Устройство контроля уровня расплава в индукционной печи Советский патент 1992 года по МПК G01F23/26 F27B14/06 

Изобретение относится к контролю параметров передельных материалов, а именно уровня расплава в индукционных печах промышленной частоты, работающих преимущественно в режиме полунепрерывной плавки (работа печи с болтом) или миксера, и может быть использовано при управлении этими агрегатами.

Известны устройства для контроля уровня жидкого металла контактным способом с использованием подвижного контактного электрода в качестве датчика уровня жидкого металла.

Недостатком этих устройств является нестабильность контроля, связанная с изменением длины измерительного электрода в процессе эксплуатации, а также затруднительность их использования на тигельных индукционных печах из-за наличия крышки.

Известны индуктивные уровнемеры для жидких металлов, содержащие индуктивный датчик, выполненный в виде ферромагнитного сердечника с обмотками и подключенный к измерительному мосту.

Недостатком таких устройств является низкая надежность, вызванная тем, что при измерениях датчик помещается в емкость, а также сложность конструкции, вызванная необходимостью герметизации обмоток и использования специальных кабелей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для обнаружения при помощи электрического сигнала уровня заполнения расплавленной массы в индукционной печи, содержащее датчик уровня заполнения расплавленной массой в виде витка индукционной катушки, соединенный с элементом, чувствительным к падению напряжения (индикатором). В зависимости от уровня расплавленной жидкой массы датчик посылает различный сигнал на чувствительный элемент.

Недостатком данного устройства является низкая точность контроля, вызванная

(Л

С

xi оо ю ю о VI

влиянием на величину сигнала датчика напряжения питания индуктора печи и коэффициента мощности печи, изменяющихся в зависимости от условий работы печи, кроме того, устройство не различает периоды расплавления твердой фазы садки и ее выдержки, что дает возможность выдачи ложной информации так как в процессе плавки уровень расплавленной массы определить невозможно.

Цель изобретения - повышение точности контроля.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство контроля уровня расплава в индукционной печи, содержащее трансформаторы тока и напряжения, датчики уровня в виде витка индукционной катушки, блок обработки и индикатор, дополнительно введены сигнализатор расплава, датчик напряжения, датчик коэффициента мощности, преобразователь напряжения, причем выходы трансформатора тока соединены с датчиком коэффициента мощности, выходы трансформатора напряжения соединены с соответствующими входами датчика напряжения и датчика коэффициента мощности, выходы датчика уровня соединены с преобразователем напряжения, выходы датчиков напряжения, коэффициента мощности и преобразователя напряжения соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока обработки, соответствующие выходы которого соединены с индикатором и сигнализатором расплава.

При этом блок обработки выполнен в виде вычислителя, содержащего блок деления, блок умножения, сумматор, первый, второй и третий задатчики поправок, ключ, блок сравнения, элемент задержки, инвертор, первый и второй элементы И, причем первый и второй входы блока умножения соединены соответственно с первым и вторым входами блока обработки, выход блока умножения соединен с первым входом блока деления, второй вход которого соединен с третьим входом блока обработки, выход блока деления соединен с первым входом сумматора, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего за- датчиков поправок, выход сумматора соединен с первым входом ключа, выход которого является первым выходом блока обработки, второй вход ключа соединен с выходом второго элемента и, выход первого элемента И является вторым выходом блока обработки, первые входы элементов И соединены с первым входом блока обработки, выход блока деления соединен с первым входом блока сравнения и входом элемента задержки,

выход которого соединен с вторым входом

блока сравнения, выход которого соединен

с вторым входом второго элемента И и через

инвертор - с вторым входом первого элемента И.

Переменный магнитный поток Ф , создаваемый током индуктора, индуктирует в садке вторичный ток, создающий магнитный поток Фг., компенсирующий поток Фь

Суммарный магнитный поток Фу, Вб, равный

+Ф2,

0)

наводит в измерительном витке, расположенном над индуктором и используемом в качестве датчика уровня, ЭДС индукции Е, В.

Рассматривая индукционную печь как воздушный трансформатор, действующее значение ЭДС (Е, В), наводимой в витке, можно представить в виде

E,.f(h) Ucop.f(h), (2)

где I - действующее значение тока индуктора, А;

f(h) - некоторая функция от уровня h, м, расплава, В/А;

U - действующее значение напряжения питания индуктора, В;

cos p - косинус сдвига фаз между током и напряжением (коэффициент мощности);

R3 - активное эквивалентное сопротивление системы индуктор-садка, Ом,

Таким образом, действующее значение ЭДС, наводимой в витке прямо пропорцио- иальнс напряжении, питания индуктора м коэффициенту мощности. Для исключения влияния этих параметров, изменяющихся в зависимости от условий работы печи, на точность контроля уровня расплава в качестве контролируемой величины следует выбрать

величину 1F , равную отношению тт-;;

так что

0

5

Ч

1

f(h).

(3)

По ходу расплавления шихты (твердой фазы) значительно изменяется активное эквивалентное сопротивление Кэ системы индуктор-садка.

Поэтому достоверно уровень расплава можно контролировать после полного расплавления шихты, т.е. когда Rs практически уже не изменяется.

Допуская, что магнитное поле равномерно распределяется по всей высоте как индуктора, так и садки, глубина проникновения тока в садке мала, и, пренебрегая активным сопротивлением садки, величину1}1 можно представить в виде

W«k-(D-Ј

H.

тг)(4)

где k - коэффициент пропорциональности, 1/м;

D - внутренний диаметр индуктора, м;

d - средний диаметр садки, м;

Н - высота индуктора, м.

Поэтому статическую зависимость для определения уровня расплава в тигле определяют в виде

h ki-k2 Ф-kik2E

(5)

U cos p

где ki, k2 - статические коэффициенты, зависящие от геометрических размеров и электрических характеристик индуктора и садки, м.

Так как тигель с течением времени изнашивается, то по мере износа его внутренний диаметр (средний диаметр садки) увеличивается. В первом приближении влияние износа футеровки на величину уровня расплава, рассчитанную по формуле (5), можно учесть введением поправки k2E

.н-Д-N,

(6)

U cos p

где Д- средняя за сутки поправка величины уровня расплава, вызванная износомфу- тчэровки тигля, м;

N - количество суток с начала кампании печи.

В соответствии с экспериментальными данными, полученными для печи типа ИАТ- 1: ki - 1,36 м; k2 4,7 м; Д - 7,6 м.

На чертеже приведены блок-схема устройства.

Устройство содержит трансформаторы тока 1 и напряжения 2, датчик 3 уровня в виде витка индукционной катушки, расположенный в верхней части тигля 4, блок 5 обработки, первый выход которого соединен с индикатором 6, а второй - с сигнализатором 7 расплава. Кроме того, устройство содержит датчик 8 напряжения, входз которого соединены с выходами трансформатора 2 напряжения, датчик 9 коэффициента мощности, соответствующие входы которого соединены с выходами трансформаторов тока 1 и напряжения 2, и преобразователь 10 напряжения, входы которого соединены с выходами датчика 3 уровня. Выходы датчиков 8 и 9 напряжения и коэффициента мощности и выход преобразователя 10 напряжения соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока 5 обработки.

Блок 5 обработки выполнен в виде вычислителя и содержит блок 11 деления, блок 12 умножения, сумматор 13, первый, второй и третий 14-16 задатчики поправок, ключ

17, блок 18 сравнения, элемент .задержки, инвертор 20, первый и второй элементы И 21 и 22. При этом первый и второй входы блока 12 умножения соединены соответст- 5 венно с первым и вторым входами блока 5 обработки, а выход блока 12 умножения соединен с первым входом блока 11 деления, второй вход которого соединен с третьим входом блока 5 обработки, а выход - непос- 10 редственно с первым входом сумматора 13, первым входом блока 18 сравнения и через элемент 19 задержки с вторым входом блока 18 сравнения. Второй, третий и четвертый входы сумматора 13 соединены соответст- 15 венно с выходами первого, второго и третьего 14-16 задатчиков поправок, а выход сумматора 13 - с первым входом ключа 17, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И 22, а выход является 0 первым выходом блока 5 обработки.

Первые входы элементов И 21 и 22 соединены с первым входом блока 5 обработки, а их вторые входы соединены соответственно через инвертор 20 и непосредственно с 5 выходом блока 18 сравнения. Выход первого элемента И 21 является вторым выходом блока 5 обработки.

Силовая часть индукционной установки содержит источник 23 питания индуктора 5 24, постоянную часть конденсаторной батареи 25. блок-контакты 26-28 блоков переключенияпеременнойчастиконденсаторной батареи, состоящей из групп 29-31.

0 В качестве трансформаторов 1 и 2 тока и напряжения могут быть использованы соответственно трансформаторы типа ТНШЛ 0.66-0.5 1000/5 У21 и НОС-0,5 У4.

Датчик 8 напряжения и преобразова- 5 тель 10 напряжения представляют собой измерительный преобразователь типа Е825.

В качестве датчика 9, коэффициента мощности может быть использован преобразователь фазового сдвига Ф5162 с уни- 0 версальным измерителем Ф520, а в качестве датчика 3 уровня - холостой виток индуктора.

В качестве индикатора 6 может быть использован вторичный прибор типа КСП, а 5 в качестве сигнализатора расплава 7 - лампочка накаливания.

В качестве остальных блоков могут быть использованы стандартные средства системы АКЗСР и вычислительной техники.

Устройство работает следующим обра- 5 зом.

При включении печи сигналы, пропорциональные.напряжению питания индуктора U и коэффициенту мощности cos p, поступают соответственно с датчиком 8 и 9

напряжения и коэффициента мощности на первый и второй входы блока 12 умножения, с выхода которого на первый вход блока 11 деления поступает сигнал, пропорциональный U cos p . На второй вход блока 11 деления от преобразователя 10 напряжения поступает сигнал, пропорциональный действующему значению ЭДСЕ, наводимой в датчике 3 уровня, а с его выхода сигнал,

пропорциональный тг ™Т/л поступает

w COS СР

на первый вход сумматора 13, на остальные входы которого с первого, второго и третьего 14-16 задатчиков поправок поступают сигналы, пропорциональные соответственно Ki, «2 и AN, а на выходе формируется сигнал, пропорциональгёый Ki ,, .+ AN , т.е. уровU COS us

ню расплава. Этот сигнал поступает на индикатор б только после расплавления твердой фазы садки через ключ 17.

Действительно, изменение эквивалентного активного сопротивления R3 системы индуктор-садка по ходу плавки вызывает изменение величины сигнала на выходе преобразователя 10 напряжения, соединенного с датчиком 3 уровня расплава. При этом изменяющийся по величине сигнал поступает с выхода блока 11 деления непосредственно на первый вход блока 18 сравнения, в котором сравнивается с сигналом, поступающим на его второй вход через элемент 19 задержки. В случае наличия нерасплавившейся шихты в тигле индукционной печи сигналы, поступающие на входы блока 18 сравнения будут различными. Поэтому сигнал на его выходе будет нулевым. Этот сигнал не позволяет открыть ключ 17 (на индикатор б информация не поступает) и, кроме того, инвертируясь в инверторе 20, через первый элемент И 21 поступает на сигнализатор расплавы 7, который срабатывает и дает информацию о том, что не весь металл еще расплавился. На первые входы элементов И 21 и 22 поступает сигнал от датчика 8 напряжения с целью возможности включения в работу индикатора 6 и сигнализатора 7 расплава только при включенной печи.

При полном расплавлении шихты вели-. чина ЭДС, наводимой в витке, и, следовательно сигнал с выхода преобразователя 10 напряжения практически не изменяются (возможны только изменения сигнала при переключении переменной части конденсаторной батареи 29-31 с помощью блок-контактов 26-28 или при переключении отпаек источника 23 питания индуктора 24). При этом сигнал с выхода блока 18 сравнения

проходит через второй элемент И 22 и отпирает ключ 17. На индикатор 6 с выхода сумматора 13 поступает сигнал, пропорциональный уровню расплава в тигле индукционной печи. В то же время сигнал с выхода блока 18 сравнения инвертируется инвертором 20 и на сигнализатор расплава 7 через первый элемент И 21 сигнал не по- ступает (сигнализатор 7 расплава отключается).

Таким образом, устройство контролирует уровень расплава в тигле индукционной печи только после полного расплавления шихты, что предотвращает поступление

ложной информации на индикатор, а также повышаетточность контроля за счет независимости показаний индикатора от величины напряжения питания индуктора и коэффициента мощности установки.

Формула изобретения

1.Устройство контроля уровня расплава в индукционной печи, содержащее трансформаторы тока и напряжения, датчик уровня в виде витка индукционной катушки, блок

обработки и индикатор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности контроля, в него введены сигнализатор расплава, датчик напряжения, датчик коэффициента мощности, преобразователь напряжения.

причем выходы трансформатора тока соединены с датчиком коэффициента мощности, выходы трансформатора напряжения соединены с соответствующими входами датчика напряжения и датчика коэффициента

мощности, выходы датчика уровня соединены с преобразователем напряжения, выходы датчиков напряжения, коэффициента мощности и преобразователя, напряжения соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока обработки, соответствующие выходы которого соединены с индикатором и сигнализатором расплава.

2,Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что блок обработки выполнен в виде

вычислителя, содержащего блок деления, блок умножения, сумматор, первый, второй и третий задатчики поправок, ключ, блок сравнения, элемент задержки, инвертор,

первый и второй элементы И, причем первый и второй входы блока умножения соединены соответственно с первым и вторым входами блока обработки, выход блока умножения соединен с первым входом блока

деления, второй вход которого соединен с третьим входом блока обработки, выход блока деления соединен с первым входом сумматора, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с

выходами первого, второго и третьего задатчиков поправок, выход сумматора соединен с первым входом ключа, выход которого является первым выходом блока обработки, второй вход ключа соединен с выходом второго элемента И, выход первого элемента И является вторым выходом блока обработки, первые входы элементов И соединены с

первым входом блока обработки, выход блока деления соединен с первым входом блока сравнения и входом элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом блока сравнения, выход которого соединен с вторым входом второго элемента И и через инвертор - с вторым входом первого элемента И.

Изобретение относится к литейному производству, а именно к управлению индукционной тигельной печью. В качестве датчика уровня расплава в тигле использован виток индукционной катушки. Устройство контролирует уровень расплава только после полного расплавления шихты. Использование в устройстве информации датчиков напряжения и коэффициента мощности позволяет получить сигнал об уровне расплава, не зависящий от величины напряжения питания индуктора и коэффициента мощности установки. Применение устройства в составе АСУ ТП индукционной печи дает возможность вести процесс плавки металла и его хранения с меньшими энергозатратами 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

I

Td

J