Устройство для определения окисленности металла Советский патент 1992 года по МПК G01N27/416 C21C5/30 C21C7/06 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к контролю параметров металла в сталеплавильном агрегате.

Известно устройство для определения

окисленности металла, содержащее последовательно соединенные пробницу, измеритель усадки, вычислительный блок и регистрирующий прибор. Получаемая проба имеет форму усеченного конуса с верхним торцом диаметром 32 мм, а нижним - 26 мм, высота пробы 70 мм. При получении закристаллизовавшейся пробы образуется открытая усадочная раковина, что позволяет производить измерение усадки без разрезания пробы и выявления поперечного сечения. Измерение усадки осуществляется глубиномером штангенциркуля с точностью до 0,1 мм.

Устройство работает следующим образом.

В стаканчик-изложницу заливают нераскаленную сталь. Сразу после этого изложницу накрывают картонным стаканчиком с предварительно укрепленным в нем по центру дна алюминиевым прутком или полосой. Через 1,0-1,5 мин картонный стакан снимают. За это время алюминиевый пруток (полоса) расплавляется без остатка. Проба затвердевает, ее выбивают из пробницы и охлаждают в воде. Штангенциркулем замеряют величину усадки металла.

В вычислительном блоке осуществляется определение окисленности металла по следующей зависимости:

,,06, где 0 - окисленность металла, %;

Ус - усадка металла, мм.

VI

ы 1

CJ

го

00

При использовании известного устройства наблюдается низкая точность контроля окисленности металла в сталеплавильном агрегате ввиду низкой точности определения величины усадки металла. Кроме того, 5 наблюдается невысокая воспроизводимость результатов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для определения окисленности 10 металла, содержащее последовательно соединенные датчик окисленности. первый усилитель (согласующий блок), первый функциональный преобразователь и первый пишущий узел с кареткой, содержащий также 15 последовательно соединенные датчик температуры металла, второй усилитель (согласующий блок), второй функциональный преобразователь и второй пишущий узел с кареткой, причем второй выход второго 20 функционального преобразователя соединен с вторым входом первого функционального преобразователя.

Устройство работает следующим образом.25

При погружении датчика температуры в жидкий металл на его выходе появляется термоЭДС, пропорциональная температуре металла, которая усиливается и поступает на вход второго функционального преоб- 30 разователя, в котором определяется стационарный участок, соответствующий температуре металла. Сигнал, пропорциональный температуре металла, поступает на второй вход первого функционального пре- 35 образователя и запоминается.

При погружении датчика окисленности в металл на его выходе появляется ЭДС, кото- рая усиливается усилителем и поступает на первый вход первого функционального пре- 40 образователя, в котором определяется окисленность металла по следующей зависимости:

Ig a0 2,685 10.087 -Е +5661 Т +273

где а0 - активность кислорода в стали, % по массе;

Е - величина ЭДС, mv;

Т - температура металла, °С.

При использовании известного устройства наблюдается низкая точность контроля окисленности металла, обусловленная погрешностями, возникающими ввиду вре- менного дрейфа коэффициента усиления и смещения нулевого уровня входных усилителей, а также влиянием термоЭДС свободных концов термопары на величину

0 5 0

5

0 5

0

5

0

5

измеряемого сигнала датчика температуры металла.

Так, например, при построении входных усилителей на операционных усилителях типа КР 140 УД20А изменение температуры окружающей среды на 10°С приводит к изменению измеряемой величины окисленности на 10-15% относительно показаний устройства при предыдущей температуре окружающей среды (при одной и той же окисленности металла). В известном устройстве в качестве первичного датчика температуры металла использованы термоэлектрические преобразователи, которые основаны на термоэлектрическом эффекте, возникающем в цепи термопары. Градуиро- вочные таблицы для стандартных термопар составлены при условии равенства температуры свободных концов 0°Ј и поэтому необходимо вводить поправку.

Кроме того, известное устройство не позволяет автоматически контролировать момент коммутации входных датчиков одноразового применения, а это приводит к тому, чти возможно ложное определение окисленности металла по случайным помехам, возникающим во входных измерительных цепях при отсутствии коммутации входных датчиков, а также при неисправности последних.

Таким образом, недостатком известного устройства является низкая точность контроля окисленности металла, обусловленная влиянием термоЭДС свободных концов термопары на величину измеряемого сигнала по каналу от датчика температуры, погрешностями, возникающими ввиду временного дрейфа коэффициента усиления и смещения нулевого уровня входных усилителей, а также ложным определением окисленности металла вследствие случайных помех, возникающих во входных цепях первичных датчиков в случае неисправности последних.

Цель изобретения - повышение точности контроля окисленности металла в сталеплавильном агрегате.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения окисленности металла, содержащее датчик окисленности металла, датчик температуры металла и согласующий блок, введены калибратор, датчик температуры окружающей среды, коммутатор, блок контроля коммутации входных датчиков, микропроцессорный блок управления, дисплей и блок цифропе- чати, причем выходы датчика окисленности металла, датчика температуры металла, два выхода калибратора, датчика температуры окружающей среды, а также первый выход

микропроцессорного блока управления подсоединены соответственно к первому - шестому входам коммутатора, первый выход которого через согласующий блок подсоединен к первому входу микропроцессорного блока управления, к второму входу которого подсоединен второй выход коммутатора через блок контроля коммутации входных датчиков, выход дисплея подсоединен к третьему входу микропроцессорного блока управления, второй и третий выходы которого подсоединены соответственно к входам дисплея и блока цифропечати.

На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - схема калибратора и коммутатора; на фиг. 3 - схема микропроцессорного блока управления и блока цифропечати; на фиг.4 - схема дисплея и блока контроля коммутации входных датчиков.

Устройство (фиг.1) содержит датчик 1 окисленности металла, датчик 2 температуры металла, датчик 3 температуры окружающей среды, калибратор 4, коммутатор 5, согласующий блок 6, блок 7 контроля коммутации входных датчиков, микропроцессорный блок 8 управления, дисплей 9, блок 10 цифропечати.

Датчик 1 окисленности металла может быть представлен, например, в виде серийно выпускаемого сменного блока типа СВ5.189.000. Датчик 2 температуры металла может быть представлен, например, в виде серийно выпускаемого термоэлектрического преобразователя 11 типа ТПР-2р75 с диапазоном измеряемых температур 1300- 1800°С. Датчик 3 температуры окружающей среды может быть представлен, например, в виде серийного термопреобразователя 12 сопротивления типа ТСМ-6097 с диапазоном измеряемых температур от -50 до 150°С. Калибратор 4 представляет собой источник опорных напряжений и может быть выполнен, например, на базе операционного усилителя 13типа КР 140УД20А; резистором 14 задается ток через стабилитрон 15, при котором обеспечивается минимальный температурный коэффициент напряжения. Стабилитрон 15 поддерживает на инверсном входе операционного усилителя 13 напряжение 1 В. Выходное напряжение источника равно

Uon UcT+UR,

где UCT - напряжение стабилизации стабилитрона, В;

UR - напряжение на резисторе делителя, В.

В калибраторе 4 в качестве резисторов 14 и 16 могут быть использованы серийные прецизионные резисторы, например, типа С5-60-0.25.

5Коммутатор 5 может быть выполнен, например, в виде релейных переключателей 21-25, каждый из которых может быть выполнен в виде транзисторного ключа 26 и реле 27 (см. фиг, 2).

0 Согласующий блок 6 (фиг. 3) может быть выполнен, например, в виде инструментального усилителя, имеющего высокое входное сопротивление и обеспечивающего установку заданного коэффициента усиления.

5Блок 7 контроля коммутации датчиков

может быть выполнен, например, в виде оп- тронного переключателя 92 и резистора 93 (см. фиг. 4).

Микропроцессорный блок 8 управления

0 (фиг.З ) может быть выполнен, например, в виде постоянного запоминающего устройства 28 емкостью 2 Кбайт, регистра 29. кварцевого резонатора 30, однокристальной микро-ЭВМ 31 типа КМ 1816 ВЕ48, цифроа5 налогового преобразователя 32, регистра 33, большой интегральной схемы последовательного интерфейса 34. компаратора 35. источника 36 опорного напряжения и дешифратора 37.

0 Однокристальная микро-ЭВМ КМ 1816 8Е48 представляет собой БИС, имеющие в своем составе все характерные части небольшой микро-ЭВМ: арифметическо-логи- ческое устройство, устройство управления,

5 перепрограммируемое ПЗУ программ с ультрафиолетовым стиранием (СППЗУ), ОЗУ данных и программно-управляемые интерфейсные схемы. Габариты однокристальной микро-ЭВМ 38 КМ 1816 ВЕ48: 35,5x5.5x15

0 мм.

Дисплей 9 может быть представлен, например, в виде большой интегральной схемы индикации и клавиатуры 38, кнопочных переключателей 39-54, дешифратора 55

5 семисегментного кода, дешифратора 56. семисегментных индикаторов 57-72, транзисторных ключей 73-88, транзистора 89, резисторов 90 и 91, оптронного переключателя 92 и резистора 93 (см. фиг. 4).

0 Блок 10 цифропечати (фиг. 3) может быть выполнен, например, в виде микроконтроллера 94, транзисторного буфера 95 и печатающего механизма 96.

Устройство работает следующим обра5 зом.

После включения электропитания в микропроцессорном блоке 8 управления начинает выполняться программа инициализации, которая приводит устройство в исходное состояние.

В исходном состоянии (см. фиг. 2) транзисторные ключи релейных переключателей 21-25 выключены, и через нормально замкнутые контакты релейного переключателя 24 к термоэлектрическому преобразователю 2 через токоограничивающий резистор 93 подается зондирующее напряжение 12 В (см. фиг. 4, бл. 7). Последовательно в эту цепь включен оптронный переключатель 92. Если сменный блок термоэлектрического преобразователя с датчиком 2 температуры металла не установлен, то ток через оптронный переключатель 92 отсутствует, что приводит к формированию на его выходе сигнала низкого уровня, который поступает в микропроцессорный блок 8 управления на вход ТО микропроцессора 31 и переводит устройство в режим ожидания установки датчика 2 температуры металла. После установки сменного блока термоэлектрического преобразователя с датчиком 2 температуры металла (см. фиг. 4) цепь +12В - резистор 93 - оптронный переключатель 92 - датчик 2 температуры, металла - (-12В) замыкается через его низкое внутреннее сопротивление, что приводит к появлению на выходе оптронного переключателя 92 сигнала высокого уровня и выводит микропроцессор 31 из состояния ожидания, и в устройстве начинает выполняться процедура автоматической калибровки.

Процедура автоматической калибровки осуществляется следующим образом.

По сигналу с выхода микропроцессорного блока 8 управления открывается транзисторный ключ 26 (см. фиг.2), что приводит к размыканию нормально замкнутых контактов реле 27 и подключению выходных цепей калибратора 4, с выхода которого подается напряжение Ui (величина Ui определяется опытным путем, исходя из диапазона выходных напряжений термоэлектрического преобразователя датчика 2 температуры металла) в течение ,8 с на вход согласующего блока 6 (величина A t определяется опытным путем), затем транзисторный ключ 26 закрывается, что приводит к размыканию выходной цепи Ui калибратора 4, далее по сигналу с выхода микропроцессорного блока 8 управления (см. фиг. 3) открывается транзисторный ключ релейного переключателя 21, что приводит к размыканию его нормально замкнутых контактов и подключению выходных цепей калибратора 4 U2 (величина U2 определяется опытным путем, исходя из диапазона выходных напряжений термоэлектрического преобразователя датчика 2 температуры металла, причем Ui выбирается в начале диапазона, a DZ

выбирается в конце диапазона выходных напряжений термоэлектрического преобразователя датчика 2 температуры металла) в течение ,8 с на вход согласующего блока 6 (величина A t определяется опытным путем), затем транзисторный ключ релейного переключателя 21 закрывается, что приводит к размыканию выходной цепи U2 калибратора 4 и подключению выхода термоэлектрического преобразователя датчика 2 температуры металла к выходу согласующего блока 6.

Далее в микропроцессорном блоке 8 управления рассчитываются коэффициент

усиления и величина смещения нулевого уровня согласующего блока 6 по следующим зависимостям:

20

k(Ua1 -Ua2)/(Ui-U2),

Uo Ual+Ua2-k(Ul+U2)/2,

где k - коэффициент усиления;

Uai - величина выходного напряжения согласующего блока при подключении к его входу первого выхода калибратора, В;

Ua2 величина выходного напряжения согласующего блока при подключении к его входу второго выхода калибратора, В;

Up - величина смещения нулевого уровня согласующего блока на его выходе, В;

Ui - величина напряжения первого источника опорного напряжения калибратора,

В; ,,

U2 - величина напряжения второго источника опорного напряжения калибратора, В.

Далее по сигналу из микропроцессорного блока 8 управления переключается транзисторный ключ релейного переключателя 22 и сигнал с термоэлектрического преобразователя 11 датчика 3 температуры окружающей среды коммутируется на вход

согласующего блока б. Сигнал с выхода согласующего блока 6, пропорциональный температуре окружающей среды, поступает в микропроцессорный блок 8 управления, где осуществляется поправка для компенсации термоЭДС холодных концов термоэлектрического преобразователя датчика 2 температуры металла. Процедура калибровки в реальном времени продолжается не более 2-3 с, что практически не влияет на

длительность полного цикла замера. Причем калибровка позволяет устранить различные дестабилизирующие факторы (температурный дрейф, старение радиоэлементов и т.д.), приводящие к изменению метрологических характеристик согласующего блока 6, кроме того, в процессе калибровки полученные значения коэффициента усиления k и смещения нулевого уровня Uo сравниваются с нормализованными и в случае существенного отличия, вызванно- го отказом радиоэлементов устройства, формируется диагностическое сообщение на дисплее и дальнейшая работа устройства блокируется. Таким образом, процедура калибровки позволяет повысить достовер- ность показаний устройства. В случае нормального прохождения калибровки на дисплее 9 выдается сообщение о готовности, что является сигналом к началу погружения сменного блока датчика 2 температуры ме- талла в ванну сталеплавильного агрегата. Одновременно с этим в коммутаторе 5 включается релейный переключатель 24 и через его нормально разомкнутые контакты термопреобразователь датчика 2 температуры металла подключается к входу согласующего блока 6 и в микропроцессоре 31 начинает выполняться программа аналого-цифрового преобразования методом последовательного приближения. Код АЦП связан с величи- ной термоЭДС следующим соотношением:

A+Uo,

где Уэдс - термоЭДС датчика температуры металла, мВ;

k - коэффициент усиления;

Uo - величина смещения нулевого уровня, мВ;

А - код АЦП.

Рассчитанная по вышеприведенной формуле термоЭДС является исходной величиной для определения температуры металла в соответствии с номинальной статистической характеристикой.

Расчет температуры производится с помощью метода кусочно-линейной аппроксимации.

Расчетное значение температуры металла Т сравнивается с нижней точкой изме- ряемого диапазона температур 1300°С. Если Т меньше, то вышеописанные действия повторяются, начиная с АЦП, если же Т больше, то устройство переходит из режима ожидания в режим измерения, в процессе которого выполняются следующие операции.

Рассчитанная температура проверяется на принадлежность измеряемому диапазону: 1300°С Т 1800°С.

Если Т 1300°С и время т, прошедшее с начала измерения т 3 с, то на дисплей устройства выдается сообщение о коротком замере, дальнейший процесс измерения

блокируется и устройство переходит в режим ожидания установки сменного блока датчика 2 измерения температуры металла. Такое же действие выполняется, если Т 1800°С, и на дисплей выдается сообщение о превышении верхней границы измеряемого диапазона. Если же Т принадлежит диапазону 1300°С Ј Т Ј 1800°С, то его значение записывается в оперативно-запоминающее устройство и отображается на экране дисплея.

Если Т 1300°С и г 3 с, то процесс измерения считается законченным и устройство переходит к процессу обработки термограммы, записанной в ОЗУ во время замера. Суть обработки сводится к поиску на термограмме пологого участка, соответствующего стабилизации показаний датчика 2 температуры металла. Если пологий участок не найден, то на дисплей устройства выдается сообщение о плохом замере, если найден, то на экран дисплея выдается значение температуры Т на этом участке, которое соответствует температуре металла, кроме того, это значение запоминается для дальнейшего использования при расчете окисленности металла.

После этого устройство переходит к ожиданию сигнала с датчика 1 окисленности металла, для чего в комутаторе 5 производится изменение состояния релейных переключателей 24 и 25. Релейный переключатель 24 выключается, а релейный переключатель 25 включается, в результате чего сигнал с датчика 1 окисленности металла прикладывается к входу согласующего блока 6,

До погружения датчика 1 окисленности металла в жидкий металл сигнал с датчика 1 отсутствует, после погружения в металл на его выходе появляется ЭДС, величина которой определяется в микропроцессорном блоке 8 управления по зависимости

A+Uo,

где Е - величина ЭДС на выходе датчика окисленности металла при погружении его в металл. В;

k - коэффициент усиления согласующего блока 6.

Uo смещение нулевого уровня согласующего блока 6, В;

А - код аналого-цифрового преобразователя.

При выполнении условия Е 50mv устройство переключается в режим измерения ЭДС с датчика 1 окисленности металла, алгоритм измерения ЭДС в целом похож на

алгоритм измерения температуры металла. Отличие заключается в диапазоне измерения 50mv JЈ Е :S 800mv и отсутствии процедуры кусочно-линейной аппроксимации, так как запись измеряемых значений в ОЗУ происходит непосредственно в милливольтах. После подъема датчика 1 окисленности металла из металла ЭДС на его выходе исчезает и устройство переходит к обработке, потенциограммы, записанной во время измерения в ОЗУ. Результатом обработки является усредненное значение ЭДС, расположеннх на пологом участке, соответствующем стабилизации показаний датчика окисленности металла. Измеренное значение ЭДС Е выдается на соответствующую строку дисплея 9 и запоминается для непосредственного вычисления окисленности:

(2.685 10.087 Е + 5661 Т+273

)

где ао - активность кислорода в стали, % по массе;

Е - величина ЭДС датчика окисленности металла, mv;

Т - температура металла, °С.

Рассчитанное значение а0 выдается на соответствующую строку дисплея 9 и, кроме того, выдается через большую интегральную схему последовательного интерфейса 34 микропроцессорного блока 8 управления на печать блока 10 цифропечати. После чего устройство переходит в исходное состояние.

Как показали испытания предлагаемое устройство позволяет определять окислен- ность металла наиболее близко к истинному его значению.

В таблице приведены значения окисленности металла, определенные с помощью устройства-прототипа и предлагаемого устройства на характерных замерах окисленности металла в сталеразливочном ковше при различных значениях температуры окружающей среды на рабочей площадке.

Из таблицы видно, что значения окисленности металла, определенные посредством устройства-прототипа, значительно отличаются от истинных.

Среднеквадратичные значения отклонений фактического значения окисленности

металла, определенные с помощью устройства-прототипа на 212 плавках, составили 0,0084%, а с помощью предлагаемого устройства на этом же массиве плавок - 0,00046%.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет определить значение окисленности металла наиболее близко к его истинному значению, а за счет более высокой точности определения окисленности металла снижается расход ферромарганца, присаживаемого в ковш.

20

Формула изобретения

Устройство для определения окисленности металла, содержащее датчик окисленности металла, датчик температуры металла и согласующий блок, отличающееся

тем, что, с целью повышения точности определения окисленности металла, в него введены калибратор, датчик температуры окружающей среды, коммутатор, блок контроля коммутации входных датчиков, микропроцессорный блок управления, дисплей и блок цифропечати, причем выходы датчика окисленности металла, датчика температуры металла, два выхода калибратора, датчика температуры окружающей среды, а также

первый выход микропроцессорного блока управления подсоединены соответственно к первому - шестому входам коммутатора, первый выход которого через согласующий блок подсоединен к первому входу микропроцессорного блока управления, к второму входу которого подсоединен второй выход коммутатора через блок контроля коммутации входных датчиков, выход дисплея подсоединен к третьему входу микропроцессорного блока управления, второй и третий выходы которого подсоединены соответственно к входам дисплея и блока цифропечати.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к контролю параметров металла в сталеплавильном агрегате, и предназначено для определения окисленности металла. Цель - повышение точности определения окисленности металла. Существо изобретения заключается в том, что окисленность определяют средствами вычислительной техники с учетом температуры металла и окружающей среды. Устройство содержит датчик окисленности металла, датчик температуры металла и согласующий блок. Новым в устройстве является то, что оно содержит калибратор, датчик температуры окружающей среды, коммутатор, блок контроля коммутации входных датчиков, микропроцессорный блок управления и блок цифропечати. 4 ил., 1 табл. сл С

ЧУ

fO

Фсге.. /

оо см со г- со гь}

о

1НЙ

г;

i

о

п

NJ- «б

И