Устройство контроля температуры металла в конвертере Советский патент 1983 года по МПК C21C5/30 

Изобретение относится к контролю температурного режима -конвертерного процесса и может быть использовано в мартеновских и электродуговых печах. Известно устройство контроля температуры металла в конвертере, содержащее термопару, установленную в футеровке агрегата ниже уровня ме- . талла, -и снабженное защитными наконечниками 1 . Известно также введение термопары в агрегат при помощи специального термозонда 2 . Устройства имеют малый срок службы (3-4 плавки), обусловленный низкой стойкостью защитных наконечников или же низкую точность вследств.ие оттока тепла по наконечнику и футеровке. При использовании термозонда точность контроля снижается вследствие больших градиентов температуры ванны во время продувки,-кроме того в этом случае невозможно обеспечить непрерывный замер. Наиболее близким к изобретению является устройство контроля температуры металла в конвертере, содержащее электрод, установленный в ядр факела, измеритель тока, блокз.питания, вычислительный блок, соединенный с указателем. Измерение произво дится в межэлектродном промежутке зонд - земля. Электропроводност Факела находится (согласно закону Ома) по величине электрического ток текущего через межэлектродный проме жуток, и приложенног9 напряжения 3 Закон Ома для плазмы выполняется только при небольших напряжениях между электродами на начальном, пря молинейном участке вольтамперной ха рактеристики. При напряжениях, которые больше критических, ток через плазму не за висит от величины прикладываемого напряжения, т.е. выходит на насыщение вплоть до напряжения, при котором происходит пробой в газе и зажигается разряд. Таким образом, в прототипе измеряется ток через плазму на начальном, прямолинейном участке вольтамперной характеристик межэлектродного промежутка, ти е. при напряжениях меньших, чем напряжения, характерные для режима насьяцения . Устройство имеет низкую точность вследствие того, что электропроводность факела (величина тока и напря жения на прямолинейном участке воль амперной характеристики) неоднознач но связана с температурой металла, так как, Кроме температуры металла, на электропроводность влияют скорос обезуглероживания и режим шлакообра зования. Цель изобретения - повшиение точности контроля. Поставленная цель достигается тем, что устройство контроля температуры металла в конвертере, сод-ержатдее электрод, измеритель тока,блок питания, вычислительный блок, соединенный с указателем температуры металла, дополнительно содержит электрод, установленный в металле, измеритель контактной разности потенциалов, блок управления, три блока памяти, причем входы измерителя контактной, разности потенциалов соединены с электродами, установленньлии соот-ветствённо в ядре факела и в металле, а выход - с входом блока управ- ления, к которому также подсоединены выходы измерителя тока и блока питания, кроме того, выходы блока управления соединены с вычислительным блоком и с измерителем контактной разности потенциалов непосредственно и через измеритель тока, а также соответственно через первый, второй и третий блоки памяти - с вычислительным блоком, который соединен со входом блока управления. Вычислительный блок содержит четыре узла суммирования, четыре узла умножения, два узла функционального преобразования, узлы деления, задержки и компенсирующего преобразователя, причем выход первого узла суммирования через первый узел умножения подсоединен к входу второго узла суммирования, вход которого, кроме того, соединен через второй узел умножения и первый узел функционального преобразования с узлом компенсирующего преобразования, а выход второго- узла суммирования соединен с входом узла деления, к которому, кроме того, через второй узел функционального преобразования и третий узел суммирования подсоединены выходы третьего и четвертого узлов умножения, выходы узла деления подсоединены к четвертому узлу сумсирования и узлу компенсирующего преобразования, в свою очередь, один выход которого через узел задержки подсоединен к четвертому узлу суммирования, а другой выход непосредственно соединен с вторым узлом умножения . Блок управления содержит узел И, узел НЕ, таймер и реле времени с восемью контактами, причем вход реле времени через таймер и узел И соединен с выходом узла НЕ, входы второго и четвертого контактов реле времени соединены между собой, входы третьего и пятого контактов реле времени соединены между собой, выходы второго и третьего контактов реле времени соединены между собой, выходы четвертого и пятого контактов реле времени соединены между собой, входы шестого и седьмого контактов реле временисоединены между собой. В основе устройства лежит опреде ление тока термоэлектронной эмиссии с поверхности расплавленного металл величина которого связана с темпера турой металла, и работы выхода , электронов. Измерениэ- токов проводи мости в режиме насыщения между элек родом и.металлом при. ра:вных положительном и отрицательном напряжении на электроде позволяет определить ток термоэмиссии с поверхности металла, а измерение контактной разности потенциалов между э;;ектродом и металлом позволяет определить работу выхода электронов с поверхнЬсти металла во время продувки. Электрический ток в факеле кислородного конвертора обусловлен наличием в нем ио.нов и электронов. Вв ду более низкой подвижности ионов по сравнению с электронами ток проводимости в режиме насыщения ограни чивается ионной составляющей тока из плазмы. . При отрицательном относительно ванны напряжении на электроде ток насыщения 1 равен 15.-2Ь:)и где I - ток насыщения при отрица. тельном напряжении- на электроде. А; . 5 - площадь эмитирующей повер ности электрода, определяемая его геометрией, м j .- плотность ионного тока При положительном напряжении на электроде происходит кажущееся уве.личение ионного тока на величину тока термоэмиссии с поверхности металла151-2Е(вм + 5.) ЗтэЗ, (7.) где Ig - ток.насыщения при положи. тельном напряжении на электроде, .А; 5 - площадь эмитирующей noBepi ности металла (определяет ся геометрией конвертера) . Sy, площадь холодной (неэмити рующей) поверхности, элект рически контактирующей с эмитирующей поверхностью металла (определяется кон струкииёй конвертера и местом расположения электрода) , j - плотность термоэмиссионног тока, А/м . Плотность термоэмиссионного тока определяется температурой металла и работой выхода электронов j.oLoT O- , ) где cLy - ричардсоновйкая термоэлектронная постоянная,А/(м/ к ) Т - температура металла. К; Ф - работа выходаэлектронов . с поверхности металла, В, Так как поверхность расплава представляет собой смесь металла и шлака, то величина Ч для. такой поверхности лежит в пределах 3,8-5,3 В, что для характерных температур дает значение термоэмиссионного тока . Изменение Ч за счет колебания химического состава поверхности расплава во время продувки контролируется по изменению контактной разности потенциалов между электродом и ванной, например, по методу Томсона-Зисмана . ., где а.. контактная разность потенциалов , В ; работа выхода электронов с поверхности электрода, В. С учетом соотношений (1).- (4)/ находят температуру металла из слеующег.о выражения: ТО40(икН9)(5) doT.O т -c- La- -iUi ol-f м%) . -а USw 2s,, Из выражения (5) следует, 2e(VJoT).e(Лsz-oi.I..). откуда Teg- ()-5040() , I -, (Т ) fg-Uilsa-o-il) ; Таким .образом, ибпользование дополнительно вводимых электрода,.установленного в металле, измерителя контактной разности потенциалов,блока управления, трех блоков памяти и связей между ними позволяет производить контроль температуры металла в конвертере с более высокой точностью, так как при этом устраняется составляющая погрещности, вызываемая неоднозначной связью электропроводности факела с температурой металла (кроме температуры металла,на электропроводность влияет скорость обезуглероживания и режим шлакообразования) . На фиг.1 представлена блок-схема устройства; на фиг.2 - внутренняя структура вычислительного блока; на фиг.З - внутренняя структура блока .управления; на фиг.4 - диаграмма последовательности срабатывания кон тактов реле времени (fg, - продолжи .тельность времени вычисления значения температуры); на фиг.З - п&имер Вычисления температуры металла. . Устройство контроля температуры металла в конвертере (фиг.1) содержит электрод 1, установленный в ядре факела, электрод 2, установленный в металле, конвертер 3, измеритель 4 контактной разности потенцйеуюв, блок 5 управления, измеритель 6 тоka, .блок 7 питания, измеритель 8 расхода кислорода, измеритель 9 расстояния сопла фурмы до уровня спокойного металла, фурма 10, датчик 11 расхода кислорода, датчик 12 расстоя ния сопла фурмы до уровня спокойного металла, первый блок 13 памяти, второй -блок 14 памяти, третий блок 15 памяти, вычислительный блок 16,. указатель 17 температуры металла. Электрод 1, выполненный, например в виде водоохлаждаемого зонда, установлен в ядре факела, а электрод 2, выполненный, например, в виде ме.- . таллического штыря, установлен в футеровке конвертера.3 ниже уровня металла в зоне износа огнеупорного кирпича. Электроды 1 и 2 соединены с измерителем 4 контактной разности потенциалов, выход которого соедине .с блоком 5.управления. Электрод 1 соединен также через измеритель 6 тока, блок 5 управления с блоком 7 питания, который, кроме того, через блок 5 управления соединен с электродом 2. Выход измерителя 6 тока, со динен с блоком- 5 управления, к кото рому крЬме того, подключены измеритель расхода 8 кислорода.и расстоян 9 сопла фурмы 10 до уровня спокойно го металла, соединенные-с соответст вующими датчиками 11 и 12. Выход бл ка 5 управления соединен с первым 13, вторым 14 и третьим 15 блоками памяти, которые через вычислительны блок 16 соединены с указателями 17 температуры металла. Внутренняя структура вычислитель ного блока (фиг.2) содержитпервый узел 18 суммирования, первый узел 1 умножения, второй узел 20 суммирова ния, второй узел 21 умножения, первый узел 22 функционального преобра зования; узел 23 компенсирующего преобразования, узел 24 деления, второй узел 25 функционального преобразования, третий узел 26 суммиро вания., третий узел 27 умножения, четвертый узел 28 умножения, четвер тый узел 29 суммирования, узел 30 задержки, Выход первого узла 18 суммирования выгчислительного блока через nep вый узел 19 умножения подключен к входу; второго узла 20 суммирования, который, кроме того, связан через второй узел 21 умножения, первый узел функционального преобразования 22 с узлом 23 компенсирующего преобразования. Выход второго узла 20 суммирования связан с в-ходом узла 24 деления, к которому, кроме того, через второй узел функционального преобразования 25 и третий узел 26 суммирования подключены выходы третьего 27 к четвертого 2.8 узлов умножения. Выход узла деления 24 подключен к четвертому 29 узлу суммирования и узлу 23 компенсирующего преобразователя, выход которого, в свою очередь, через узел задержки 30 подсоединен К; четвертому узлу 29 суммирования и непосредственно к. второму-узлу 21 умножения. Узлы вычислительногчэ блока могут быть выполнецы, например, на базе блоков КТС ЛИУС-2. Внутренняя, структура блока управления (фиг.З} содержит узел И 31, узел НЕ 32, таймер 33, .реле времени 34, первый - восьмой контакты реле времени 1РВ - 8РВ/ Вход узла И 31 блока 5 управления связан с узлом НЕ 32. Выход узла И 31 .подсоединен через таймер 33 к реле 34 времени. Входы второго 2РВ и четвертого 4РВ к-онтактов ре.ле времени соединены между собой, а входы третьего ЗРВ и пятого 5РВ контактов также соединены между собой. Выходы второго 2РВ и третьего ЗРВ контактов соединены между собой, выходы четвертого 4РВ и пятого 5РВ кон.тактов также соединены между собой. Входы шестого 6РВ и- седьмого 7РВ контактов соединены между собой. Устройство работает, следующим образом. При опускании фурмы 10 в конвертер. 3 .и подаче кислорода напряжения ОТ-датчиков- 11 расхода .кислорода и 12 расстояния соп.ла фурмы до уровня спокойного металла передается к соответствующим измерителям 8 и 9. -При достижении этими параметрами значения, равного 75% номинального, срабатывают позиционные контакты в измерителях В и 9, включающие блок 5 управления. Блок 5 управления подключает выход измерителя 4 контактной разности потенциалов., например, электронно.го потенциометра, к первому блоку 13 памяти, например, вторичному прибору Харьковского завода КИП. Измеритель 4 измеряет контактную разность потенциаловмежду электродом1 и поверхностью расплава, обусловленную разностью работ выхода. Таким образом, показания первого блока 13 памяти будут пропорциональны величине 0| Далее блок 5 управления отключает измеритель 4 от блока памяти 13 и подключает блок 7 питания в цепь электрод 2 - факел электрод 1 - измеритель 6 тока. Блок 7 питания вырабатывает пилообразный импульснапряжения, При подходе уровня напряжения к максимальному значению блок 5 -управления подключает выход измерителя. 6 тока, например амперметр, к второму блоку 14 памяти. При этом показания блока 14 памяти пропорциональны величине ii Далее блок 5 управления отключает .блок 14 памяти от измерителя 6 тока, производит переключение полярности цепи-и при подходе уровн-я напряжения к максимальному блок 5 управления, подключает выход измерителя тока 6 к третьему ьлоку 15 памяти. При этом показания блока 15 памяти пропорциональны величине 15/2. . Блок 5 управления подает команду в вычислительный блок 16 на .проведение вычислений значения температуры по соотношению (7). Вычисленное значение передается в указатель 17 температуры металла, выполненный в виде сумматора, преобразующего значение температуры из абсолютной в градусы Цельсия.Одновременно из вычислительного блока 16 в бло.к 5 управления поступает сиг нал об окончании измерений. По этому сигналу блок 5 приводит устройство в начальное положение и цикл измерения повторяется. При окончании продувки позиционные контакты в измерителях 8 и 9 размыкаются И блок управления 5 отключается.

Вычислительный блок 16 работает следующим образом.

Напряжение, пропорциональное величине , поступает с второго блока памяти 14 в третий узел умножения 27 , . где происходит вычисление величины о(.2 15 , а напряжение, про-, пордиональное величине . г поступае с третьег о блока памяти 15 в четвертый узел умножения 28, где происходит вычисление величиныЫ 1 . .Выходные напряжения узлов 27 и 28 поступают в третий узел суммирования 26, выходное напряжение которого . пропорционально величине (of-tf г..з Вь1ходное напряжение с узла 26 поступает во второй узел 25 функциональ-, ного преобразования, выходное напряжение которого, пропорциональное неличине Е (oi ,.1 S-) поступает в узел-Деления 24. Напряжение, пропорциональное величине UK , посту-, пает -с первого блока памяти 13 в первый узел суммирования 18, в который в качестве задания введена величина Нэ Выходное напряжение узла

18,пропорциональное величине() поступает в первый узел умножения

19,в котором производится вычисление величины 5040 (--к Э Напряжение, пропорциональное произвольному значению температуры металла, поступает 23 компенсирующего преобразования в первый узел 22 функционального преобразования, выходное напряжение которого пропорционально величине 2 & (iQ) . С выхода узла 22 напряжение поступает во второй узел 2Г умножения, куда одн.овременно поступает напряжение с выхода узла 23. Таким образом, на вход второго узла суммирования 20 поступает напряжение, пропорциональное величине STfo- (VdoT ) / а с выхода снимается напряжение, пропорциональное числителю выражения (7). Напряжение с выхода узла 20 поступает в узел 24 деления, с выхода которого снимается напряжение, пропорциональное правой части выр.ажения (7). Полученное напряжение поступает в узел 23 компенсирующего преобразователя, где устанавливае1с новое значение Т, равное значению в прав.ой части выражения (7) . Найденное значение Т является корнем уравйения (7). Одновременно напряжения с узлов 24 и 23 поступают в четвертый узел суммирования 29, причём напряжение с узла 23 предварительно задерживается в узле 30 задержки. При равенстве этих напряжений с выхода узла 29 снимается напряжение, соответствующее логическому нулю, которое поступает в блок 5 управления, как сигнал об окончании расчета .температуры. Узел 30 задержки позволяет избежать подачи ложных сигналов в блок 5 управления в переходных режимах ... Блок управления 5 работает следующим образом.

Напряжения от позиционных контактов измерителей 8 и 9, соответствующие .логической единице в течение продувки, поступает в узел И. 31. Туда же поступает инвертированный в узле НЕ 32 сигнал вычислительного блока 16, свидетельствующий об окончании вычисления значения температуры. Узел И 31 срабатывает и включает таймер 33, который запускает реле времени 34. Срабатывает первый контакт 1РВ реле времени, который подключает выход измерителя 4 контактной разности потенциалов к первому блоку.13 памяти. Далее контакт 1РВ размыкается, срабатывают контакты 2РВ и 5РВ, подключающие блок 7 питания к цепи электрод 2 - ванна факел - электрод 1 - измеритель тока По истечении времени, необходимого для достижения током режима насьпцения, срабатывает контакт 6РВ, подключающий выход измерителя б тока к второму блоку 14 памяти. Далее контакты 2РВ, 5РВ и бРВ размыкаются, а

срабатыва вт контакты ЗРВ и 4РВ, подключающие блок питания электрод 2 ванна - факел - электрод 1 - измеритель б тока. По истечении времени, необходимого для достижения током режима насыщения, срабатывает контакт 7РВ, подключающий выход измерителя 6 тока к третьему блоку 15 памяти. Далее контакты ЗРВ, 4РВ и 7РВ размыкаются и срабатывает контакт 8РВ, включающий вычислительный блок 16 в режим расчета. После окончании расчета узел 31 И отпирается, включая таймер 33, и цккл контроля температуры повторяется.

На фиг.5 представлен пример вычисления температуры металла Т 1800 к при следующих значениях параметров: ,8 В, ,064 А

,721 А, 4,1 В, о(.,3,8 «

-0,167 м . Численные значения последовательной 4 кратной итерации. К: 1600,000 - 1813,522 - 1799, 147 - 1800,054. Дальнейшие вычисления проводить нецелесообразно так как искомое значение температуры находится между величинами, отличающимися менее чем на 1 К 1799,996 ,1800,00 - 1800,000 ...

Исследование показывает, что стан дартное отклонение температуры металла от действительной по сравнению С базовым объектом уменьшается на 1,, что приводит к снижению себестоимости на 0,07 руб/т стали за счет повышения производительности конвертера на 1,5% вследствие сокращения промежуточных повалок, повышения стойкости футеровки на 2% и снижения брака на 0,1%.

1. УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ МЕТАЛЛА В КОНВЕРТЕРЕ, содержащее электрод, .измеритель тока, блок питания, вычислительный блок, соединенный с указателем темпера-туры металла, о -т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности контроля, оно -дополнительно содержит электрод, установленный в металле, измеритель контактной разности потенциалов,блок управления, три блока памяти, причем входы измерителя контактной разности потенциалов соединены с электродами, установленными соответственно в .ядре факелу и в металле, а выход с входом блока управления, к которому также подсоединены выходы измерителя тока и блока питания, кроме того, выходы блока управления соединены с вычислительным блоком и с из- . мерителем контактной разности потенциалов непосредственно и через измеритель тока, а также соответственно чере.з первый, второй и тр.етий блоки памяти - с вычислительным блоком, который соединен с -входом блока управления. 2. Устройство по п.1, ,о т л ичающе.еся тем, что вычислительный блок содержит четыре узла cyMTvjHpoBaHHH, четыре узла умножения, два узла функционального преобразовани, узлы деления, задержки и компенсирующего преобразования,, причем выход первого узла суммирования через первый узел умножения -подсоединен к входу второго узла суглмирования, вход которого, кроме того, соединен через второй узел умножения и первый узел функционального преобразования с узлом компенсирующего преобразования, а выход второго узла сум1«шрования соединен с входом узла деления, к котором,, кроме того, че,рез- второй у.зел функционального преG S образования- и третий узел суь.шрования подсоединены выходы третьего и (Л четвертого узлов умножения, выходы узла деления подсоединены к четвер тому узлу суммирования и узлу- компенсирующего преобразования, в свою, йчередь, од|1н выход которого через узел задержки подсоединен к четвер тому узлу сумг ирования, а другой выход непосредственно соединен с вторым узлом умножения. 3. Устройство по п. 1,. о т л ичающееся тем, что блок уп.равления содержит узел И, узел НЕ, :таймер и реле времени с восемью контактами, причем ВХОД реле времени через таймер и узел И соединен с выходом узла НЕ, входы второго и четвертого контактов реле времени соединены между собой, входы третвего и пятого контактов реле времени соединены между собой, выходы второго и третьего контактов реле времени соединены между собой, выходы четвертого и пятого контактов реле времени соединены между собой, входы шестого и седьмого контактов реле .времени соединены между собой .

Sm 5/1 от 5

Dmbfloxais

Dm 114 l 15

2f

Dtnij3/ia 29 A ffenfi A К Dm измерите/) 3

JJ 2PB 3Pb PB WB , Щ :4V

/775

Ш

1500 500 1700 то W

фиг.5