Измерительная система для экспрессного определения химического состава пробы металла Советский патент 1993 года по МПК G01N25/32 

ел

с

Использование: экспрессный контроль основных технологических параметров ме2 талла таких, как химсостав и температура. Сущность изобретения: пробу металла используют как элемент измерительной систе- мы и выполняют ее с изменяющимся поперечным сечением между двумя противоположными сторонами, при этом к пробе со стороны меньшей площади подключены два термоэлектрода, а со стороны большей площади подключены (п + 1) термоэлектродов, в состав каждого из которых введены анализируемые химические элементы, причем n-й термоэлектрод отличается от (п + 1)-го термоэлектрода отсутствием одного из анализируемых элементов, где п гколичество анализируемых элементов. 3 ил.

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано для экс- прессного контроля основных технологических параметров жидкого металла, таких как химсостав и температура.

Цель изобретения - повышение эффективности и точности определения химсостава пробы металла.

На фиг. 1 представлена упрощенно электрическая схема измерительной системы; на фиг. 2 показана конкретная конструкция кварцевой пробницы с высокотемпературной пробой (показана условно штрихами) и с термоэлектродами, контактирующими с последней, продоль- . ный разрез; на фиг. 3 - то же, разрез А-А на фиг. 2.

Измерительная система для определе- ния химсостава пробы металла содержит

термоэлектроды, подключенные к измерительному прибору,

В иг-мерит ельной системе проба (высокотемпературная) металла использована как элемент измерительной системы и выполнена с изменяющимся поперечным сечением между двумя противоположными сторонами (фиг. 1), при этом к пробе со стороны меньшей площади подключены два термоэлектрода 1 и 2, а со стороны большей площади подключены дополнительно (п + 1) термоэлектродов 5-10, т. е. шесть, если требуется определять пять химических элементов; С, S, Р, Si , Mn. Термоэлектроды 3 и 4 на стороне большей площадки являются аналогичными термоэлектродам 1 и 2 и являются, как одна (1 и 2) так и вторая (3 и 4) пара, разомкнутыми термопарами. Дополнительные же термоэлёктроды 5-10 предназначе00

о VI

СО О

4

ни дня измерения (фиксации) в пробе значении термоЭДС методом термоэлектродных пар, образуемых термоэлектродами 5-10 и 1 шесть таких пар термоэлектродов как показано на фиг. 2 (111-я пара термоэлектродов, IV-я пара термоэлектродов, ... VIII-я пара термоэлектродов), то есть, каждый из дополнительных (относительно прототипа термоэлектродов5-10 образует термоэлектродную пару с одним (общим по термоЭДС) из любых двух, но только с одним и тем же, например, с термопарным термоэлектродом 1, находящимся на более холодном конце высокотемпературной пробы металла, Один из дополнительных термоэлектродов, например, термоэлектрод

Поясним здесь кратко, а более подробно будет показано в описании работы системы, почему количество термоэлектродных пар (термоэлектродов) на одну больше (п + 1), чем количество анализируемых химических элементов (п) в пробе. Это необходимо для решения созданной автором системы уравнений, простым и хорошо известным в математике способом решения линейных уравнений, в результате которого (решения) определяются химические элементы в пробе, что и будет показано ниже.

Конкретная(рабочая)форма высокотемпературной пробы, с вмороженными в ее тело термоэлектродами 1-10 по концам частей А и Б с резко различными сечениями, обеспечивается (формируется) в специальной пробнице, содержащей в своих стенках выше указанные термоэлектроды (фиг. 2 и 3). и предназначена такая, форма пробы, в первую очередь, для автоматического получения и поддержания перепада температуры по концам частей А и Б в процессе ее охлаждения. Пробница изготавливается из кварца и конструкция ее ни0

5 является общим (опорным) по химсоставу, а каждый из остальных термоэлектродов 6- 10 отличается друг от друга по химсоставу только отсутствием (следы) одного из анализируемых в пробе элементов, а остальные химические элементы в них остаются равными между собой и соответственно элементам опорного термоэлектрода 5.

Различие термоэлектродов по химсоставу поясняется таблицей, в которой, например, для определения химсостава жидкого металла (высокотемпературной пробы) низко- и среднеуглеродистых марок стали, можно применить термоэлектроды со следующим содержанием н них химэлемен- тов (%).

чем не отличается от прототипа. Она содержит цилиндрическую закрытую емкость 11 с

двумя отверстиями 12, выполненными в

верхней ее части и предназначенными для

заполнения пробницы жидким металлом, и

две, коаксиально установленные в ее полости, кварцевые трубки 13 и 14 с зазором между ними. Их торцы в полости пробницы жестко соединены (заварены) между собой кольцевой перемычкой, в которой выполнены сквозные отверстия, в которых размещены концы термоэлектродов 3-10. Из полости пробницы трубки 13 и 14 выведены через ее крышку наружу. Верхний конец кварцевой трубки 13 закрыт пористый огнеупорной пробкой 15, в которой установлены

концы термоэлектродов. 1 и 2, она выполняет также роль заглушки, препятствующей продвижению вверх и выливанию вниз жидкого металла по трубке 13. Выступающая из крышки часть трубки 14 является

хвостовиком пробницы, предназначенного для закрепления последней на конце бумажного или картонного блока (трубы) 16 (на фиг. 2 последний условно показан штрихпунктирной линией). В качестве термоэлектродов 1, 2, 3 и 4 (как у прототипа) берется термопариая вольфрамрениевая проволока типа ВР5 и ВР20 диаметром 0,5 мм. Термо- эле.ктроды 1 и 2 образуют одну разомкнутую термопару типа ВР5/20, расположенную на конце более холодной части А пробы, а термоэлектроды 3 и 4 - вторую такую же термопару, расположенную о более горячей части Б пробы. В качестве термоэлектродов 5-10 (фиг. 2 и 4) берется стальная проволока диаметром 1,0-2,0 мм и с химсоставом для каждого согласно таблице.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая измерительная система для экспрессного определения химсостава пробы металла отличается тем, что пробы металла использована как элемент измерительной системы и выполнена с изменяющимся поперечным сечением между двумя противоположными сторонами, при этом к пробе со стороны меньшей площади подключены два термоэлектрода, а со стороны большей площади подключены дополнительно (п + 1) термоэлектродов, причем п термоэлектрод отличается от (п + 1)-го термоэлектрода отсутствием (следы) одного из анализируемых элементов, где п - количество анализируемых элементов.

Сравнительный анализ известных измерительных систем с.заявляемой не обнаружил у них сходных признаков. Следовательно, заявляемая система обладает существенными отличиями. В заявляемой системе термоэлектродные пары, образованные из дополнительных термо- электродов с химсоставами взятыми по определенному алгоритму (как пример см. таблицу), позволяют (обеспечивают) математическое разделение (решение системы уравнений) величин термоЭДС вносимых каждым определяемым (вычисляемым) в пробе химэлемептом в общий результат (в сумму) значений термоЭДС анализируемой высокотемпературной пробы, при этом в заявляемой системе термоэлектроды 1, 2, 3 и 4 являются по химсоставу и свойствам точно такими же как в прототипе, но выполняют здесь только функцию разомкнутых термопар. Следовательно, совокупность термоэлектродов 1-10 в заявляемой системе и наличие в том числе дополнительных термоэлектродов 5-10 (напомним, в общем число этих термоэлектро- дов равно п + 1) с определенным химсоставом, включающим химзлементы, определяемые в пробе, позволяют в отличие от прототипа эффективно и более точно определять (рассчитывать на ЭВМ) сразу (без предварительного накопления контрольных проб химсоставов жидкого металла 5 (высокотемпературной пробы) путем решения системы уравнений на ЭВМ.

Измерительная система работает следующим образом. Пробницу с десятью тер- 0 моэлектродами (фиг. 2 и 3), если требуется определить содержание пяти основных химэлементов (С, S, P, Si, Mn) в стали, погружают в жидкий металл, например, в конвертерную ванну при помощи полой

5 штанги (зонда), на которой установлен блок 16 с этой пробницей. Через отверстия 12 жидкий металл заполнит пробницу и термоэлектроды окажутся в контакте своими кончиками (выступающая длина их как из

0 кварцевой перемычки, так и из пористой огнеупорной пробки 15 равна, примерно, 1 мм) с пробой металла и начнут посылать информацию (величину термоЭДС) в ОС, которая во взаимодействии с ЭВМ, по зало5 жанной в последнюю программе, подает в ЭВМ значения термоЭДС от всех термоэлектродов. Измерение начинается с определения температуры жидкого металла в агрегате. Для этого фиксируется на ЭВМ

0 первое значение термоЭДС на термоэлектродах 2 и 4 разомкнутой термопары. После измерения температуры металл и выдержки в нем (4-5 с) пробницы для полного заполнения ее, последнюю начинают

5 выводить из жидкого металла и агрегата,- при этом, проба фиксируется в пробнице, принимая форму ее полости, кристаллизуется и остывает с перепадом температуры между ее основной массой, находящейся в

0 придонной части Б пробы и тонким концом стержневой ее. части А, в контакте с которыми находятся термоэлектроды. В процессе охлаждения высокотемпературной пробы металла, при помощи 2-х разомкнутых термопар, образованных 5 термоэлектродами, соответственно, I и 2,3 и 4 (фиг. 1 и 2), фиксируют на ЭВМ перепад темперзтуры в пробе, а при помощи дополнительных термоэлектродов 5-10 фиксируют также на ЭВМ термоЭДС в пробе при 0 соответствующем ей перепаде температуры. ЭВМ согласно программе, после получения значений термоЭДС от пробы, начнет определять (рассчитывать) содержание химических элементов в ней, решая систему 5 -уравнений. Для.составления ее условимся, что определяемые химические элементы в жидком металле (высокотемпературной пробе) обозначать с индексом х (икс), а для элементов термоэлектродов индексом будет номер термоэлектрода, а также, согласно таблице , Cs С Са Сэ Сю, Ss Se 88 59 5ю и так далее для остальных элементов, тогда систему уравнений можно записать следующим образом:

Кс (Сх - Cs) + Ks (Sx - Ss) + КР (Рх - Ps) + f Ksi (Six - Sis) + Кмп (Mnx - Mns) Д Ex - s;

Кс (Сх - Се) + Ks (Sx - Ss) + Кг (Рх - Ps) + +Ksi (Six - SIB) + Кмп (Mnx - Mns) A Ex - e:

Kc (Cx - Cs) + KS (Sx - S) + KP (px - P5) + +Ksi (Six - Sis) + К мп (Mnx - Mns) Д Ex - 7;

KC (Cx - Cs) + Ks (Sx - Ss) + KP (Px - Ps) + +Ksi (Six - Sis) + Кмп (Mnx - Mns) A Ex - s;

Kc (Cx - Cs) + Ks (Sx - Ss) + KP (Px - P5) + +Ksi (Six - Sig) + Кмп (Mnx - Mns) A Ex - 9;

Kc (Cx - Cs) + Ks (Sx - Ss) + KP (Px - Ps) +

+KSI (Six - Sis) + KMn ( Mnx - Мпю) A Ex -10;

где Kc, Ks, Kp, KSI, Кмп - коэффициенты поэлементные, то есть, минимальная величина термоЭДС (единица измерения), возникающая от минимального содержания (наличия) соответствующего элемента в анализируемом металле (по-видимому, для металлургии содержание элемента должно быть не более 0,001.%),

Коэффициенты определяются путем поочередного вычитания из первого уравнения системы (опорный термоэлектрод) каждого последующего уравнения, то есть, коэффициент при углероде тогда будет равен:

Кс (Сх - Cs) - Кс (Сх - Се) АЕх-5-АЕх-б;

КсСх - KcCs - КсСх - КсСе - Кс (Cs + Се) АЕх-5- АЕх-б;

Кс

АЕх-6-АЕх-5

Сб + Сб

Аналогично, при остальных элементах их коэффициенты будут равны:

ДЕх-7-ДЕх-5. Ss + S

АКх-8-АЕх-5 Ps + Р8

„ ДЕх-9-ЛЕх-5 Ksi --Sis + Sig--

KMn

АЕх-Ю-ДЕх-5 Mns + Мпю

После определения поэлементовых коэффициентов термоЭДС приступаем к решению системы уравнений, предварительно несколько ее видоизменив и, при

этом, прямо не включаем в систему первое уравнение (опорный термоэлектрод), а будем использовать его косвенно, как соотносящееся к каждому уравнению системы по параметру термоЭДС. Итак, переписываем

систему уравнений по- новому, а потом поясним, на основании чего переписали так систему:

Кс (Сх - Cs) + Ks ( Sx - S5) +

+ Kp(Px-Ps)+Ksi(Slx-Sl5) +

+ Кмп (Мпх - Mns) Д Ex - s; Ks(Sx-Ss)+xKp(Px-P5) + +Ksi (Six - Sis) + Кмп (Mnx - Mns) AEx-5-Ei;

Kc(Cx-Cs) + ... + Kp(Px-Ps) + +Ksi (Six - Sis) + Кмп (Mnx - Mns) AEx-s-E2; Kc(Cx-C5)+Ks(Sx-S5) + ...+

H-KSI (Six - Sis) KMn (Mnx - Mns) A Ex-5 - Ез:

Kc (Cx - Cs) + Ks (Sx - Ss) + +Kp (Px - Ps) + ... + Кмп (Mnx - Mns) A Ex -5- Ј4;

Kc (Cx - Cs) + Ks (Sx - Ss) + Kp (Px - Ps) + +Ksi(Six-Sis)... AEx-s-Es;

Записать так систему можно, если применить постулирование физико-химического процесса термоЭДС в контакте под воздействием встречного электрического

поля, то есть, после определения поэлементных коэффициентов (Кс, Ks, Kp, Ksi, Кмп) на каждый термоэлектрод ( №Мз 6-10) подают электродвижущую силу (источник Э. Д. С. фиг, 2) такой величины, которая

компенсирует разницу между значениями термоЭДС каждого термоэлектрода (отличающегося от опорного соответствующим элементом) и опорным, и таким образом, соответствующее от каждого термоэлектрода слагаемое левой части каждого уравнения системы, ввиду компенсации его значения приложенной соответствующей ЭДС (Ei, E2, Ез, , ES) переходит из левой части уравнения в правую в виде соответствующего слагаемого Ei, Ј2, Ез, Ез, ES и, таким образом, получили симметричную систему линейных уравнений, которая легко решается хорошо известным в математике способом. Сложим все уравнения системы

(предварительно раскрыв скобки и перенеся известные в правую часть); чтобы сохранить равносильность, сохраняем и все исходные уравнения:

(5-1) IKcCx KsSx + КрР, + KsiSIx + +Кмг,МпО-5 ДЕ«-5 + (5-1)(KcC5 + KsSs + +Крр5 + KsiSIs + Км„Мп5) - (Ei + Ј2 + Ез + --- Е4 + Е5),

KsS KpP, t KsiSI + Км„Мп, - AE«-s-Ei KsSs KpPs

KsiSIs КмлМл5. .

KcC, + ... + Kp P« + KsiSI, + Км„Мп - ДЕ, . s - E KcCs + KpPs KsiSIs +КмпМп5.

... « KsiSI, КмоМп, - AE . 5 - Ез « KcCs + KsSs + KsiSIs + +КмпМпч.

KcCx + KsS, KpP, t... + КмпМп, - A Ex 5 - F-t + KcCs + KsSs + Kpp5 +

4КмлМп5.

КсС + KsS, + KpP,+ KsiSk ... - Л Е, - 5 - Es + KcC5 KsSs + KpP5+ KsiSIs. .

Перепишем первое уравнение системы в виде

КсСх + KsSx -I- КрРх + KsiSx КмпМПх

5 Д Б.-5 + (5 -1) (Кс С5 + Кр Р5 + 5-1

. Ksi SI5 + KMn Mns + К, S5) - (Ei + E2 + Ез + Е4 + Е5) . 5 -.1 .

вычтем из него каждое уравнение систеы. Получим

4 Ks Ss + Кр PS + V 4 Ksi SI5 + 4 Кмп Mnr, - Ei - Е2 - Ез - Ј4 - Е5

- Ei + К, S5 . + Sir, + Кр Ps Mns).

5AEx-5 + 4KcCs + 4KsS5 4-4Kp 5 + .-----------ДТЕ------

+4 Ksi Sis + 4 Кмп Mns

-4ДЕ,-5 + 4Е,-4AS S -тк -----

- 4 KP PS - 4 Ksi Sis - 4 Кмп Mns-Jt lJl lEizl4 Z-E5 .

-- -----------TRc

Приведем подобные и окончательно получим

г -А А Cs + 3 Ei - Е2 - Ез - Е - ES

4 Кс-- : :

Проведем аналогичные вычисления по остальным химэлементам, они будут определяться выражениями аналогичными углероду, то есть:

AEi-5+4Ks$5+3 Ег -Ei -E3-E4-ES

Sx - -------------5 5------------- .

Рх

ДЕзГ-5 + 4 КрР5+3 Ез-Ei -Е2-Е4 -Ез.

ткг

МПх

..--л

Д Е«-5 + 4 Ksi Sis + 3 Е4 - Ei + Е2 - Ез - Es , TKi

A + 4 KMn Mns + 3 Es - Ei - E2 - Ез - E4 4 Кмп

Результаты анализа химсостава отправляются в память ЭВМ. На этом заканчивается цикл (первый) расчета, а ЭВМ запрашивает от ОС данные (значения тер- моЭДС) для следующего цикла, который, как и все последующие, начинается с фиксации перепада температуры в пробе и заканчивается отправкой в память ЭВМ значений анализа этого цикла. Такой расчет продолжается в течение периода времени, заданного программой (например, до 30-50 с), то есть, по ходу охлаждения высокотемпера.

турной пробы ЭВМ рассчитывает, а затем . -усредняет все значения по каждому определяемому (рассчитываемому) химэлементу и результат анализа высвечивает на экране 5 дисплея.

Для определения химсостава легированных марок стали поступают аналогично, то есть, включают в химсостав дополнительных термоэлектродов легирующие элемен- 10 ты (Сг, Ni, Ti, W, Mo, Y, Nb и т. д.) и ЭВМ решаетсистему уравнений так же, какидля углеродистых марок стали.

Итак, измерительная система для экспрессного определения химсостава пробы 15 (высокотемпературной) металла с дополнительными термоэлектродами, имеющими взаимосвязанный химсостав и число их определяется числом анализируемых элементов в пробе плюс один с опорным по 20 химсоставу термоэлектродом, и в связи с этим, появившаяся возможность математически выделить, при помощи решения системы уравнений, из общей суммы термоЭДС пробы значения термоЭДС, 25 вносимой каждым элементом, и так же ваи- ду использования возможности ЭВМ оперировать с большим числом быстро изменяющихся значений переменных, позволяет с момента начала кристаллизации 30 высокотемпературной пробы металла, то есть, практически сразу начать опредедять химсостав (и температуру) жидкого металла непосредственно в металлургическом агрегате по ходу охлаждения пробы, путем мате- 35 матического расчета (определения) химэлементов при помощи решения на ЭВМ системы уравнений. Это, в сравнении с измерительной системой прототипа, позволяет повысить эффективность и точность 40 определения химсостава жидкого металла, так как в прототипе определения химсоста- , ва осуществляется путем сравнения значений термоЭДС контрольных проб, химсостав которых должен быть предвари- 5 тельно (заранее) определен и заложен в память ЭВМ, что не может не снижать эффективность прототипа.

Применение заявляемой измеритель- ной системы, например, в конвертерном 0 производстве стали позволяет повысить производительность агрегата за счет сокращения длительности цикла плавки и сокращение числа плавок с додувками, способствует повышению качества конвер- 5 терной стали и автоматизации конвертерной плавки.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Измерительная система для экспрессного определения химического состава пробы металла, содержащая термоэлектроды,

подключенные к измерительному прибору, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности и точности определения, проба металла использована как элементизмерительной системы и выполнена с изменяющимся поперечным сечением между двумя противоположными сторонами, при этом к пробе со стороны меньшей

Utm&wviK, Э&с.

1

fyfribcj)ОСТы&ф}

щ Ч is, а

3 s s§ 3

. л Пч пС л

к кpi 7

-Ь-J jfeLJ

Высокотемпературная пр#$% металле,

площади подключены два термоэлектрода, а со стороны большей площади - п + 1 термоэлектродов, в состав каждого из которых введены анализируемые химические элементы, причем n-й термоэлектрод отличается от (п + 1)-го термоэлектрода отсутствием одного из анализируемых элементов, где п - количество анализируемых элементов.

Г

Зисяяей

ЭВМ

s§ 3

пС л

pi 7

-Ь-J jfeLJ

Фиг./

ffa ОС