Измерительная система для экспрессного определения химического состава пробы металла

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУГЛИК М 25/32 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ТЕН ВТОРСКО ВИДЕТЕЛ ЬСТВ рги во СССР1978,во СССР1979,(54) ИЗМ ЭКСПРЕС Ч ЕСКОГО (57) Испол основных СИСТЕМА ДЛЯ ЕЛЕНИЯ ХИМИЫ МЕТАЛЛА ессный контроль параметров меРИТЕЛЬНАЯ НОГО ОПРЕД СОСТАВА ПРОБ зование: экспр ехнологических ОПИСАНИЕ ИЗОБР(71) Институт черной мета(56) Авторское свидетельсМ 649965, кл. 0 01 И 1/10Авторское свидетельсИ. 840727, кл. 6 01 й 1/10 Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано для экспрессного 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 определения химсостава пробы металла содержит,Ж 1807364 А 1 талла таких, как химсостав и температура, Сущность изобретения: пробу металла используют как элемент измерительной системы 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 (и + 1) термоэлектродов, в состав каждого из которых введены анализируемые химические элементы, причем п-й термоэлектрод отличается от (и+ 1)-го термоэлектрода отсутствием одного иэ анализируемых элементов, где и - количество анализируемых элементов. 3 ил. чмтермоэлектроды, подключенные к измерительному прибору,аеаЪВ измерительной системе проба (высокотемпературная) металла использованакак элемент измерительной системы и выполнена с изменяющимся поперечным сечением между двумя противоположнымисторонами (фиг. 1), при этом к пробе со сто- Оейроны меньшей площади подключены деатермоааектрода 1 и 2, а со стороны боаьшеиплощади подключены допоанитепьно (и ь )термоэлектродов 5 - 10, т. е. шесть, если треЛбуется определять пять химических элементов; С, Я, Р, Я, Мп. Термоэлектроды 3 и 4 настороне большей площадки являются аналогичными термоэлектродам 1 и 2 и являются, как одна (1 и 2) таки вторая (3 и 4) пара,разомкнутыми термопарами, Дополнительные же термоэлектроды 5 - 10 предназначе1807364 вы для измерения (фиксации) в пробе значений термоЭДС методом "термоэлектродных пар", образуемых термоэлектродами 5 - 10 и 1 шесть таких пар термоэлектродов как показано на фиг. 2(11-я пара термоэлектродов, 5 Ч-я пара термоэлектродов, И 1-я пара термоэлектродов), то есть, каждый из дополнительных (относительно прототипа термоэлектродов 5 - 10 образует термоэлектродную пару с одним (общим по 10 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 тер моэлектродов, например, термоэлектрод чем не отличается от прототипа, Она содер кит цилиндрическую закрытую емкость 11 сдвумя отверстиями 12, выполненными в верхней ее части и предназначенными для заполнения пробницы жидким металлом, и. две, коаксиально установленные в ее поло сти; кварцевые трубки 13 и 14 с зазороммежду ними. Их торцы в полости пробницы жестко соединены (заварены) между собой кольцевой "перемычкой", в которой выполнены сквозные отверстия, в которых разме щены концы термоэлектродов 3-10. Изполости пробницы трубки 13 и 14 выведенычерез ее "крышку" наружу. Верхний конец. кварцевой трубки 13 закрыт пористый огнеупорной пробкой 15, в которой установлены 35 кснцы термоэлектродоц 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 40 хвостовиком пробницы, предназначенногодля закрепления последней на конце бумажного или картонного блока (трубы) 16 (на фиг, 2 последний условно показан штрихПоясним здесь кратко, а более подробно будет показано в описании работы системы, почему количество термоэлектродных пар (термоэлектродов) на одну больше (и+ 1), чем количество анализируемых химических элементов (и) 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 ни 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 в них химэлементов ( ).180/36 10 15 20 25 30 35 40 пунктирной линией), В качестве термоэлектродоо 1, 2, 3 и 4 (как у прототипа) беретсятермопарцая оольфрамрениевая проволока типа ВР 5 и ВР 20 диаметром 0,5 мм. Термоэлектроды 1 и 2 образуют одну "разомкнутую термопару" типа ВР 5/20, расположенную ца конце более холодной части "А" пробы, а термоэлектроды 3 и 4 - вторую такую же термопару, расположенную в 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 изглерительной системы и выполнена с изменяющимся поперечным сочен иег 4 между двумя и ротивополокн ы ми сторонами, при этом к пробе со стороны меньшей площади подключены доа термоэлектрода, а со стороны большей площади подклочецы дополнительно (и + 1) термоэлектродов, причем и термоэлектрод отличается от (п + 1)-го термоэлектрода отсутствием (следы) одного из анализируемыхэлементов, где и - количество анализируемых элементоо.Сравнительный анализ известных измерительных систем с заявляемой це обнарукил у цих сходных признаков, Следовательно, заявляемая система обладает сущестоенными отличиями, В заявляемой системе термоэлектродные пары, образованные из дополнительных термоэлектродоо с химсоставами взятыми по определенному алгоритму (какпример см, таблицу), позволяют (обеспечивают) математическое разделение (решение системы уравнений) величин те р ма Э Д С вносимых каждым определяемым (оычисляемым) о пробе химэлементом в общий результат (в сумму) значений термоЭДС анализируемой высокотемпературной пробы, при этом о заявляемой системе термоэлектроды 1, 2, 3 и 4 являются по химсоставу и свойствам точно такими же как в прототипе, но выполняют здесь только функцию "разо-.мкцутых термопар". Следовательно, совокупность терглоэлектродоо 1 - 10 в заявляемой системе и наличие о том числе дополнительных термоэлектродов 5 - 10 (на помним, о общем число этих термоэлектродоо равно п + 1) с определенным , химсоставом, включающим химэлементы, определяемые в пробе, позооляют о отличие от прототипа эффективно и более точно определять (рассчитывать на ЭВМ) сразу (без предварительного накопления контрольных проб химсоставов жидкого металла (высокотемпературной пробы) путем решения системы уравнений на ЭВМ. Измерительная система работает следующим образом. Пробницу с десятью термоэлектродами (фиг. 2 и 3), если требуется определить содеркание пяти основных химэлемецтов (С, 3, Р, Я, Ми) в стали, погружают в жидкий металл, например. в конвертерную ванну при поглощи полой 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 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 зало- 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 первое значение термоЭДС на термоэлектродах 2 и 4 "разомкнутой термопары". После измерения температуры металла и выдержки в нем (4 - 5 с) пробницы для полного заполнения ее, последнюю начинают 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 глассой, находящейся в придонной части "Б" пробы и тонким концом стержневой ее.части "А", в контакте с которыми находятся термоэлектроды, В процессе охлаждения высокотемпературной пробы металла, при полунощи 2-х "разомкнутых термопар, образованных термоэлектродами, соответственно, 1 и 2, 3 и 4 (фиг, 1 и 2), фиксируют на ЭВМ перепад темпер "турыв пробе, а при помощи дополнительных термоэлектродов 5 - 10 фиксируют также на ЭВМ термоЭДС в пробе при соответствующем ей перепаде температуры, ЭВМ согласно программе, после получения значений термоЭДС от пробы, начнет определять (рассчитывать) содержание хигп 1 ческих элементов в ней, решал систему 55 уравнений. Для составления ее условимся,что определяемые химические элел,ецты в жидком металле (высокотемпературной пробе) обозначать с индексом "х" (икс), а для элементов термоэлектродов индексогл будет номер термоэлектрода, а также, согласно таблице, С 5 = С 7 = С 8 = С 9 = С 1 о, Я 5 = =Яб= Я 8= Я 9= Я 10 и так далее для остальных элементов, тогда систему уравнений можно записатьследующим образом:КС (Сх - С 5) + Кэ (Ях - Я 5) + КР (Рх - Р 5) + ( К 5 (Я 1 х - Я 5) + КМп (МПх МП 5) = Л Ех - 5КС (Сх Сб) + Кэ (Ях Я 5) + КГ (Рх - Р 5) + 1 К 5) (Ях - Я 15) + КМп (М Пх - М П 5) = Л Ех - бКс (Сх С 5) + Кз (Ях - Я 7) + КР (Рх - Р 5) + + К 51 (Я 1 х - Я 15) + К мп (М пх - Мп 5) = Л Ех - 7КС (Сх - С 5) + КБ (Ях Я 5) + КР (Рх - Р 8) + +Кэ) (Я 1 х Я 15) + КМп (МПх - МП 5) = Л Ех - 8КС (С - С 5) + Кэ (Ях - Я 5) + КР (Р - Р 5) + +КЯ) (Я 1 х - Я 19) + КМп (Мпх - МП 5) = Ь Ех - 9,КС (Сх С 5) + КЯ х Я 5) + КР (Рх - Р 5) + +Кэ) (Я 1 х Я 15) + КМп ( Мпх - МП 10) = Ь Ех -10; где КС, Кз, Кр, Кз), КМп - коэффициенты "по- элементные", 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.Д),Коэффициенты определяются путем поочередного вычитания из первого уравнения системы (опорный термоэлектрод) каждого последующего уравнения, то есть, коэффициент при углероде тогда будет равен; КС (Сх С 5) - КС (Сх - Сб) = = ЛЕх- ЛЕх- б, КССх - КСС 5- КССх - КССб = - Кс (С 5+ Сб) = =ЛЕх- ЛЕх-б: Л Ех - б - Л х С 5+ СбАналогична, при остальных элементах их коэффициенты будут равны; ЛЕх - 7 - ЬЕх - 5,Я 5 + Я 7Л Кх - 8 - Ь Ех, Кр -Р 5 + Р 8Л Ех - 9 - Л Ех, цТ% Л Ех - 10 - Л Ех Мпб + Мп 10 После определения "поэлементовых"коэффициентов термоЭДС приступаем крешению системы уравнений, предварительно несколько ее видоизменив и, при5 этом, прямо не включаем в систему первоеуравнение (опорный термоэлектрод); а будем испольэовать его косвенно, как соотносящееся к каждому уравнению системы попараметру термоЭДС. Итак, переписываем10 систему уравнений по- новому, а потом поясним, на основании чего переписали таксистему:КС(Сх С 5)+ Кэ(Ях-Я 5)+15+К 5 (Я 1 х - Я 15)= Л Ех - 5 - Е 5;Записать так систему можно, если применить постулирование физико-химического процесса термоЭДС в контакте подвоздействием встречного электрического35 поля, то есть, после определения "поэлементных" коэффициентов (Кс. К 5, Кр, КэьКмп) на каждый термоэлектрод ( МВ 6-10)подают электродвижущую силу (источникЭ. Д. С. фиг, 2) такой величины, которая40 компенсирует разницу между значениямитермоЭДС каждого термоэлектрода (отличающегося от опорного соответствующим элементом) и опорным, и таким образом,соответствующее от каждого термоэлектро 45 да слагаемое левой части каждого уравнения системы, ввиду "компенсации" егозначения приложенной соответствующейЭДС(Е 1, Е 2, Ез, Е 4, Е 5) "переходит" из левойчасти уравнения в правую в виде соответст 50 вующега слагаемого Е 1, Е 2, Ез, Е 4, Е 5 и, таким образом, получили симметричнуюсистему линейных уравнений, которая легкорешается хорошо известным в математикеспособом. Сложим все уравнения системы55 (предварительно раскрыв скобки и перенеся известные в праву(о часть); чтобы сохранить равносильность, сохраняем и всеисходные уравнения;10 Перепишем первое уравнение системыв виде КССх+ К 55+ КРРх+ К 5 Ях КМПМП =)е СБ + Кп Р Е КБ+Кмл Мп+ КЛ 5) - Е 1Е 2 ЕЕ ПЕ Как и вычте мы. Пол о ка м из негучим Е+4 Кс С 5 дое уравне 4 К 5 55+4 Кр Р КСС +4 К 5 Я Р 4 Кли Мпп - Е 1 - Е 2 - Е ЛП 5)- 4 5 Е 5 - 4 Кп Б/5 Приведем Е 5 З- Е 2 чатель получи сл Е - 5+Х 5+3 Е 1 - Е 2 - Ез Е 5 4 КС алогичныелементам, ниями ана Проведем ае стальным химэ еляться выраже оду, то есть:ЛБ - 5+4 к 5 55 вычисления и ни будут опре огичными угле 0 3 Е 2 - Е- Е 4 - Е 5,3 ЕЭ - Е 1 -- 5+4 Кр Р 5 4 Р+ 3 Е 4 - Е 1+ Е 2 - Е ЛЕ - 5+4 к 5 45 Л Е - 5+ 4 КМП Мп 5 + 3 Е 5 - Е - Е 2 - Е 44 Клиезультаты анализа химсостава отправся в память Э ВМ. На этом заканчиваетикл (первый) расчета, а ЭВМ шивает от ОС данные (значения тер- С) для следующего цикла, который, все последующие, начинается с фиксаерепада температуры в пробе и закантся отправкой в память ЭВМ значений за этого цикла. Такой расчет продоля в течение периода времени, задан-программой (например, до 30-50 с), то по ходу охлаждения высокотемпераЕз -ляются цзапрмоЭДкакиции ичиваеаналжаетногоесть,К 55 КРР е КБ 5+ КММп,- - ЛЕ 5- Е е КБ 55+ КРРБ+К 555 КмпМП 5,КсС++ КР Р и К 515+ КмпмпЛЕ 5. ЕгКССБ+ КРРБ КБ 55ног бы турной пробы ЭВМ расситывает, а затем усредняет все значения по каждому определяемому (рассчитываемому) химэлементу и результат анализа высвечивает на экране дисплея.Для определения химсостава легированных марок стали поступают аналогично, то есть, включают в химсостав дополнительных термоэлектродов легирующие элементы (Сг, М, Т, И, Мо, У, МЬ и т, д,) и ЭВМ решает систему уравнений так же, как и для углеродистых марок стали.Итак, измерительная система для экспрессного определения химсостава пробы (высокотемпературной) металла с дополнительными термоэлектродами, имеющими взаимосвязанный химсостав и число их определяется числом анализируемых элементов в пробе плюс один с опорным по химсоставу термоэлектродом, и в связи с этим, появившаяся возможность математически выделить, при помощи решения системы уравнений, из общей суммы термоЭДС пробы значения термоЭДС, вносимой каждым элементом, и так же ввиду использования возможности ЭВМ оперировать с большим числом быстро изменяющихся значений переменных, позволяет с момента начала кристаллизации высокотемпературной пробы металла, то есть, практически сразу начать определять химсостав (и температуру) жидкого металла непосредственно в металлургическом агрегате по ходу охлаждения пробы, путем математического расчета (оп ределения) химэлементов при помощи решения на ЭВМ системы уравнений. Это, в сравнении с измерительной системой прототипа, позволяет повысить эффективность и точность определения химсостава жидкого металла, так как в прототипе определения химсоста-ва осуществляется путем сравнения значений термоЭДС контрольных проб, химсостав которых должен быть предварительно (заранее) определен и заложен в память ЭВМ, что не может не снижать эффек гивность прототипа.Применение заявляемой измерительной системы, например, в конвертерном производстве стали позволяет повысить производительность агрегата за счет сокращения длительности цикла плавки и сокращение числа плавок с додувками, способствует повышению качества конвертерной стали и автоматизации конвертерной плавки.формула изобретенияИзмерительная система для экспрессо определения химического состава прометалла, содержащая термоэлектроды,1807364 10 ла химсостафподключенные к измерительному прибору, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения эффективности и точности определения, проба металла использована как элемент измерительной системы и выполне на с изменяющимся поперечным сечением между двумя противоположными сторонами, при этом к пробе со стороны меньшей площади подключены два термоэлектрода, а со стороны большей площади - и+ 1 термоэлектродов, в состав каждого из которых введены анализируемые химические элементы, причем и-й термоэлектрод отличается от (и + 1)-го термозлектрода отсутствием одного из анализируемых элементов, где и - количество анализируемых элементов,1 Я 07354 Фа ЗРФеиз Р ставитель А,Раскидкхред М.Моргентал илипенко актор ек Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 аз 1375 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, )К, Раушская наб., 4/5