Устройство для измерения толщины шлака и динамического уровня металла в ковше при циркуляционном вакуумировании Советский патент 1993 года по МПК C21C7/10 

fey

ным механизмом подъема зонда и вторичным прибором. Устройство дополнительно содержит блок контактных элементов 1 в виде двух металлических стержней, объединенных обоймой 2, закрепленной на зубчатой рейке 3, зонд выполнен в виде футерованного огнеупорными стопорными припасами 6 стержня 5 и зубчатой рейки 8, жестко объединенных между собой изолятором 7, причем блок и зонд подключены к системе упр ВД ения их перемещением, включающей незамкнутый измерительный мост, два операционных усилителя 11 и 12, два триггера 13 и 14 и интеграторы 18 и 21, источник 20 калиброванного напряжения, блок реле 10 1 2 3 , высокочастотный генера- тор 16, выпрямитель 17, компаратор 19, вторичный прибор 22. При этом пара элементов

1 контактного блока образует незамкнутое плечо измерительного моста, выход которого через контакты блока реле подключен к входам операционных усилителей 11 и 12, а их выходы соединены с входами триггеров 13 и 14, нагруженных на реле 1б 1 21 Источник 20 через контакты реле включен на вход интегратора 21, а его выход подсоединен к одному из входов компаратора 19. Зонд включен параллельно колебательному контуру высокочастотного генератора 16, выход которого соединен с входом выпрямителя 17, а его выход подключен к второму интегратору 18. Выход последнего подключен к второму входу компаратора 19, выходы интеграторов 18 и 21 и компаратора 19 включены на входы вторичных измерительных приборов 22. 2 ил.

Изобретение относится к внепечной обработке стали и может быть использовано, в частности, в черной металлургии при обработке металла циркуляционным способом. Устройство включает вертикально установленный зонд, соединенный с исполнитель

Изобретение относится к виепечной обработке стали и может быть использовано в черной металлургии при обработке металла циркуляционным способом.

Известно устройство для определения уровня металла, содержащее два графитовых электрода в керамическом корпусе, вспомогательную фурму, измерительную часть, механизмы подъема фурмы.

Угольные электроды заделаны в керамический корпус, закрепляются на вспомогательной фурме и электрически подключаются с помощью проводов к измерительной схеме. Свободные концы электродов, образующие наконечник зонда, снабжены стальным колпачком, и предохраняют электроды отошлакования. Защитный колпачок растворяется в расплаве и только тогда электроды высвобождаются для проведения измерения. При подъеме фурмы изменение напряжения во время перехода электрода из жидкого металла в шлак дает импульс на электронный прибор, который при помощи счетчика, связанного с механизмом подъема фурмы, показывает высоту уровня жидкого металла. Точность измерения металла составляет 2 см.

Недостатком этого устройства является то, что в результате проведенного измерения угольные стержни (зонды) вместе с керамическим корпусом металлизируются и ошлаковываются и зонд становится непригодным для повторных измерений, следова- тельно, для повторных измерений необходимо заменить использованный зонд на новый. Принцип измерения построен так, что определение частоты происходит по счетчику, запускаемому сигналом, который вырабатывается измерительной схемой в момент перехода зонда из металла в шлак. Измерительная схема не фиксирует момент

выхода зонда из шлака, так как угольные стержни уже металлизированы и, следовательно, измерительная схема в целом находится в состоянии короткого замыкания по входу.

Известно устройство для измерения границы металл-шлак, содержащее датчики указателя металл-шлак, расположенных в футеровке ковша по вертикальной оси, проходящей через цапфы ковша. Схема измерения представляет собой электрическую цепь, в которой возникает ЭДС при нахождении одного датчика в металле, а другого в шалке. Электронный прибор отслеживает границу металл-шлака только в конце разливки металла из ковша.

Недостатком этого устройства является то, что оно фиксирует границу металл-шлак в ковше лишь в конце разливки металла. Известна система измерения уровня

стали и границы металл-шлак, содержащая оптический (механический) датчик измерения высоты шлака, весовое устройство, ЭВМ. Принцип измерения границы металл- шлак основан на вычислении высоты шлака

по суммарной массе металла и шлака в разливочной корсбке по геометрическим параметрам коробки, а также на основании предварительного измерения уровня шлака. Расчет производят на ЭВМ, вычисляя

сначала объем металла и шлака, а затем границу металл-шлак и толщину шлака.

Недостатком этой системы является то, что перед заполнением коробки металлом необходимо каждый раз производить измерения ее геометрических параметров изменяющихся вследствие перефутеровки, а эксплуатация ЭВМ в цехе требует повышенной чистоты воздуха определенной влажности и температуры. Соблюдение этих условий в металлургическом производстве чрезвычайно затруднительно, следовательно, надежность работы ЭВМ достаточно низка, кроме того, ЭВМ требует высококвалифицированного обслуживания.

Известно устройство автоматического контроля фиксирования раздела шлак - металл в мартеновской печи, содержащее зонд-активометр Контактного типа, вторичный прибор с дополнительной ложной стрелкой-фиксатором, механизм прдъема зонда. Положение границы металл-шлак фиксируется по углу между стрелками (ложной и основной) вторичного прибора при опускании зонда актинометра в расплав.

Недостатком этого устройства является то, что вследствие разрушения зонда измерения являются разовыми (дискретными). Для повторного измерения необходимо произвести замену зонда на новый. Эта операция не всегда возможна на переносных вакуум-камерах. Кроме того, как показала практика этих измерений, при эксплуатации зондов-активометров всегда имеется вероятность отказов срабатывания датчика как по причине некачественного изготовления заводом, так и по ряду других технических причин. Включение дополнительной стрелки вносит в процесс измерения инструментальную погрешность, увеличивая начальную нечувствительность прибора вследствие совмещения стрелок основной и ложной, прижимаемой пружиной к шкале прибора. Сигнал на приборе появляется с некоторым запаздыванием, определяемым временем расплавления колпачка (защитного) активометра, поэтому фиксирование момента перехода зонда из шлака в металл не будет достаточно четким, вследствие различной толщины шлака, а также отдельных случаев ошлакования защитного колпачка. Таким образом, перечисленные недостатки не позволяют производить точных и достаточно надежных измерений границы шлак- металл с помощью зондов-активометров.

Целью изобретения является повышение точности и надежности измерения, а также экономичности устройства за счет многоразовое™ его использования.

Цель достигается тем, что устройство для измерения толщины шлака и динзм иче- ского уровня металла в ковше при Циркуля- ц-ионном Ёзкуумировании, содержащее вертикально установленный зонд, соединенный с исполнительным механизмом

подъема зонда и вторичным прибором, согласно изобретению оно дополнительно содержит блок контактных элементов, состоящий из двух металлических стерж5 ней, объединенных обоймой, закрепленной на зубчатой рейке, зонд выполнен в виде футерованного огнеупорными стопорными припасами стержня и зубчатой рейки, жестко соединенных между собой изолятором,

0 причем блок и зонд подсоединены к системе управления их перемещения, в лю айЩёй незамкнутый измерительный мост, два операционных усилителя, Два триггера и два интегратора, источник калиброванного на5 пряжения, блок реле, высокочастотный генератор, выпрямитель, к омпа|5ат6р, второй вторичный прибор, при этом пара элементов контактного блока образует незамкнутое плечо измерительного моста, выход

0 которого через контакты блока реле подсоединен к входам опёрацйойныхУсиЛи%лёЙ1

а их выходы соединиыг 8 1Щп.аШ трйгге- г ров, выходы которых соединены с реле, источник калиброванного напряжения через

5 контакты блока реле подсоединен на вход интегратора, а его выход подсоединен к одному из входов компаратора, зонд пбдсоё- дииен параллельно колебательному контуру высокочастотного гёнёратораГ выход кОто0 рого соединен со входом выпрямителя, выходы которого соединены с реле и второго интегратора §ыход интегратора подсоединен ко второму вхбду klffMrtSpa to- ра, выходы интеграторов и компаратора

5 подсоединены на входы вторичных измерительных приборов.

Наличие информации о толщине слоя шлака и динамическом уровне Металла в ковше позволяет в значительной мере повы0 сить эффективность вакуумной обработки, заключающейся в выборе рационального режима ввода инертного газа и времени обработки. Постоянный контроль за указанными параметрами позволяет целенаправлено

5 принимать решения для улучшения и совершенствования технологий обработки металла под вакуумом с целью получения высоких качественных показателей готового мётал: ла.

0 По имеющимся у заявителя данным в известных технических решениях не обнаружено признаков сходных с дтл йчитёльны - ми признаками заявляемого изобретения, что позволяет сДелать выэ од соответствий

5 критерию существенные отличия.

На фиг. 1 изображено предлагаемое ус-, тройство.

Устройство содержит два металлических стержня (контакта) 1 диаметром 8 мм и длиной 1200 мм. Контактные элементы 1

закреплены в пластине из ассбеста, укрепленной металлической рамкой (обоймой) 2. Обойма 2 соединена с помощью сварки с металлической зубчатой рейкой 3 с шагом резьбы 5 мм и длиной 1000 мм. Рейка 3 соединена с редуктором исполнительного механизма 4 типа МЭМ-10/1. Зонд для определения уровня металла в ковше состоит из стержня 5, футерованного огнеупорными стопорными припасами 6 (стопорная трубка № 3,4 типа ШСП-35, пробка № 11,12 типа ШСП-37, ГОСТ 5500-75). Стержень 5 соединен с помощью изолятора 7 с металлической рейкой 8 с шагом резьбы и длиной 1000 мм. Изолятор 7 выполнен из стеклопластика диаметром 60 мм, длиной 120 мм. Рейка 8 соединена с редуктором исполнительного механизма 9 типа МЭМ-10/1. Контактные элементы 1 включена в плечо незамкнутого измерительного моста R1, R2, R3, в диагональ которого включен источник 10 стабилизированного напряжения (2 В). Другая диагональ моста подключена через контакты К.1.1 и К.2,1 блока реле 15 на входы операционных усилителей 11 и 12, собранных на микросхемах типа К553УД1 (Микросхемы и их применение. Справочное пособие, М., Радио и связь, 1983). Выходы усилителей 11 и 12 подключены на входы триггеров 13 и 14, выполненных на четырех элементах ЙДИ-НЕ микросхемы К155ЛЕ1, причем триггер 13 имеет счётный вход, поскольку его выход дополнительно соединен с входом триггера 14. На-инвертируемом выходе каждого триггера 13 и 14 включены реле типа РЭС-22. Стержень 5 соединен параллельно колебательному контуру генератора 16, выполненного на микросхеме К55.3УД1. Активный выпрямитель 17 выполнен на микросхеме К553УД И подключен к выходу генератора 16. Выход выпрямителя 17 соединен с входом интегратора 18 (микросхема К553УД1) через контакты К.3.1. реле типа РЭС-22 блока 15 , являющегося нагрузкой этого выпрямителя 17. Выход интегратора .18 соединен с одним из-входов компаратора 19 (К554САЗ) с помощью переключателя В2 типа ПМ ЗН4П. На другой вход компаратора 19 подсоединен выход интегратора 21. Выход интегратора 21 соединен с источником 20 калиброванного напряжения через контакты К.1.2.: К.2.2. Все приведенные элементы устройства выполнены rio типовым электрическим схемам, представленными в П.Хоррвиц, У.Хилл. Искусство схемртехники. Т.1,2., М., Мир, 1984 г., Микросхемы и их применение. Справочное пособие. М., Радио и связь, 1982 г. Выходы компаратора 19 и интеграторов 18 и 21 включены через переключатель

В2 на вход измерительного прибора 22, а выход интегратора 21 включен непосредственно на вход второго измерительного прибора 22 (измерительные приборы 22 типа

КСП-4), Источник калиброванного напряже- . ния и источники 20 и 10 стабилизированного напряжения, выполнены на микросхемах типа К142ЕН1 и имеют выходы по напряжению 1 В, 2 В для питания измерительного

0 моста R1, R2, R3 и интегратора 21 и ±12 В для питанйя электронных элементов устройства.

Устройство работает следующим образом.

5 Измерение толщины шлака и уровня металл а производится с помощью контактных элементов 1 и зонда (стержня 5). Для этого ковш с жидким металлом, подвергаемый вакуумной обработке, устанавливают под ва0 куумной камерой 23, а затем из пульта управления мастером по вакуумной обработке производится включение исполнительного механизма 4 путем нажатия кнопки S1 Вкл. изм. шлака. При этом рей5 каЗ вместе с элементами 1 через редуктор исполнительного 4 приходит в движение. Касание элементами 1 поверхности шлака отмечается появлением сигнала в выходной диагонали измерительного моста R1, R2, R3.

0 Сигнал мал по амплитуде, составляет 10-15

.. мВ и определяется проводимостью шлака. Этот сигнал через дифференцирующую цепочку R5C1 и контакты К.1.1. (нормально замкнутые) поступает на вход операционно5 го усилителя 11. Сформированный на выходе усилителя 11 сигнал поступает на вход триггера 13 и переводит его в другое устойчивое состояние, при этом реле 151 включается, происходит размыкание контактов

0 К.1.1 и замыкание контактов К.1.2., подключающих источник 20 калиброванного напряжения через нормально замкнутые контакты К.2.2. к входу интегратора 21. Размыкание контактов К.1.1. означает подклю5 чение измерительного моста R1, R2, R3 через контакты К.2.1. к входу усилителя 12. Элементы 1 продолжают движение в шлаке .до касания поверхности металла. При каса- ции элементами 1 поверхности металла на

0 входе усилителя 12 появляется сигнал боль- . шой амплитуды и крутым передним фронтом. Усилитель 12 формирует сигнал, который поступает на RS-вход триггера 14. Реле 152, включенное на его выходе, сраба5 тывает в результате чего происходит размы- кание контактов К.2.1., К.2.2., К.2.3. Размыкание контактов К.2.1. означает подключение выходного напряжения измерительного моста R1. R2, R3 снова к входу усилителя 11. Размыкание контактов К.2.2.

означает отключение калиброванного источника 20 от интегратора 21, а переключение контактов К.2.3, приводит к реверсу движения исполнительного Механизма 4. Выход элементов 1 из контакта с поверхностью металла приводит к тому, что на выходе моста R1, R2. R3 формируется сигнал, амплитуда которого обусловливается проводимостью шлака и после дифференцирования цепочкой R5C1 поступает на вход усилителя 11 через нормально разомкнутые контакты К.2.1. Усилитель 11 формирует сигнал, который приводит триггер 13 в исходное состояние, отключается реле, 15 , размыкаются контакты К. 1.2. и замыкаются контакты К.1.1. непосредственно подключающие выход моста R1, R2, R3 на вход усилителя 11. При возвращении триггера 13 в исходное состояние на его выходе формируется сигнал, который поступает на S-вход триггера 14. Под-действием этого сигнала триггер 14 переходит также в исходное состояние: контакты К.2.1. и К.2.2. переходят в нормально замкнутое положение. Нажатием кнопки 2 электродвигатель исполнительного механизма 4 отключается от сети 220 В. Положение нормально замкнутых и разомкнутых контактов К.2.3. реле 152 определяет направление движения двигателя (элементов 1) при замкнутых положениях кнопок 51,52 Вкл-Выкл.изм.шлака. Нажатием кнопки S2 Выкл. изм. шлака процесс измерения толщины шлака заканчивается. Оценка толщины шлака производится по шкале измерительного прибора 22, включенного на выход интеграторе 21. Стрелка измерительного прибора 22 показывает толщину шлака, опосредованную через соответствующую величину напряжения, накапливающегося на интеграторе 21 за время между появлением на триггерах 13,14 первого и второго сигналов, то есть сигналов, возникающих при первом касании элементами 1 поверхности шлака и вторым касанием поверхности металла/Таким образом, последовательность включения контактов К.1. и К.2. триггеров 13 и 14, обусловленная схемой их включения в счетном режиме, позволяет четко определять толщину шлака в ковше при циркуляционном вакуумировании.

Измерение уровня металла производится следующим образом.

Устанавливают переключатель В1 (тумблер типа ТВ-1) в положение Ручн. Кнопкой S3 Вкл. Изм,Me., включают электродвигатель исполнительного механизма 9, с которым через редуктор и рейку 8 соединен стержень 5, Стержень 5 движется вертикально вниз к поверхности шлака.

5

0

Момент непосредственного касания стержнем 5 поверхности шлака определяется мастером по вакуумной обработке из пульта управления, который путем нажатия кнопки 5 S4 Выкл.изм.Me, отключает цепь включения статарных обмоток асинхронного двигателя исполнительного механизма 9 от сети 220 В и включает с помощью кнопки Вкл.Ген, (кнопка типа МП 12 или тумблер 0 типа ТМ-1) генератор 16, На выходе генератора 16 формируется высокочастотный сигнал который поступает на вход выпрямителя 17. Выход выпрямителя 17 нагружен на реле 153 и подключен через контакты К.3.1. на вход интегратора 18. Устанавливают переключатель в Положение Авт в результате питание электродвигателя исполнительного механизма 9 осуществляется от сети 220 В через переключатель В1 и контакты К.3.2. реле 153. Тому или иному положению контактов К.3.2. соответствует переключение фазы сети 220 В на статарных обмотках электродвигателя 9, что вызывает реверсирование двигателя. Поло- 5 жение контактов К.3.2. определяется работой генератора 16. В режиме включения генератора 16 реле 153 находится во включенном положении. Сигнал с генератора через активный выпрямитель 17 поступает на вход интегратора 18. В момент касания стержнем 5 поверхности металла происходит срыв генерации генератора 16 вследствие шунтирующего действия стержня 5 колебательного контура по цепи: стержень 5 - жидкий металл - сопло всасывающего патрубка вакуум-камвры 23- корпус камеры 23. Отсутствие сигнала на выходе генератора 16 приводит к выключению реле 153, кон- такты К.3.1. находятся в положении 0 отключения интегратора 18 от выпрямителя 17 и замкнуты через сопротивление R6 на шину с нулевым потенциалом. Напряжение . на интеграторе 18, накопленное за время включения кнопки Вкл.изм.Me S3 до касания стержнем 5 поверхности металла, поступает через переключатель В2 на вход измерительного прибора 22, шкала которого проградуирована в соответствующих линейных единицах. Стрелка измерительного прибора 22 фиксирует общую длину погружения стержня 5, включающую толщину шлака и некоторое расстояние от внутрен- .ней поверхности шлака до уровня металла. . Для более четкого определения уровня ме- 5 талла в ковше выходы интегратора 18 и 21 через переключатель В2 (б,в) подключены на входы компаратора 19. выход которого подключен на вход измерительного прибора 22. На выходе компаратора 19 появляет- ея результирующее напряжение, которое

0

5

5

0

характеризуется разностью поступающих на входы напряжений: напряжения с интегратора 21, вЙраШШЦего только толщину шлака определенную с помощью элементов 1 и напряжения с интегратора 18, характеризующего толщину шлака и некоторое расстояние - непосредственно уровень металла в ковше. Таким образом, При подключении, интеграторов 18 и 21 к компаратору 19 на его выходе формируется сигнал, равный разности поступающих на его вход сигналов, которые отдельно представлены на фиг. 2. Результирующий сигнал образуется вследствие того, что сигналы поступающие на интеграторы 18 и 21 одинаковы по амплитуде, но разные по временным интер- валам и обусловливаются тем, что измерение толщины шлака производится до вакуумирования.а измерение уровня металла производится в процессе вакуумирования, когда часть металла поступает в камеру, а шлак, остывая, закрепляется по периметру ковша и патрубкам, в результате чего между первоначальной границей шлак- металл образуется некоторое пространство, то есть шлак зависает в этих зонах над зеркалом металла. Поэтому ход стержня 5 от поверхности шлака до уровня металла по времени будет несколько больше, чем ход элементов 1. Это положение отображено на кривой компаратора 19 (фиг. 2), характер изменения которой синхронизирован с движением стержня 5 вверх-вниз между внутренней поверхностью шлака и уровнем металла в ковше. Изменение уровня металла в ковше связано с массовой скоростью металла, глубиной погружения камеры в ковш и рдзностью давлений: барометрического и внутри камеры. Скорость изменения этих параметров определяет динамику изменения уровня металла в ковше. Напряжение на выходе компаратора 19 проградуировано в линейных единицах - см. Касание стержнем 5 металла сопровождается отключением реле 153 и изменением положения контактов К.3.1 и К.3.2. Изменение положения контактов К.3.2. приводит к реверсу механизма 9, стержень 5 движется вверх. Контакты К.3.1 замкнуты на сопротивление R6. Выход стержня 5 из контакта с металлом означает прекращение шунтирующего действия его на колебательный контур генератора 16, при Этом восстанавливается режим возбуждения генератора 16, вновь включается реле 15 , изменяя положение контактов К.3.1., К.3.2. Стержень 5 вновь начинает опускаться до следующего касания металла. Этот процесс многократно повторяется, стержень 5 совершает периодические движения вверхвниз, четко фиксируя уровень металла в ковше. Стрелка измерительного прибора 22 подключенного к выходу компаратора 19, синхронно отслеживает колебания стержня

5, указывая текущий уровень металла в ковше. Знание уровня металла в ковше позво- ляет выбирать рациональный режим обработки и улучшать тем самым качество получаемого металла. При включении устройства в работу и выключение его после вакуумирования металла, осуществляется кнопками S1 - S4 типа ПКЕ 612, которые с механической фиксацией положений: кнопки S2, S4 - нормально замкнутые, S1, S3 нормально разомкнутые. Указанные кнопки могут быть заменены на кнопочные выключатели серии ВК16-19 с подсветкой.

Пример. Измерение толщины шлака

и уровня металла в ковше производили в соответствии с описанной последовательностью. Включение устройства производили на одном из штатных вакуумирований стали марки 5ХНМ, при этом получены следующие результаты: толщина шлака составила 39 см, статический слой металла в камере в начале вакуумирования составлял , динамический слой - 7 см, в конце вакуумирования статический и динамический слои составляли 25 и 5 см соответственно, что в пересчете на количество металла, находящегося в камере, составляло в начале вакуумирования 4,8 т, при этом на статический уровень приходилось 3,8 т, в

конце вакуумирования общее количество и статический слой составляли 4,24 и 3,5 т соответственно, величина сопротивлений R1, R2, R3 составляла 47-51 кОм. Исходя из местных производственных условий, общая

.длина зубчатой рейки 3 и элементов 1 составляли 1000 и 1200 мм соответственно, а рейка 8 и стержень 5 вместе с изолятором 7 - 2320 мм (1000 + 1200 + 120) толщина элементов 1 составляла 8 мм. расстояние между элементами 120 мм; скорость движения элементов 1 и стержня 5 была выбрана, равной 15 см/с; частота высокочастотного генератора 16 была выбрана равной 0,5 МГц. Использование предлагаемого устройства по сравнению с прототипом обеспечивает следующие преимущества:

исключаетна 100% применение дорогостоящих активометров,

. повышаетточность измерения толщины шлака и уровня металла в камере,

способствует повышению качества обработки металла благодаря возможности выбора рационального режима положения камеры и БЙОДЗ инертного газа,

позволяет многократно использовать устройство без смены контактных элементов и стержня.

Формула изобре те н и я Устройство для измерения толщины шлака и динамического уровня металла в ковше при циркуляционном вакуумирова- нии, содержащее вертикально установленный зонд, соединенный с исполнительным механизмом подъема зонда и вторичным прибором, о тличающееся тем, что, с целью повышения точности и надежности измерения, а также экономичности устройства за счет многоразовое™ его использования, оно дополнительно содержит блок контактных элементов, состоящий из двух металлических стержней, объединенных обоймой, закрепленной на зубчатой рейке, зонд выполнен в виде футерованного огнеупорными стопорными припасами стержня и зубчатой рейки, жестко объединенных между собой изолятором, причем блок и зонд подсоединены к системе управления их перемещением, включающей незамкнутый измерительный мост, два операционных усилителя, два триггера и два интегратора, источник калиброванного напряжения, блок реле, высокочастотный генератор, выпрямитель, компаратор, второй вторичный прибор, при этом пара элементов контактного блока образует незамкнутое плечо измерительного моста, выход которого через контакты блока реле подсоединен к входам операционных усилителей, а их выходы соединены с входами триггеров, выходы которых соединены с реле, источник калиброванного напряжения через контакты блока реле подсоединен на вход интегратора, а его выход - к одному из входов компаратора, зонд подсоединен параллельно колебательному контуру высокочастотного генератора, выход которого соединен с входом выпрямителя, выходы которого соединены с реле и с входом второго интегратора, выход интегратора подсоединен к второму входу компаратора, выходы интеграторов и компаратора - на входы вторичных измерительных приборов.