Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2013, № 12 (спецвып.)

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ
СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА
В ПРОЦЕССЕ
ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ
ПЛАВКИ МОНООКСИДА
НИКЕЛЯ
В ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЕЧИ

В.В. Губин
А.Ю. Фирсов

УДК 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Г 93 

669 
Г 93 
 
 
Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 
29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной 
службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия
человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.12 
 

 

 
Губин В.В., Фирсов А.Ю. 

Метод определения состояния металла в процессе восстано
вительной плавки монооксида никеля в электродуговой печи:
Горный 
информационно-аналитический 
бюллетень 
(научно
технический журнал). Отдельная статья (специальный выпуск). —
2013. — № 12. — 9 с.— М.: издательство «Горная книга» 

ISSN 0236-1493 

Статья посвящена методу определения состава расплава в процессе 
восстановительной плавки оксида никеля в электродуговой печи, который основан на спектральном анализе шумов печи. Идея заключается в 
том, что увеличение содержания оксидов металла в расплаве, сопровождается бурлением и образованием микровзрывов вблизи электродов, что 
приводит к увеличению амплитуды звукового сигнала на определенных
частотах. Сделаны выводы о возможности применения данного метода
для определения состава расплава в реальном времени. 
Ключевые слова: спектральный анализ, электродуговая печь, плавка оксида никеля, полосовая фильтрация. 

УДК 669

©  Губин В.В., Фирсов А.Ю., 2013 
©  Издательство «Горная книга», 2013 
ISSN 0236-1493 

©  Дизайн книги. Издательство  
«Горная книга», 2013 

 
 

Целью восстановительной плавки монооксида никеля является получение жидкого никеля. Плавку осуществляют в электродуговых печах за счет тепла, выделяющегося при горении электрических дуг между электродами и металлом. Печи по устройству схожи с дуговыми сталеплавильными электропечами. 
Основными химическими реакциями, протекающими в печи, 
являются: 
NiO + CO = Ni + CO2                                                                 (1)  
CO2 + C = 2CO                                                                           (2) 
NiO + C = Ni + CO                                                                     (3) 
При расплавлении шихты свободный углерод и оксид никеля 
растворяются в расплавленном металле, при этом происходит 
«науглероживание» ванны металла по реакции: 
3Ni + C = Ni3C                                                                            (4) 
с образованием карбида никеля, который при растворении в металле взаимодействует с оксидом никеля по реакции: 
Ni3C + NiO = 4Ni + CO                                                              (5) 
Растворимость углерода в металле высока, причем с увеличением количества углерода в металле резко падает его температура плавления, снижаясь до 1315 ºC для сплава, содержащего 2,2 
% C. Из этого следует, что в электропечь необходимо загружать 
никель с избытком восстановителя и получать при этом науглероженный металл. При доводке металла этот избыток углерода 
легко удаляется присадкой огарка в жидкий металл, при этом 
протекает реакция 3. 
При протекании реакции обезуглероживания выделяется значительное количество окиси углерода, всплывающие пузырьки 
которого интенсивно перемешивают металл. При перемешивании 
расплава, металлы с высокой концентрацией углерода взаимодействуют с оксидом никеля, растворенном в ванне по реакции 5. 
За счет конвекции порции металла, обогащенные углеродом, 
из приэлектродной зоны непрерывно уносятся вглубь ванны расплавленного металла, где при перемещении реагируют с металлом ванны. Если основная масса расплавленного металла имеет 
повышенное содержание углерода, то выделение окиси углерода 
по реакции 3 невелико, сильного бурления  
ванны не происходит и дуговой разряд в нем протекает спокойно 
без сильного шума. 

Если же основная масса расплавленного металла содержит 
повышенное количество оксида никеля, то выделение окиси углерода из расплава по реакции 6 носит характер часто следующих друг за другом микровзрывов в приэлектродной зоне. За счет 
такого бурного выделения окиси углерода, уровень ванны под 
электродом непрерывно меняется и меняется расстояние между 
электродом и расплавом, что приводит к частым нарушениям дугового разряда. 
От плавильщика в это время требуется определить перекислен металл или нет для того, чтобы сделать вывод о необходимости загрузки дополнительного количества угля. Как правило, 
оценка производится плавильщиком на слух по характерному оттенку звука на фоне  сильного шума электропечи. Отсутствие 
строгих критериев оценки делает процесс крайне зависимым от 
квалификации и опыта плавильщика. 
Экспериментальные данные представлены звукозаписью 
шумов работающей электропечи и графиком состояния металла 
по экспертной оценке плавильщика и графиками подачи оксида 
никеля и кокса. Целью анализа спектров сигналов является сравнение шумов печи в моменты времени, соответствующие нормальному и повышенному содержанию оксида никеля в расплаве. 
На рис. 1 представлена совокупность АЧХ звуковых сигналов, взятых в различные моменты, по которым можно заметить 
разницу в спектрах сигналов в моменты времени с различным содержанием оксида никеля в расплаве. Различия наблюдаются в 
диапазоне частот от 0.8 до 2 кГц. 
Следующим этапом является расчёт параметров фильтра, который бы пропускал нужную полосу частот. Звукозаписывающее 
устройство может быть установлено на различном расстоянии от 
печи. При удалении или, наоборот, приближении его к электропечи, будет происходить ослабление (усиление) данного сигнала 
по отношению к эталонному, что может вносить помехи  в работу 
алгоритма. 
Чтобы избежать данного эффекта, необходимо определять 
состояние жидкого металла по отношениям их спектральных 
мощностей определённых диапазонов частот. С этой целью выбирается ещё один фильтр, аналогичный первому, но уже для 
другого отрезка частот. Амплитудные пики этого интервала  

Рис. 1. АЧХ шума печи для металла в разных состояниях 
 
должны соответствовать частотам, кратным промышленной частоте, и являются постоянными, т. е. не зависят от состояния металла в выбранный нами момент времени.  
Проверка качества работы фильтров выполнена по контрольной  временной выборке. Алгоритм выполняет фильтрацию и последующее усреднение шумов. На рис. 2 и показан результат обработки сигнала шума электропечи и выделены время сделанных 
плавильщиком показаний о повышение концентрации оксида никеля. При сопоставлении двух сигналов, можно сделать вывод об 
удовлетворительной работе алгоритма. 
Дальнейшая обработка полученной зависимости заключается 
в определении порога срабатывания сигнала об изменении состояния металла. В данном случае порог сильно занижен, до значения 0.1. Во избежание ложных срабатываний вводится ограничение, согласно которому значение переменной, которое свидетельствует о состоянии металла, сменяется с некоторой задержкой, в течении которой должен поддерживаться уровень сигнала,  

1

1 

2 

2 

Рис. 2. Графическая зависимость отношений спектральных мощностей реального и эталонного сигналов 
 
превышающий порог срабатывания. Результаты работы алгоритма в 
сравнении с показаниями плавильщика изображены на рис. 3. 
 
 

 
 
Рис. 3. Временная диаграмма состояния металла, соответствующего нормальному и повышенному содержанию оксида никеля 
 

Идея данной работы может быть использована для создания 
алгоритма определения состава расплава в реальном времени, который может быть основой для нечеткой системы управления на 
основе экспертной оценки несколько специалистов-плавильщиков. В качестве переменной в такой системе может использоваться степень готовности металла. Наличие нескольких опрашиваемых позволило бы более широко ранжировать состояние переменной, например, использовать такие нечеткие множества, как 
«большой избыток оксида никеля», «малый избыток оксида никеля», «слабый избыток восстановителя», «нормальный избыток 
восстановителя», «сильный избыток восстановителя». Использование данного способа позволяет автоматизировать процесс 
плавки монооксида никеля в электродуговой печи, и тем самым 
увеличить чистоту получаемого продукта, оптимизируя содержание в нем оксидов никеля на этапе доводки. 
 
 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
 

1. Общая металлургия [Текст]: учебник для вузов / Воскобойников 

В. Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. – 6-изд., перераб. и доп. – М.: ИКЦ 
«Академкнига», 2002. – 768с.: 253 ил. – ISBN 5-94628-062-7. 

2. Переработка окисленных никелевых руд [Текст]: книга / Л. И. 

Пименов, В.И. Михайлов. - М.: «Металлургия», 1972. – 336 с. 

3. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6. Обработка сигналов и проек
тирование фильтров [Текст]: книга / В. П. Дьяконов. - М.: СОЛОНПресс, 2005. - 576. – ISBN 5-98003-206-1. 

4. Алгоритмы и процессы цифровой обработки сигналов [Текст]: 

книга/ Солонина А.И., Улахович Д.А., Яковлев Л.А. - СПб.: БХВПетербург, 2002. - 464. – ISBN 5-94157-065-1. 
 
 
 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
Губин В.В., Фирсов А.Ю.    
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА В ПРОЦЕССЕ 
ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ПЛАВКИ МОНООКСИДА НИКЕЛЯ В 
ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЕЧИ............................................................................ 3 

CONTENT 
 
Gubin V.V., Firsov A.Y. 
THE METHOD FOR THE DETERMINATION THE STATE OF METAL  AT 
PROCESS OF REDUCTION SMELTING NICKEL MONOXIDE IN ELECTRIC 
ARC FURNACE ................................................................................................................3 
 
The article is devoted to a method for determining the composition of the 
melt in the process of smelting reduction of nickel oxide in an electric arc furnace, which is based on spectral analysis of the noise furnace The idea is that 
an increase in the content of metal oxides in the melt is accompanied by the 
formation of microexplosions near the electrodes, which increases the amplitude of the sound signals at certain frequencies. It was concluded that this 
method can be used for determining the composition of the melt in real time. 
Key words: Spectral analysis, Electric arc furnace, melting of nickel oxide, 
band-pass filtering. 
 
UDC 669 
 
REFERENCES 
1. Obshchaya metallurgiya [Tekst]: uchebnik dlya vuzov / Voskoboinikov V. 
G., Kudrin V.A., Yakushev A.M. (Overall metallurgy [Text]: a textbook for high 
schools) – 6-izd., pererab. i dop. – M.: IKTs «Akademkniga», 2002. – 768s.: 
253 il. – ISBN 5-94628-062-7. 
2. Pererabotka okislennykh nikelevykh rud [Tekst]: kniga (Recycling 
oxidized nickel ores [Text]: book)/ L. I. Pimenov, V.I. Mikhai-lov. - M.: «Metallurgiya», 1972. – 336 s. 
3. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6. Obrabotka signalov i proektirovanie fil'trov [Tekst]: kniga (Signal processing and filter design [Text]: book) / V. 
P. D'yakonov. - M.: SOLON-Press, 2005. - 576. – ISBN 5-98003-206-1. 
4. Algoritmy i protsessy tsifrovoi obrabotki signalov [Tekst]: kniga 
(Algorithms and processes the digital signal processing [Text]: book )/ Solonina 
A.I., Ulakhovich D.A., Yakovlev L.A. - SPb.: BKhV-Peterburg, 2002. - 464. – 
ISBN 5-94157-065-1. 
 
 
 

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ 
  
Губин Владимир Вячеславович – аспирант кафедры автоматизации технологических процессов и производств, e-mail: gubin.vl@gmail.com 
Фирсов Александр Юрьевич – доцент кафедры автоматизации технологических процессов и производств, кандидат технических наук, e-mail: 
firs@spmi.ru 
Национальный минерально–сырьевой университет «Горный». 
 

Компьютерная верстка и подготовка
оригинал-макета
Дизайн обложки
Зав. производством
Полиграфическое производство

Е.Б. Капралова
Н.Д. Уробушкина
.Н.

И.А. Вершинина

Л
Файнгор

Подписано в печать 1
1
Формат 60 90/16.
Бумага офсетная
1. Гарнитура «Times».
Печать трафаретная на цифровом дупликаторе.
Усл. печ. л.
. Тираж
экз.

9. 1.13.
х

0,56
500
Изд.
2765

№

№

Выпущено в авторской редакции

Отпечатано в типографии
издательства «Горная книга»

Горный информационно-аналитический
бюллетень (научно-технический журнал).
Отдельная статья (специальный выпуск)

Режим выпуска «молния»

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ
МЕТАЛЛА В ПРОЦЕССЕ
ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ПЛАВКИ
МОНООКСИДА НИКЕЛЯ
В ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЕЧИ

Владимир Вячеславович Губин
Александр Юрьевич Фирсов