СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ РАСПЛАВА В КОВШЕ Российский патент 2008 года по МПК G01F23/14 C21C7/72 

Изобретение относится к металлургическому производству, в частности к способам измерения уровня расплавов в ковшах на установках продувки стали инертными газами при использовании для продувки погружных фурм.

Процесс измерения уровня расплава в ковше удобно совмещать с циклом продувки расплава в ходе внепечной обработки стали.

Известен способ использования устройства для рафинирования расплавов, при котором предварительно идентифицируют зависимость давления перед погружной продувочной фурмой от глубины погружения сопла фурмы в расплав Н_м. В фурму подают инертный газ. Измеряют давление газа перед фурмой. Устанавливают зависимость давления перед фурмой от Н_м (с помощью дросселя). С учетом возможного металлостатического напора в ковше задают постоянное давление инертного газа на выходе стабилизатора. Постепенно с заданной скоростью и при одновременной подаче инертного газа опускают фурму в расплав до требуемой Н_м, при этом давление перед фурмой и на выходе редукционного клапана постепенно растет в функции Н_м. Н_м измеряют по величине этого давления [SU, 1068501, С21С 7/072, 1984].

Изобретение не предназначено непосредственно для измерения уровня расплава (металла и шлака) в ковше. В изобретении в функции давления перед фурмой измеряется глубина погружения сопла фурмы в расплав Н_м. Причем в процессе измерения величины Н_м остается неясным, изменилось ли измеренное значение Н_м за счет колебания длины фурмы либо из-за изменения положения зеркала расплава.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения уровня жидкости в открытом резервуаре при продувке ее газом через погружную трубку (см. «Измерения в промышленности», Справочник, под редакцией Агейкина Д.И., М.: Металлургия, 1990, том 2, с.26, 27), включающий погружение в жидкость, уровень которой надлежит измерить, трубки, в которую через небольшой дроссель непрерывно нагнетают сжатый воздух или защитный газ, например азот. Уровень заполнения резервуара измеряют по пневматическому давлению, устанавливающемуся в погружной трубке за дросселем, которое соответствует гидростатическому давлению над концом трубки.

Достоинство способа состоит в том, что измерительный механизм не находится в контакте с измеряемым материалом. Поэтому его очень удобно применять в случае агрессивных, сильно загрязненных, вязких и склонных к кристаллизации жидкостей.

К недостаткам указанного способа следует отнести его непригодность для измерения уровня расплава в ковше при продувке его газом через погружную фурму. При фиксированной, неизменной длине новой фурмы возможны два варианта измерения уровня расплава в ковше, находящемся в установке для продувки стали аргоном (или азотом). Во-первых, когда фурма новая, то есть расплав ей еще не продували. И, во-вторых, если фурма используется повторно, то есть она может быть укороченной. Рассмотренный способ не позволяет измерить уровень расплава в ковше ни в том, ни в другом случае.

Технический результат - измерение уровня расплава в ковше. Это дает возможность реализовать оптимальный режим продувки металла в ковше и тем самым повысить эффективность процесса обработки. Кроме того, измерение уровня расплава в ковше создает условия для измерения массы металла в ковше, что дает возможность повысить точность корректировки химического состава и температуры металла на установке продувки стали инертным газом.

Для этого в способе измерения уровня расплава в ковше при продувке его газом через погружную фурму, включающем измерение давления газа перед фурмой, согласно данному изобретению сглаживают сигнал, характеризующий давление, во времени, определяют на сглаженной зависимости сигнала давления точку перегиба, определяют момент времени t_n, соответствующий найденной точке перегиба на сглаженной зависимости сигнала, характеризующего давление от времени, соответствующей моменту касания соплом фурмы зеркала расплава, производят предварительную оценку среднестатистического уровня днища ковша Н_д, оперативно измеряют величину укорочения фурмы ΔL(t) и определяют по нему величины укорочения фурмы на конец предыдущего цикла продувки Δl_К, непрерывно измеряют положения каретки механизма перемещения фурмы во времени Н_К(t), определяют по зависимости Н_К(t) и по моменту времени t_n положение каретки механизма перемещения фурмы, соответствующего моменту времени t_n, при этом уровень расплава Н_РН в ковше для новой фурмы рассчитывают по математическому выражению: Н_РН=Н_КП-L_Ф-Н_Д, а уровень расплава в ковше Н_РП для повторно используемой фурмы - по математическому выражению: Н_РП=Н_КП - (L_Ф-Δl_К) - Н_Д.

На фиг.1 приведена временная зависимость давления на входе фурмы в процессе измерения уровня расплава в ковше; на фиг.2 - пример устройства для реализации способа.

На фиг.1 обозначено: 1 - контролируемый сигнал давления; 2 - сглаженная временная зависимость давления; 3 - теоретическая кривая изменения давления; 4 - уровень давления до вхождения фурмы в контакт с расплавом; A(t_п; Р_п) - точка перегиба; t_п - момент времени касания фурмой расплава; t_в - момент времени выявления точки перегиба А; Δ_t - запаздывание.

На фиг.2 обозначено: 1 - стабилизатор расхода инертного газа; 2 - датчик давления; 3 - регистратор давления 4, 12 - пороговые элементы; 5 - элемент И; 6 - триггер; 7 - ключ; 8 - сглаживатель; 9 - элемент сравнения; 10, 16, 19 - блоки памяти; 11 - коммутатор; 13, 18 - цифроаналоговые преобразователи (ЦАПы); 14 - генератор тактовых импульсов; 15 - счетчик импульсов; 17 - система измерения величины укорочения фурмы; 20 - кнопка замыкающая; 21 - источник напряжения; 22, 24 - цифровые задатчики; 23 - сумматор-вычитатель; 25 - датчик положения; 26 - фурма; 27 - ковш с расплавом; 28 - зеркало (верхний уровень) расплава; 29 - элемент НЕ; 30 - контрольно-измерительный прибор; Н_р - уровень расплава в ковше, то есть высота столба налитого в ковш расплава.

Вход стабилизатора 1 соединен с подачей инертного газа. Стабилизатор 1 через датчик 2 соединен газопроводом с фурмой 26. Датчик давления 2 через регистратор давления 3, ключ 7, сглаживатель 8, элемент сравнения 9 соединен с коммутатором 11. Одновременно выход регистратора 3 через пороговый элемент 4, элемент И 5 и триггер 6 подключен к управляющему входу ключа 7. Второй вход элемента И 5 соединен с датчиком положения 25. Кроме того, выход порогового элемента 4 через элемент НЕ 29 подсоединен ко второму входу триггера 6, ко второму входу блока памяти 10 и третьему входу блока памяти 16. Выход сглаживателя 8 через блок памяти 10 подсоединен ко второму входу элемента сравнения 9. Положительный выход коммутатора 11 через пороговый элемент 12, генератор тактовых импульсов 14, счетчик импульсов 15 соединен со вторым входом блока памяти 16. Кроме того, датчик положения 25 через ЦАП 13, блок памяти 16 соединен с первым входом сумматора-вычитателя 23. Вторые входы ЦАП 13 и 18 соединены с генератором тактовых импульсов 14. Отрицательный выход коммутатора 11 подключен к управляющему входу сброса счетчика импульсов 15. Выход системы измерения величины укорочения фурмы 17 через ЦАП 18, блок памяти 19 соединен со вторым входом сумматора-вычитателя 23. Третий и четвертый входы этого устройства подсоединены, соответственно, к цифровым задатчикам 22 и 24. Источник напряжения 21 через кнопку замыкающую 20 соединен со вторым входом блока памяти 19. Выход сумматора-вычитателя 23 соединен с входом контрольно-измерительного прибора (цифрового вольтметра) 30.

В качестве технической базы устройства используются, например, следующие элементы. Регистратор давления 3 - самопишущий прибор типа МСТ-712; пороговые элементы (компараторы) 4 и 12 - на микросхеме К554САЗ; элемент И 5 - на микросхеме К155ЛИ1; триггер 6 - универсальный j-k триггер на микросхеме К155ТВ1; ключ 7 - на микросхеме 543КНЗ; сглаживатель 8 - фильтр на базе пассивных RC-цепей потенциального типа; элемент сравнения 9 - на микросхеме К544УД1; блоки памяти 10, 16 и 19 -на микросхемах КР1100СК2; коммутатор 11 - на микросхеме КР590КН6; ЦАП 13 и 18 - на микросхемах 594ПА1; генератор тактовых импульсов 14 - на микросхеме К155АГ1; счетчик импульсов 15 - на микросхеме К155ИЕ2; система измерения величины укорочения фурмы 17 известна и выполнена в соответствии с примером, приведенным в изобретении [RU 2101366 С1, С21С 7/072, 1998]; сумматор-вычитатель 23 выполнен на микросхеме К155ИМ7; кнопка замыкающая 20 - марки КМ-1; источник напряжения 21 - марки Artesyn NAL7605K; цифровые задатчики 22 и 24 - марки МТД SVV-10/4-Р; элемент НЕ 29 - на микросхеме К555ЛАЗ; датчик положения 25 - на базе концевого выключателя серии КУ; 30 - цифровой контрольно-измерительный прибор для измерения напряжения (цифровой вольтметр) - марки АВМ-4307.

Для того чтобы выявить точку перегиба на кривой изменения сглаженного давления от времени, необходимо, чтобы проявилось надежное отклонение этой слаженной кривой 2 от постоянного начального уровня 4 (фиг.1). При этом возникает обязательное запаздывание Δt момента времени t_в выявления точки перегиба относительно момента времени t_п ее фактического возникновения (соответствующего касанию фурмой расплава).

После фиксирования факта возникновения точки перегиба на кривой изменения сглаженного давления от времени предлагается определять и момент времени t_п, когда возникла эта точка. Кроме того, предложено непрерывно измерять зависимость положения каретки механизма перемещения фурмы от времени Н_К(t). Тогда, зная t_п, по зависимости Н_К(t) можно измерить и положение каретки механизма перемещения фурмы Н_КП в момент времени t_п.

Положение ковша с расплавом в установке продувки стали нейтральным газом всегда неизменно и известно: ковш с расплавом своими цапфами опирается на ложементы опор сталевоза (выполненного на базе электрифицированной железнодорожной платформы). В таком случае, зная постоянные геометрические размеры рельс, на которых установлен сталевоз, самого сталевоза и положение ковша в сталевозе, можно оценить среднестатистический уровень (положение над уровнем земли) днища ковша Н_д.

Если фурма новая, то уровень расплава в ковше (высоту столба расплава в ковше) можно найти по выражению:

где Н_рн - уровень расплава в ковше; Н_кп - положение каретки механизма перемещения фурмы в момент времени t_п; L_Ф - длина новой фурмы; Н_д - среднестатистический уровень (положение над уровнем земли) днища ковша.

Если фурма используется повторно, то дополнительно необходимо измерять величину текущего укорочения Δl(t), по которому далее измеряют величину укорочения фурмы на конец предыдущего цикла продувки расплава Δl_к. Оперативное измерение величины укорочения фурмы Δl(t) можно производить известным способом оперативной оценки состояния фурмы при продувке расплава в ковше [RU 2101366 C1, С21С 7/072, 1998].

Это измерение ведется в темпе с процессом продувки. В конце предыдущей продувки (то есть в конце предыдущего цикла продувки) измеряется величина укорочения фурмы на конец предыдущего цикла продувки Δl_к. Далее она используется для измерения уровня расплава в ковше на последующем цикле продувки. При этом уровень расплава в ковше находится по выражению:

где Н_рн - уровень расплава в ковше; Н_кп - положение каретки механизма перемещения фурмы в момент времени t_п; Δl_к - величина укорочения фурмы на конец предыдущего цикла продувки расплава; Н_д - среднестатистический уровень (положение над уровнем земли) днища ковша.

С помощью данного устройства способ реализуется следующим образом.

Перед измерением фурму 26 поднимают над ковшом с расплавом 27 (фиг.2). Нейтральный газ с номинальным расходом подают на фурму 26 через стабилизатор 1 и датчик давления 2. Давление перед фурмой снимают с помощью датчика 2 и фиксируют регистратором 3. Сигнал давления подают в пороговый элемент 4 и на ключ 7. Как только давление газа превысит пороговое значение Рдоп1, на выходе порогового элемента появляется сигнал, который поступает на один вход элемента И 5.

После стабилизации давления на входе фурмы Р (то есть после достижения стабильного давления величины Р_п, см. фиг.1), начинают опускать ее в ковш с расплавом. Еще до касания соплом зеркала металла срабатывает датчик положения 25, закрепленный на направляющих колонны механизма перемещения фурмы. Сигнал с него подают на второй вход элемента И 5. Элемент И формирует сигнал "1" на выходе, свидетельствующий о достижении давлением Р установившегося значения. Сигнал с выхода элемента И подают на триггер 6, который переворачивается и сигналом с выхода открывает ключ 7. С этого момента сигнал давления через ключ 7 подают в сглаживатель 8, в котором он освобождается от случайной помехи. Сглаженный сигнал давления Р=Р_п подают в элемент сравнения 9 и в блок памяти 10. В блоке памяти величину Р_п запоминают вплоть до завершения цикла работы устройства. Сигнал Р_п с блока памяти подают на второй вход элемента сравнения 9.

Формируемую на выходе блока 9 разность ΔP(t)=P(t) - Р_п подают на коммутатор 11. Если ΔР(t)>0, то ее подают в пороговый элемент 12. Он служит для дополнительного демпфирования помехи. При превышении уровня Р_доп2 на выходе порогового элемента формируют сигнал, которым запускают генератор тактовых импульсов 14. Импульсы считают счетчиком импульсов 15. Счет числа импульсов прекращают, осуществляя сброс счетчика 14 в начальное положение, если на отрицательном выходе коммутатора 11 появляется сигнал, который подают на вход сброса счетчика. Это произойдет, если ΔР(1) сменит знак, т.е. станет меньше нуля. Последнее свидетельствует о падении P(t) и отсутствии точки перегиба А (фиг.1).

Сигнал с датчика положения 25 также подают на основной вход ЦАП 13. На синхронизирующий вход цифроаналогового преобразователя подается сигнал от генератора тактовых импульсов 14. При этом ЦАП преобразует аналоговый сигнал с датчика положения 25 в цифровой код в дискретные моменты времени, а именно тогда, когда поступает сигнал с генератора тактовых импульсов 14. В блоке памяти 16 образующийся временной ряд положений (то есть уровней) каретки механизма перемещения фурмы запоминается в цифровой форме. Как только будет обнаружена точка перегиба на кривой изменения сглаженного давления от времени, запустится генератор тактовых импульсов, и счетчик импульсов 15 начнет подсчитывать их число. Сигнал о сумме импульсов из счетчика импульсов 15 поступает на второй вход блока памяти. По цифровому ряду положений каретки механизма перемещения фурмы, запомненному в блоке памяти 16, в сторону, обратную оси дискретного времени, отсчитываются дискретные значения уровней каретки. При этом всякий раз на выходе блока памяти выдается дискретное значение положения каретки, соответствующее точке перегиба Н_кп._{Оно подается на первый вход сумматора-вычитателя 23.}

Из системы измерения величины укорочения фурмы, выполненной в соответствии с примером, приведенным в изобретении [RU 2101366 С1, С21С 7/072, 1998], сигнал о мгновенном значении укорочения фурмы поступает на первый вход ЦАП 18. На его второй вход поступает сигнал с генератора тактовых импульсов 14. С частотой тактовых импульсов ЦАП преобразует аналоговый сигнал об укорочении фурмы в цифровые коды. Численное значение укорочения фурмы в цифровой форме поступает в блок памяти 19 по первому основному входу и там запоминается. На второй вход блока памяти 19 через кнопку замыкающую 20 поступает сигнал от источника напряжения 21, но только в том случае, если человек-оператор (металлург) нажмет эту кнопку. Человек-оператор нажимает кнопку 20 в том случае, если фурму меняют на новую. В этом случае информация, содержащаяся в блоке памяти 19, обнуляется, так как укорочения у новой фурмы изначально нет.

От цифрового задатчика 22 на третий вход сумматора-вычитателя 23 подают сигнал о выраженном в цифровом коде, среднестатистическом уровне (положении над уровнем земли) днища ковша Н_д. От цифрового задатчика 24 на четвертый вход сумматора-вычитателя 23 подают сигнал о выраженной в цифровом коде, фиксированной и постоянной длине новой фурмы l_ф. В сумматоре-вычитателе 23 вычисляется величина уровня расплава в ковше согласно формуле (2). В сумматоре-вычитателе 23, как частный случай (когда укорочение фурмы равно нулю), вычисляется и уровень расплава в ковше по формуле (1). Контрольно-измерительный прибор 30 отображает измеренное значение уровня расплава в ковше по сигналу от сумматора-вычитателя 23.

При завершении цикла продувки расплава нейтральным газом и прекращении подачи газа в фурму 26 на выходе порогового элемента 4 исчезает сигнал. На выходе элемента НЕ 29 возникает «1». При поступлении «I» на второй вход блока памяти 10 и на третий вход блока памяти 16 происходит обнуление данных блоков. Одновременно сигналом по второму входу триггер 6 переворачивается в исходное положение. Однако полностью в исходное положение устройство не приходит: блок памяти 19 сохраняет информацию об имеющемся укорочении рабочей фурмы. Сигнал о накопившемся укорочении фурмы продолжает поступать в сумматор-вычитатель 23.

Полностью устройство приходит в исходное положение, если дополнительно сменить фурму на новую и при этом - нажать кнопку 20. Тогда информация об укорочении фурмы, содержащаяся в блоке памяти 19, обнулится и сигнал по второму входу сумматора-вычитателя исчезнет.

Пороговое значение давления Р_доп1 устанавливают заранее из соотношения Р_доп1≈0,8 Р_пср, где Р_пср - среднестатистическое давление в точке перегиба A(t_п; Р_п) (фиг.1) по множеству продувок.

Пороговое значение давления Р_доп2 устанавливают заранее по выражению: Р_доп2≈(0,03-0,05) Р_пср. Меньшее значение коэффициента соответствует наличию анкерной отсечки шлака на установке внепечной обработки стали, а большие - ее отсутствию.

Изобретение относится к металлургическому производству, в частности к способам измерения уровня расплавов в ковшах на установках продувки стали инертными газами, например азотом либо аргоном, при использовании для продувки погружных фурм. Технический результат - возможность измерения уровня расплава в ковше. Согласно изобретению предварительно оценивают среднестатистический уровень (положение над уровнем земли) днища ковша. Измеряют и фиксируют постоянную от цикла к циклу продувки расплава длину новой фурмы. Опускают фурму в расплав с заданной скоростью при одновременной подаче инертного газа с тем же расходом, что и во время продувки расплава. Непрерывно измеряют зависимость положения (уровня) каретки механизма перемещения фурмы от времени. Одновременно анализируют динамику изменения зависимости давления на входе в фурму от времени. На полученной при этом сглаженной зависимости давления от времени ретроспективно определяют момент времени, соответствующий найденной точке перегиба на сглаженной зависимости давления от времени. Измеряют положение каретки механизма перемещения фурмы, соответствующее точке перегиба. Оперативно измеряют величину укорочения фурмы, по которому измеряют величину укорочения фурмы на конец предыдущего цикла продувки. Уровень расплава в ковше для новой фурмы рассчитывают по первому математическому выражению, а уровень расплава в ковше для повторно используемой фурмы - по второму математическому выражению. 2 ил.

Способ измерения уровня, преимущественно уровня расплава в ковше при продувке его газом через погружную фурму, включающий измерение давления газа перед фурмой, отличающийся тем, что сглаживают сигнал, характеризующий давление, во времени, определяют на сглаженной зависимости сигнала давления точку перегиба, определяют момент времени t_п, соответствующий найденной точке перегиба на сглаженной зависимости сигнала, характеризующего давление от времени, соответствующей моменту касания соплом фурмы зеркала расплава, производят предварительную оценку среднестатистического уровня днища ковша Н_д, оперативно измеряют величину укорочения фурмы Δl(t) и определяют по нему величину укорочения фурмы на конец предыдущего цикла продувки Δl_к, непрерывно измеряют положения каретки механизма перемещения фурмы во времени Н_к(t), определяют по зависимости Н_к(t) и по моменту времени t_n положение Н_кп каретки механизма перемещения фурмы, соответствующее моменту времени t_п, при этом уровень расплава Н_рн в ковше для новой фурмы рассчитывают по математическому выражению Н_РН=Н_КП-L_Ф-Н_Д, а уровень расплава в ковше Н_РП для повторно используемой фурмы по математическому выражению Н_РП=Н_КП-(L_Ф-Δl_К)-Н_Д, где L_Ф - длина новой фурмы.