SU1737328A1 - Устройство дл определени окисленности металла - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к черной металлургии , а именно к контролю параметров металла в сталеплавильном агрегате, и предназначено дл  определени  окисленности металла. Цель - повышение точности определени  окисленности металла. Существо изобретени  заключаетс  в том, что окисленность определ ют средствами вычислительной техники с учетом температуры металла и окружающей среды. Устройство содержит датчик окисленности металла, датчик температуры металла и согласующий блок. Новым в устройстве  вл етс  то, что оно содержит калибратор, датчик температуры окружающей среды, коммутатор, блок контрол  коммутации входных датчиков, микропроцессорный блок управлени  и блок цифропечати. 4 ил., 1 табл. сл С

Description

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

Известно устройство дл  определени 

окисленности металла, содержащее последовательно соединенные пробницу, измеритель усадки, вычислительный блок и регистрирующий прибор. Получаема  проба имеет форму усеченного конуса с верхним торцом диаметром 32 мм, а нижним - 26 мм, высота пробы 70 мм. При получении закристаллизовавшейс  пробы образуетс  открыта  усадочна  раковина, что позвол ет производить измерение усадки без разрезани  пробы и вы влени  поперечного сечени . Измерение усадки осуществл етс  глубиномером штангенциркул  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 врем  алюминиевый пруток (полоса ) расплавл етс  без остатка. Проба затвердевает, ее выбивают из пробницы и охлаждают в воде. Штангенциркулем замер ют величину усадки металла.

В вычислительном блоке осуществл етс  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 наблюдаетс  низка  точность контрол  окисленности металла в сталеплавильном агрегате ввиду низкой точности определени  величины усадки металла. Кроме того, 5 наблюдаетс  невысока  воспроизводимость результатов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату  вл етс  устройство дл  определени  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 преобразовател  соединен с вторым входом первого функционального преобразовател .

Устройство работает следующим образом .25

При погружении датчика температуры в жидкий металл на его выходе по вл етс  термоЭДС, пропорциональна  температуре металла, котора  усиливаетс  и поступает на вход второго функционального преоб- 30 разовател , в котором определ етс  стационарный участок, соответствующий температуре металла. Сигнал, пропорциональный температуре металла, поступает на второй вход первого функционального пре- 35 образовател  и запоминаетс .

При погружении датчика окисленности в металл на его выходе по вл етс  ЭДС, кото- ра  усиливаетс  усилителем и поступает на первый вход первого функционального пре- 40 образовател , в котором определ етс  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 наблюдаетс  низка  точность контрол  окисленности металла, обусловленна  погрешност ми , возникающими ввиду вре- менного дрейфа коэффициента усилени  и смещени  нулевого уровн  входных усилителей , а также вли нием термоЭДС свободных концов термопары на величину

0 5 0

5

0 5

0

5

0

5

измер емого сигнала датчика температуры металла.

Так, например, при построении входных усилителей на операционных усилител х типа КР 140 УД20А изменение температуры окружающей среды на 10°С приводит к изменению измер емой 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 дл  стандартных термопар составлены при условии равенства температуры свободных концов 0°Ј и поэтому необходимо вводить поправку.

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

Таким образом, недостатком известного устройства  вл етс  низка  точность контрол  окисленности металла, обусловленна  вли нием термоЭДС свободных концов термопары на величину измер емого сигнала по каналу от датчика температуры, погрешност ми, возникающими ввиду временного дрейфа коэффициента усилени  и смещени  нулевого уровн  входных усилителей , а также ложным определением окисленности металла вследствие случайных помех, возникающих во входных цеп х первичных датчиков в случае неисправности последних .

Цель изобретени  - повышение точности контрол  окисленности металла в сталеплавильном агрегате.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройство дл  определени  окисленности металла, содержащее датчик окисленности металла, датчик температуры металла и согласующий блок, введены калибратор, датчик температуры окружающей среды, коммутатор, блок контрол  коммутации входных датчиков, микропроцессорный блок управлени , 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 управлени  подсоединены соответственно к первому - шестому входам коммутатора, первый выход которого через согласующий блок подсоединен к первому входу микропроцессорного блока управлени , к второму входу которого подсоединен второй выход коммутатора через блок контрол  коммутации входных датчиков, выход диспле  подсоединен к третьему входу микропроцессорного блока управлени , второй и третий выходы которого подсоединены соответственно к входам диспле  и блока цифропечати.

На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - схема калибратора и коммутатора; на фиг. 3 - схема микропроцессорного блока управлени  и блока цифропечати; на фиг.4 - схема диспле  и блока контрол  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 контрол  коммутации входных датчиков, микропроцессорный блок 8 управлени , 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 преобразовател  11 типа ТПР-2р75 с диапазоном измер емых температур 1300- 1800°С. Датчик 3 температуры окружающей среды может быть представлен, например, в виде серийного термопреобразовател  12 сопротивлени  типа ТСМ-6097 с диапазоном измер емых температур от -50 до 150°С. Калибратор 4 представл ет собой источник опорных напр жений и может быть выполнен, например, на базе операционного усилител  13типа КР 140УД20А; резистором 14 задаетс  ток через стабилитрон 15, при котором обеспечиваетс  минимальный температурный коэффициент напр жени . Стабилитрон 15 поддерживает на инверсном входе операционного усилител  13 напр жение 1 В. Выходное напр жение источника равно

Uon UcT+UR,

где UCT - напр жение стабилизации стабилитрона , В;

UR - напр жение на резисторе делител , 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 усилител , имеющего высокое входное сопротивление и обеспечивающего установку заданного коэффициента усилени .

5Блок 7 контрол  коммутации датчиков

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

Микропроцессорный блок 8 управлени 

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

0 Однокристальна  микро-ЭВМ КМ 1816 8Е48 представл ет собой БИС, имеющие в своем составе все характерные части небольшой микро-ЭВМ: арифметическо-логи- ческое устройство, устройство управлени ,

5 перепрограммируемое ПЗУ программ с ультрафиолетовым стиранием (СППЗУ), ОЗУ данных и программно-управл емые 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 переключател  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 включени  электропитани  в микропроцессорном блоке 8 управлени  начинает выполн тьс  программа инициализации, котора  приводит устройство в исходное состо ние .

В исходном состо нии (см. фиг. 2) транзисторные ключи релейных переключателей 21-25 выключены, и через нормально замкнутые контакты релейного переключател  24 к термоэлектрическому преобразователю 2 через токоограничивающий резистор 93 подаетс  зондирующее напр жение 12 В (см. фиг. 4, бл. 7). Последовательно в эту цепь включен оптронный переключатель 92. Если сменный блок термоэлектрического преобразовател  с датчиком 2 температуры металла не установлен, то ток через оптронный переключатель 92 отсутствует, что приводит к формированию на его выходе сигнала низкого уровн , который поступает в микропроцессорный блок 8 управлени  на вход ТО микропроцессора 31 и переводит устройство в режим ожидани  установки датчика 2 температуры металла. После установки сменного блока термоэлектрического преобразовател  с датчиком 2 температуры металла (см. фиг. 4) цепь +12В - резистор 93 - оптронный переключатель 92 - датчик 2 температуры, металла - (-12В) замыкаетс  через его низкое внутреннее сопротивление , что приводит к по влению на выходе оптронного переключател  92 сигнала высокого уровн  и выводит микропроцессор 31 из состо ни  ожидани , и в устройстве начинает выполн тьс  процедура автоматической калибровки.

Процедура автоматической калибровки осуществл етс  следующим образом.

По сигналу с выхода микропроцессорного блока 8 управлени  открываетс  транзисторный ключ 26 (см. фиг.2), что приводит к размыканию нормально замкнутых контактов реле 27 и подключению выходных цепей калибратора 4, с выхода которого подаетс  напр жение Ui (величина Ui определ етс  опытным путем, исход  из диапазона выходных напр жений термоэлектрического преобразовател  датчика 2 температуры металла) в течение ,8 с на вход согласующего блока 6 (величина A t определ етс  опытным путем), затем транзисторный ключ 26 закрываетс , что приводит к размыканию выходной цепи Ui калибратора 4, далее по сигналу с выхода микропроцессорного блока 8 управлени  (см. фиг. 3) открываетс  транзисторный ключ релейного переключател  21, что приводит к размыканию его нормально замкнутых контактов и подключению выходных цепей калибратора 4 U2 (величина U2 определ етс  опытным путем, исход  из диапазона выходных напр жений термоэлектрического преобразовател  датчика 2 температуры металла, причем Ui выбираетс  в начале диапазона, a DZ

выбираетс  в конце диапазона выходных напр жений термоэлектрического преобразовател  датчика 2 температуры металла) в течение ,8 с на вход согласующего блока 6 (величина A t определ етс  опытным путем), затем транзисторный ключ релейного переключател  21 закрываетс , что приводит к размыканию выходной цепи U2 калибратора 4 и подключению выхода термоэлектрического преобразовател  датчика 2 температуры металла к выходу согласующего блока 6.

Далее в микропроцессорном блоке 8 управлени  рассчитываютс  коэффициент

усилени  и величина смещени  нулевого уровн  согласующего блока 6 по следующим зависимост м:

20

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

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

где k - коэффициент усилени ;

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

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

Up - величина смещени  нулевого уровн  согласующего блока на его выходе, В;

Ui - величина напр жени  первого источника опорного напр жени  калибратора,

В; ,,

U2 - величина напр жени  второго источника опорного напр жени  калибратора, В.

Далее по сигналу из микропроцессорного блока 8 управлени  переключаетс  транзисторный ключ релейного переключател  22 и сигнал с термоэлектрического преобразовател  11 датчика 3 температуры окружающей среды коммутируетс  на вход

согласующего блока б. Сигнал с выхода согласующего блока 6, пропорциональный температуре окружающей среды, поступает в микропроцессорный блок 8 управлени , где осуществл етс  поправка дл  компенсации термоЭДС холодных концов термоэлектрического преобразовател  датчика 2 температуры металла. Процедура калибровки в реальном времени продолжаетс  не более 2-3 с, что практически не вли ет на

длительность полного цикла замера. Причем калибровка позвол ет устранить различные дестабилизирующие факторы (температурный дрейф, старение радиоэлементов и т.д.), привод щие к изменению метрологических характеристик согласующего блока 6, кроме того, в процессе калибровки полученные значени  коэффициента усилени  k и смещени  нулевого уровн  Uo сравниваютс  с нормализованными и в случае существенного отличи , вызванно- го отказом радиоэлементов устройства, формируетс  диагностическое сообщение на дисплее и дальнейша  работа устройства блокируетс . Таким образом, процедура калибровки позвол ет повысить достовер- ность показаний устройства. В случае нормального прохождени  калибровки на дисплее 9 выдаетс  сообщение о готовности, что  вл етс  сигналом к началу погружени  сменного блока датчика 2 температуры ме- талла в ванну сталеплавильного агрегата. Одновременно с этим в коммутаторе 5 включаетс  релейный переключатель 24 и через его нормально разомкнутые контакты термопреобразователь датчика 2 температуры металла подключаетс  к входу согласующего блока 6 и в микропроцессоре 31 начинает выполн тьс  программа аналого-цифрового преобразовани  методом последовательного приближени . Код АЦП св зан с величи- ной термоЭДС следующим соотношением:

A+Uo,

где Уэдс - термоЭДС датчика температуры металла, мВ;

k - коэффициент усилени ;

Uo - величина смещени  нулевого уровн , мВ;

А - код АЦП.

Рассчитанна  по вышеприведенной формуле термоЭДС  вл етс  исходной величиной дл  определени  температуры металла в соответствии с номинальной статистической характеристикой.

Расчет температуры производитс  с помощью метода кусочно-линейной аппроксимации .

Расчетное значение температуры металла Т сравниваетс  с нижней точкой изме- р емого диапазона температур 1300°С. Если Т меньше, то вышеописанные действи  повтор ютс , начина  с АЦП, если же Т больше, то устройство переходит из режима ожидани  в режим измерени , в процессе которого выполн ютс  следующие операции .

Рассчитанна  температура провер етс  на принадлежность измер емому диапазону: 1300°С Т 1800°С.

Если Т 1300°С и врем  т, прошедшее с начала измерени  т 3 с, то на дисплей устройства выдаетс  сообщение о коротком замере, дальнейший процесс измерени 

блокируетс  и устройство переходит в режим ожидани  установки сменного блока датчика 2 измерени  температуры металла. Такое же действие выполн етс , если Т 1800°С, и на дисплей выдаетс  сообщение о превышении верхней границы измер емого диапазона. Если же Т принадлежит диапазону 1300°С Ј Т Ј 1800°С, то его значение записываетс  в оперативно-запоминающее устройство и отображаетс  на экране диспле .

Если Т 1300°С и г 3 с, то процесс измерени  считаетс  законченным и устройство переходит к процессу обработки термограммы, записанной в ОЗУ во врем  замера. Суть обработки сводитс  к поиску на термограмме пологого участка, соответствующего стабилизации показаний датчика 2 температуры металла. Если пологий участок не найден, то на дисплей устройства выдаетс  сообщение о плохом замере, если найден, то на экран диспле  выдаетс  значение температуры Т на этом участке, которое соответствует температуре металла, кроме того, это значение запоминаетс  дл  дальнейшего использовани  при расчете окисленности металла.

После этого устройство переходит к ожиданию сигнала с датчика 1 окисленности металла, дл  чего в комутаторе 5 производитс  изменение состо ни  релейных переключателей 24 и 25. Релейный переключатель 24 выключаетс , а релейный переключатель 25 включаетс , в результате чего сигнал с датчика 1 окисленности металла прикладываетс  к входу согласующего блока 6,

До погружени  датчика 1 окисленности металла в жидкий металл сигнал с датчика 1 отсутствует, после погружени  в металл на его выходе по вл етс  ЭДС, величина которой определ етс  в микропроцессорном блоке 8 управлени  по зависимости

A+Uo,

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

k - коэффициент усилени  согласующего блока 6.

Uo смещение нулевого уровн  согласующего блока 6, В;

А - код аналого-цифрового преобразовател .

При выполнении услови  Е 50mv устройство переключаетс  в режим измерени  ЭДС с датчика 1 окисленности металла, алгоритм измерени  ЭДС в целом похож на

алгоритм измерени  температуры металла. Отличие заключаетс  в диапазоне измерени  50mv JЈ Е :S 800mv и отсутствии процедуры кусочно-линейной аппроксимации, так как запись измер емых 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 врем  измерени  в ОЗУ. Результатом обработки  вл етс  усредненное значение ЭДС, расположеннх на пологом участке, соответствующем стабилизации показаний датчика окисленности металла. Измеренное значение ЭДС Е выдаетс  на соответствующую строку диспле  9 и запоминаетс  дл  непосредственного вычислени  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 выдаетс  на соответствующую строку диспле  9 и, кроме того, выдаетс  через большую интегральную схему последовательного интерфейса 34 микропроцессорного блока 8 управлени  на печать блока 10 цифропечати. После чего устройство переходит в исходное состо ние .

Как показали испытани  предлагаемое устройство позвол ет определ ть окислен- ность металла наиболее близко к истинному его значению.

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

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

Среднеквадратичные значени  отклонений фактического значени  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 позвол ет определить значение окисленности металла наиболее близко к его истинному значению, а за счет более высокой точности определени  окисленности металла снижаетс  расход ферромарганца, присаживаемого в ковш.

20

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  определени  окисленности металла, содержащее датчик окисленности металла, датчик температуры металла и согласующий блок, отличающеес 

   тем, что, с целью повышени  точности определени  окисленности металла, в него введены калибратор, датчик температуры окружающей среды, коммутатор, блок контрол  коммутации входных датчиков, микропроцессорный блок управлени , 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 управлени  подсоединены соответственно к первому - шестому входам коммутатора, первый выход которого через согласующий блок подсоединен к первому входу микропроцессорного блока управлени , к второму входу которого подсоединен второй выход коммутатора через блок контрол  коммутации входных датчиков, выход диспле  подсоединен к третьему входу микропроцессорного блока управлени , второй и третий выходы которого подсоединены соответственно к входам диспле  и блока цифропечати .

   ЧУ

   fO

   Фсге.. /

   оо см со г- со гь}

   о

   1НЙ

   г;

   i

   о

   п

   NJ- «б

   И