего с новой высотой уровня. Такие следящие уровнемеры могут быть использованы для измерения высоты уровня в закрытых резервуарах диаметром до 5—7 м с толстыми стальными стенками.

75

Контроль и автоматизация производственных процес­ сов с помощью радиоактивных излучений

В металлургии во всех непрерывных технологических процессах с изменением таких параметров, как плот­ ность, вес или объем, концентрация, состав и т. п., при­ меняются или могут применяться радиоизотопные при­ боры. Это справедливо буквально для всех стадий ме­ таллургического производства — от разведки полезных ископаемых, добычи, подготовки руд и до прокатки. Ни­ же приведен краткий обзор производств п операций (с отдельными более подробными примерами), где с успе­ хом используется радиоизотопная техника.

Горнообогатительные комбинаты (на примере ЮГОКа) — приборы с изотопными датчиками исполь­ зуются для контроля за работой перегрузочных течек при транспортировке руды, автоматизации процесса загруз­ ки бункеров большой емкости (бесконтактные гаммареле), автоматизации регулирования плотности железо­ рудной пульпы в процессах измельчения (радиоизотоп­ ные плотномеры) и др.; при внедрении этих приборов намного возросли производительность труда и пропуск­ ная способность оборудования.(в 2—3 раза); в резуль­ тате получен значительный экономический эффект, ис­ числяемый многими сотнями тысяч рублей.

Аглофабрики. Радиоизотопные релейные приборы исключительно хорошо зарекомендовали себя при конт­ роле наличия шихты на транспортерах, позволив, в част­ ности, автоматизировать процесс подачи воды в смеси­ тель. Установка гамма-реле на дробилках позволила поддерживать их загрузку постоянной и соответственно регулировать подачу материалов. Автоматическое регу­ лирование уровня шихты в бункере барабанного питате­ ля не только обеспечило полноту загрузки палет, но и способствовало более ровному ходу процесса спекания агломерата.

76

Непрерывный контроль степени спекания агломера­ та — один из наиболее важных результатов внедрения радиоизотопной техники в агломерационном производ­ стве. Известно, что примерно из 40% возврата 20—25% приходится на недопек. Полная ликвидация недопека агломерата позволит увеличить производительность агло­ машин не менее чем на 20 %• Ни один из множества опробованных методов контроля степени спекания агло­ мерата не нашел распространения. Радиоизотопный ме­ тод контроля законченности процесса спекания основан на различном поглощении у-лучей сырой шихтой и спе­ ченным агломератом. Два датчика устанавливаются в соответствующих местах контроля над агломашиной: один — над сырой шихтой, второй — под спеченной. Оба прибора подключают к одной общей интегрирующей цепи. Если на выходе аглоленты сырая шихта, то коли­ чество излучения, поступающего на детекторы обоих дат­ чиков, одинаково, показания интегрирующего прибора равны нулю. При выдаче 100% спеченного агломерата разница в показаниях прибора, шкала которого отгра­ дуирована в процентах, максимальная.

Экономический эффект от внедрения автоматическо­ го регулирования скорости движения аглоленты в завиеимости от степени спекания агломерата только по одной аглофабрике составляет около 500 тыс. руб.

Контроль влажности аглошихты, как и вообще мате­ риалов во многих производственных процессах,— один из основных этапов в комплексной автоматизации. От­ клонение степени влажности от оптимальной снижает производительность агломашин и качество готовой про­ дукции. Существующие методы определения влажности, в частности, наиболее распространенный простой и точ­ ный весовой метод, не дают возможности использовать их в непрерывно-поточном процессе. Для измерения влажности перспективным является нейтронный метод, ■основанный на замедлении быстрых нейтронов при взаи-

77