Устройство для определения внутрен-него состояния самообжигающегосяэлектрода

Сова Советскик Сециалистическик Республик(22) Заявлено 26. 02, 79 (21) 2730060/24-07 Р)М Кл Н 01 В 7/09Р 27 0 21/04 с присоединением заявки Йо "(23) Приоритет -Государственный ноинтет СССР но делан нзобретеннй н открытий(72) Авторы изобретения М.И.Лифсон, Г.М.Жилов, М,М.ГринбаумВ.А,Севостьянов и В,А.Цвит Ленинградский государственный научно-исследовательскийи проектный институт основной химической промышленности. д - ф1 ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО СОСТОЯНИЯ ЖИГАЮЩЕГОСЯ ЭЛЕКТРОДА 2 Изобретение относится к электротермии, в частности к электропечным установкам, например фосфорным, карбидным, ферросплавным и им подобным 5 печам, оборудованным самообжигающимися электродами, и может быть ис".пользовано в системах автоматического управления электропечными установками в качестве датчика перепуска 1 О электродов или корректирующего устройства токовой нагрузки электрода.Наиболее эчфективно применение данного устройства для мощных электро- печных установок закрытого типа, 15Надежность работы электропечной установки в значительной степени зависит от процессакоксования самообжигающегося электрода, поэтому воспросы нормальной эксплуатации его 2 О имеют огромное значение и во многом определяют технико-экономические показатели электропечной, установки.В результате обрыва электродапечь останавливают на длительное вре- )5 мя, что существенно снижает ее производительность. Основной причиной обрывов электродов является неполное закоксование электродной массы к моменту выхода электрода на контактных плитах и разрушение кожуха вследствие перегрузки его по току,Критериями, определяющими надежность работы самообжигающегося электрода, являются степень и положениезоны спекания (зона начала коксования) электрода относительно его нижнего среза контактных плит, а такжескорость коксования его,Оптимальное положение зоны спекания зависит от типа электропечнойустановки и получаемого продукта.Так для ферросплавных печей - этосередина контактной плиты, а для фосфорной - 1/3 высоты контактной плитыот нижнего среза. Расположение зоныспекания ниже оптимального уровнянежелательно, так как в этом случаевозникает опасность обрыва электродаи выпуска из него электродной массы.Высокое положение эоны спеканияухудшает электрический контакт между оболочкой электрода и контактнойплитой, а также усложняет перепускэлектрода из-эа распирания кожухаэлектрода.Известны устройства для определения внутреннего состояния электродареализующие способ температурногозондирования, который заключается в том, что при помощи нескольких термопар, помещенных в защитные трубы снимают температурное поле внутри электрода. По температурному распределению строят изотермы, по которым определяют положение зоны коксования и скорость коксования 1 . и 2).Однако размещениеконструкции внутри кожуха усложняет эксплуатацию электрода в момент загрузки в него электродной массы и при наращивании кожуха.Кроме того, точность измерения температуры по данному способу,недостаточна,:так как термопары заключены в металлические трубы, имеющие наводки. Трудно также учесть поправку на теплопередачу и точно определить положение зоны спекания. Попадание дополнительного железа в расплав, а затем в шлак, ухудшают качество сливаемого продукта.Известно также устройство, в котором, кроме термопары, в защитную металлическую трубу помещают металлический зонд, перемещаемый специальным приводом до соприкосновения с зоной спекания. Устройство снабжено прибором контроля за перемещением зонда 3 ).Внутреннее состояние электрода определяется на основе измерения температуры, вязкости жидкой электродной массы, положения и механической прочности зоны спекания.Вязкость жидкой электродной массы определяют путем измерения приводной силы .в момент опускания и подъема измерительного зонда.Прочность эоны спекания определяется по приводной силе в момент отрыва измерительного зонда от зоны спекания после их адгезии, происходящей в течение определенного промежутка времени.Однако в этом устройстве измерение возможно только тогда, когда масса в кожухе находится в абсолютно расплавленном состоянии, так как находящиеся в жидкой массе куски могут повлиять на точность определения положения зоны спекания вследствие высокого сопротивления перемещению измерительного зонда, Кроме того, точность измерения вязкости низкая, так как на измерение еевлияет наличие жидкой электродной массы в самой защитной трубе.Определение механической прочности спекаемого участка сопряжено с возможностью аварии всего.устройства в случае основательного спекания зонда с электродной массой, так как скорость адгезии не контролируется.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для определения внутрен- ь него состояния самообжигающегосяэлектрода в течение плавки, содержащее электроакустический преобразователь, установленный снаружи кожухаэлектрода в области эоны спекания,вход которого через генератор высокочастотных импульсов соединен с задающим генератором, а выход черезканал усиления, выполненный в видецепочки из последовательно соединенных аттенюатора, усилителя и интегрирующего элемента, соединен с первымвходом блока определения степениспекания электрода, выход которогосоединен со входом блока определенияположения зоны спекания, с выходами 15 для подключения системы управленияэлектропечной установкой 4 ).Работа устройства основана насвязи параметров ультразвуковых колебаний (затухание и скорость ульт развука) с физико-механическимисвойствами материалов (плотностью,прочностью, вязкостью и т,д.).Опрецеление степени спекания осуществляется путем оперативного измерения коэффициента затухания и времени распространения ультразвуковыхколебаний, возбужденных в поперечномсечении электрода на высоте оптимального расположения эоны спекания,сравнения их с заданными значениямиэтих параметров, полученными в лабораторных условиях при исследованиискоксованного электрода. Для повышения точности полученные значенияинтегрируются за определенный промежуток времени.Для определения положения зоныспекания сравнивают фактическую степень спекания с заданной, и по величине отклонения ее, и по положению 40 электроакустического преобразователясудят о положении зоны спекания.Основным недостатком этого устройства является то, что в качествезаданных величин используются результаты, полученНые в лабораторн;ях условиях, и на реальном объекте условияизмерения несколько отличаются и поправка может не отражать действительную величину, поэтому и точностьопределения измеренных величин недостаточна., Кроме того, температура началакоксования, плотность, составэлектродной массы на различных предприятиях и типах электропечных 5 установок отличаются, поэтому получение заданных параметров ультразвуковых колебаний связано с дополнительными трудозатратами.Расположение изучающего и приемр ного элемента ча диаметрально-противоположных сторонах электрода вследствие большого затухания ультразвуко-.вых колебаний в электродной массе:вынуждает использовать относительнонизкие колебания (до.300 крц), чтотакже влияет на точность определения внутреннего состояния электрода,С увеличением же мощности электропечной установки, а следовательно и размеров электрода, частота колебаний должна быть уменьшена, что влияет на точность работы устройства.Цель изобретения - повышение точ-. ности и надежности определения внутреннего состоягдч электрода.Цель достигается тем, что устройство снабжено расположенными снаружи кожуха электрода на одной вертикальной оси с указанным преобразователем двумя дополнительными электроакустическими .преобразователями, первый из которых установлен на уровне жидкой электродной массы, а второй - ниже зоны спекания, входы обоих дополнительных преобразователей подключены к указанному генератору высокочастотных импульсов, выход 20 первого дополнительного преобразователя соединен со входом первого дополнительного канала усиления, первый выход которого через блок задержки соединен со вторым входом 25 блока степени спекания, выход второго дополнительного преобразователя связан со входом второго дополнительного канала усиления, первый выход которого соединен с первым входом дополнительного блока определения степени спекания, связанного с дополнительным входом блока определения положения зоны спекания, а вторые выходы обоих дополнительных каналов усиления подключены к блоку памяти, а его выход соединен со вторым входом дополнительного блока определе-. ния степени спекания.Все электроакустические преобразователи могут быть выполнены совмещен ными или раздельно-совмещенными, причем их входы могут быть связаны с генератором высокочастотных импульсов через коммутатор.для повышения надежности устройст-ц 5 ва снабжено регистрирующим блоком, например электронным вольтметром, вход которого соединен с вторым выходом первого блока спекания, а между выходом усилителя и входом интегратора второго дополнительного измерительного канала включен логический элемент, выполненный по схеме ИЛИ-НЕ.На чертеже изображена блок-схема устройства для определения внутреннего состояния самообжигающегося55 электрода.По высоте электрод условно разделен на четыре агрегатные зоны, А - спеченная часть электрода; В - , зона спекания) С - зона жидкой 60 электродной массы, Д - эона кусковой эле:тродной массы.Устройство содержит электрод 1 с контактными плитами 2, задающий генератор 3, генератор 4 высокочастотных импульсов, соединенных через коммутирующий блок 5 с входом трех раздельно-совмещенных или совмещенных преобразователей б, ра:мещенныхвертикально друг над другом на различной высоте электрода, выходы электроакустических преобразователейба, бб, бв соединены с входами измерительных каналов 1,.5,В .Первый и второй каналы идентичны и содержат последовательно соединенные аттенюатор 7, усилитель 8 и интегратор 9Выход первого канала через блок 10 задержки соединен со входом блока 11 спекания, второй . вход которого соединен с выходом второго измерительного канала. Второй выход первого измерительного канала через блок 12 памяти соединен с первым входом блока 13 спекания, второй вход которого соединен с выходом третьего измерительного канала,К выходу блока 11 спекания подклю- . чен усилитель 14 а, к выходу блока 13 спекания-усилитель 146, причем усилитель 14 а детектор 15 и показывающий прибор 16 могут входить в электронный вольтметр.Выходы усилителей 14 а и 14 б соединены со входами блока 17 определения положения зоны спекания.Третий измерительный канал отличается от первых двух наличием логического элемента ИЛИ-НЕ 18, включенного между входом усилителя 8 в и интегратора 9 в этого канала.Устройство работает следующим образом.Задающий генератор 3 вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов с частотой повторения 300 Гц, которые запускают высокочастотный генератор 4, генерирующий рабочие импульсы высокочастотных колебаний практически любой частоты. Электрические высокочастотные колебания через коммутатор 5 поступают на входы электроакустических преобразователей ба, бб, бв.Коммутатор работает таким образом, что на входы электроакустических преобразователей высокочастотные колебания поступают поочередно. В случае использования совмещенного акустического преобразователя, он состоит из одного элемента, который поочередно становится то излучающим, то приемным элементом, а колебания в электрод вводятся перпендикулярно его поверхности через тонкий изоляционный слой.Более целесообразным является применение раздельно-совмещенного электроакустического преобразователя, который состоит из двух элементов- излучающего и приемного и которые могут быть выполнены в одном корпусе. В этом случае высокочастотные колебания вводятся под углом через специальную призму, причем угол наклона дол799024 где т :У отношение акустическихимпендансов первой и 4 Овторой среды,у и р - плотность первой и1 2 второй среды, г/см 3;С иС - скорость ультразвуковых колебаний и колебаний в первой и второйсредах, м/с.Так как по мере коксования физико- механические свойства электродной массы претерпевают изменения, то и коэффициент отражения в зависимости от агрегатного состояния электродной массы отличается.Из опыта эксплуатации самообжигающихся электродов установлено, что в зависимости от состава электродной массы плотность жидкой электродной массы находится в пределах 1,4- 1,6 г/см , а плотность скоксованного электрода - 1,8-2,06 г/см . Соответственно скорости ультразвуковых колебаний в жидкой электродной массе составляет 1700-2200 м/с, а скоксованного электрода - 2500-3000 м/с.Подставив в вышеприведенную формулу значения для первой среды(металл) б 5 жен быть таким, чтобы отражение колебания попали на приемный элемент.Следовательно, электрические высокочастотные колебания поступают на излучающие элементы, где вследствие обратного пьезоэффекта преобразуются в ультразвуковые и вводятся в метал 5 лический кожух электрода. На границе раздела двух сред металлический кожух-электродная масса, часть ультразвуковой энергии отражается, а чг,сть проходит в электрод. Отра О женные ультразвуковые колебания поступают на приемные элементы электро- акустических преобразователей ба,бб, бв, где вследствие прямого пьезоэффекта ультразвуковые колебания пре образуются в электрические.В измерительных каналах 1, И и и происходит измерение амплитуды отраженных колебаний аттенюаторами 7 а, 76, 7 в, усиление полученного сигна- Щ ла усилителями 8 а, 86, 8 в, и затем они поступают в интеграторы 9 а, 96 непосредственно, а в интегратор 9 в через логический элемент 18, о назначении которого будет сказано ниже.25Исходя из этого, что плотность жидкой электродной массы и скоксованного электрода различна, а также отличаются и скорости ультразвуковых колебаний в них, величины амплитуд, отраженных ультразвуковых колебаний, измеренные каждым каналом несколько отличаются.О величине отличия можно судить по величине коэффициента отражения, который определяется из выражения- Р=7,8 г/см , С=6100 м/с, а дляЭвторой среды - средние значения жидкой электродной массы и скоксован. ного электрода, получаем Р =0,74,а В= 0,62, т.е. следовательно амплитуды, измеренные на границе раздела металлический кожух-каждая электродная масса, на 12 больше, чем отраженная амплитуда на границе раздела металлический кожух-скоксованный электрод.После интегрирования сигналы пропорциональные измерейным амплитудам поступают в блоки 11 и 13 спекания. Для того, чтобы эти сигналы поступали одновременно используются блок 10 задержки и блок 12 памяти. Таким образом, выходной сигнал с первого измерительного канала поступает в блок 10 задержки, причем время за; держки определяется временем интегрирования и временем между посылками двух импульсов, т.е, дс= и(инт 2 "инт 1)Одновременно выходной сигнал с второго выхода измерительного канала поступает в блок 12 памяти, где находится до тех пор, пока в него не поступит сигнал с выхода третьего измерительного канала.Сигналы, пропорциональные амплитуде, отраженных колебаний с выхода второго измерительного канала поступают непосредственно в блок 11 спекания, а с выхода третьего измерительного канала - в блок 13 спекания. Оба блока спекания выполнены по схеме делителя, и в них происходит сравнение выходных сигналов второго и третьего канала соответственно с первым, т.е. реализуется уравнение С 2: АтА 1 и Йз= Аз/АСледовательно, чем меньше величина Г, тем больше степень коксования (спекания), На этом определение степени спекания в оптимальном и есколько ниже его сечении заканчивается,Степень спекания в оптимальном сечении регистрируется электронным вольтметром, состоящим из усилителя 14 в, детектора 15 и показывающего прибора 16.Шкала показывающего прибора отградуирована в безразмерных единицах, показывающих степень спекания, за единицу принята величина, пропорциональная амплитуде отраженных колебаний от границы раздела металлический кожух-жидкая электродная масса. При желании с выхода электронного вольтметра полученные величины степени, спекания можно записать на самописце.С выхода блоков 11 и 13 спекания через идентичные усилители 14 а и 146 (возможно и без них, а непосредственно) сигналы, пропорциональные степени спекания в каждом .сечении, посту-40 1,устройство для определениявнутреннего состояния самообжигающегося электрода в течение плавки,содержащее электроакустический преобразователь установленный снаружи 45 кожуха электрода в области зоныспекания, вход которого через генератор высокочастотных импульсовсоединен с задающим. генератором, авыход - через канал усиления, выполненный в виде цепочки из последовательно соединенных аттенюатора, усилителя и интегрирующего элемента,соединен с первым входом блока определения степени спекания электрода,выход которого соединен. со входом 55 блока определения положения эоныспекания, свыходами для подключениясистемы управления электропечнойустановкой, о т л и ч.а ю щ е е с ятем, что, с целью повышения точносщ ти и надежности определения внутреннего состояния электрода, оно снабжено расположенными снаружи кожухаэлектрода на одной вертикальной осис указанным преобразователем двумя у дополнительными электроакустическими пают в блок 17 определения положения зоны спекания.В этом блоке происходит сравнение степени спекания, т.е. АС=С-С= г и определяется скорость спекания,теСК- - )Вгде М - скорость коксования;1 - расстояние между электроакуст скими преобразователями (вторые и третьи).При этом о нормальной скорости коксования судят исходя из того, что оно должно быть ранна С= 0,05 на 100 мм высоты электрода, если не используется усилители, с усилителя- ми С = КЗС 0,05Обычно зона спекания имеет протяженность не более 300 мм, и в ней происходят резкие изменения физико- механических характеристик, Нормальным считается, если начало зоны спекания соответствует С=0,92-0,94, т.е. амплитуды отраженных колебаний от раздела сред в оптимальном сечении должны быть на 6-8 меньше, чем в зоне расположения жидкой электрод ной массы.Исходя из этих соображений и определяется положение зоны коксования, т.е. исходя из скорости коксования и положения электроакустических преобразователей.В зависимости от этого, блок,17 выдает в систему автоматического управления различные сигналы, например, если степень спекания в опти мальном сечении равна 0,95, а скорость спекания между двумя сечениями равна 0,038 на 100 мм, то выдается сигнал на запрет перепуска электрода; если же .С =0,92, а К=0,04 на 100 мм, то выд ется сигнал на разреше ние уменьшенного перепуска, если же б = 0,90, а К = 0,06 на 100 мм, то выдается сигнал на разрешение повышенного перепуска электродов.О надежности работы устройства можно судить по показаниям электрон- ного вольтметра, кроме того с этой целью в третий измерительный канал включен логический элемент 18, выполненный по схеме ИЛИ-НЕ. Это вызвано тем, что не исключены случаи, когда из-за термических перегрузок в элект" роде образуются трещины, и надежного контакта между скоксованным электродом и кожухом нет. В этом случае ультразвуковые колебания отражаются от воздуха, а амплитуда отраженных колебаний резко возрастает, поэтому логический элемент 18 такой сигнал в интегратор не пропускает, чтобы не исказить результат измерения, т.е, если амплитуда отраженных колебаний превышает определенную величину, то на выходе логического элемента 18 нет сигнала. В эт м случае , если в течении опре. ленно го времени нет сигнала на входе интегратора 9 в, то необходимо руководствоваться показаниями электронноговольтметра, либо немноэ изменить положение электроакустического преобразователя.Желательно для повышения надежности определения внутреннего состояния самообжигающегося электрода иметьнесколько пар электроакустическихпреобразователей, расположенных попериметру электрода, которые можнопереключать на электронную частьустройства, тогда можно получитьобъемное представление и расположении зоны спекания, что значительно 15 облегчает эксплуатацию электропечнойустановки.Следует отметить, что устройствоможет быть применено на любых электропечных устанОвках независимо от 20 диаметра электрода, так как излучающий и приемный элементы находятся содной стороны электрода, и работаего основана на различии акустических параметров различных агрегатных 25 зон электрода и позволяет исключить трудозатраты о определениюакустических параметров электродав лабораторных условиях и таким образом повысить точность измерениястепени спекания и положение ее,Устройство позволяет предотвратить обрывы электрода по неспеченной части и существенно повыситькоэффициент использования времениза счет сокращения простоев электропечной установки,и следовательноувеличить выход готового продукта. Формула изобретения12 799024 аказ 10082/77 Тираж 795 Подписно иал ППП "Патент", г.ужгород, ул. Проектная, 4 ф преобразователями, первый из которыхустановлен на уровне жидкой электродной массы, а второй - ниже эоны спекания, входы обоих дополнительныхпреобразователей подключены к указанному высокочастотному генератору,выход первого дополнительного преобразователя соединен со входом первого дополнительного канала усиления,первый выход которого через блокзадержки соединен со вторым входомблс .а степени спекания, выход второго дополнительного преобразователясвязан со входом второго дополнительного канала усиления первый выходкоторого соединен с первым входомдополнительного блока определениястепени спекания, связанного с дополнительным входом блока определенияположения эоны спекания, вторые выходы обоих дополнительных каналов усиления подключены к блоку памяти, аего выход соединен со вторым входомдополнительного блока определениястепени спекания2.устройство по п,1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что электроакустические преобразователи выполнены совмещенными.З.устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что электроакустические преобразователи выполнены раздельно-совмещенными,4.устройство по п,1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что входы всехпреобразователей связаны с генератором высокочастотных импульсов через коммутатор.5. Уройсво по п,1,ч а ю щ е е с я тем, что во второмдополнительном канале усиления усилитель связан с интегрирующим элементом через логический элемент6. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что к выходупервого блока определения степениспекания подключен регистрирующийприбор, например электронный вольт метр. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе.Патент Японии В 48-8659,кл. 67 3 4 1973,3. Патент Японии Р 51-27740,кл, 67 7 4 1976,4.Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 2556005/24-07,кл. Н 01 В 7/09, 1977.