Устройство контроля температуры металла в конвертере

ф СОЮЗ СОВЕТСНИХф СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ И 9) ООИ РЕСПУБЛИК ) 3(51) С 21 С 5 30 ЪОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(46) 15,10.83, Бюл. Р .38 (72) В.:. Богушевский, 0.Л. Гребенчук, Н.А. Сорокин и В.А. Ясинский (71) Киевский институт автоматики им. ХХУ съезда КПСС(56) 1. Бубенков А.И. и др. Автоматический контроль и регулирование в кислороднофаконвертерных цехах. Киев, Техн 1 ка, 1968, с. 52.2. Патент Японии Р 52-129604, кл. 10 А 533, 1977.3. Авторское свидетельство СССР .,Р 263626, кл. С 21 С 5/30, 1968.(54)(57) 1. УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЬ МЕТАЛЛА В КОНВЕРТЕРЕ, содержащее электрод, измеритель тока,блок питания, вычислительный блок,соединенный с указателем температуры металла, о .т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности контроля, оно .дополнительно содержит электрод,установленный в металле, измерительконтактной разности потенциалов, блокуправления, три блока памяти, причемвходы измерителя контактной разностипотенциалов соединены с электродами, установленными соответственно в.ядре факела и в металле, а выходс входом блока управления, к которому также подсоединены выходы измерителя тока и блока питания, кроме того, выходы блока управления соединены с вычислительным блоком и с измерителем контактной разности потенциалов непосредственно и через измеритель тока, а также соответственночереа первый, второй и третий блокипамяти - с вычислительным блоком,который соединен с входом блокауправления,Устройство по п, 1, ,а т л ич а ю щ е .е с я тем, что вычислительный блок содержит четыре узласуммирования, четыре узла умножения,два узла функционального преобразования, узлы деления, задержки и компенсирующего преобразованич причемвыход первого узла суммирования через первый узел умножения подсоединен к входу второго узла суммирования, вход которого, кроме того, соединен через второй узел умноженияи первый узел функционального преобразования с узлом компенсярующегопреобразования, а выход второго узласуммирования соединен с входом узладеления, к которому, кроме того, ерез второй узел функционального преобразования. и третий узел суммирования подсоединены выходы третьего ичетвертого узлов умножения, выходыузла деления подсоединены к четвер,тому узлу суммирования и узлу компенсирующего преобразования, в своюочередь, одун выход которого черезузел задержки подсоединен к четвертому узлу суьыирования, а другой выход непосредственно соединен с вторым узлом умножения. 3. Устройство по и. 1,. о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок управления содержит узел И, узел НЕ, таймер и реле времени с восемью контактами, причем вход реле времени через таймер и узел И соединен с выходом Узла НЕ, входы второго и четвертого контактов реле времени соединены между собой, входы третвего и пятого контактов реле времени соединены между собой, выходы второго и третьего контактов реле времени соединены между собой, выходы четвертого и пятого контактов реле времени соединены между собой, входы шестого и седьмого контактов реле времени соединены между собой.Изобретение относится к контролютемпературного режима конвертерногопроцесса и может быть использованов мартеновских и электродуговых печах.Известно устройство контроля температуры металла н конвертере, содержащее термопару, установленную вфутеровке агрегата ниже уровня металла, и снабженное защитными наконечниками 1) . 10Известно также ввЕдение термопарыв агрегат при помощи специальноготермозонда 2) .Устройства имеют малый срок службы (3-4 плавки), обусловленный низкой стойкостью защитных наконечниковили же низкую точность вследствиеоттока тепла по наконечнику и футеронке. При использовании термозондаточность контроля снижается вследствие больших градиентов температурыванны во нрЕмя продувки, кроме того,в этом случае невозможно обеспечитьнепрерывный замер.Наиболее близким к изобретениюявляется устройство контроля температуры металла в конвертере, содержащее электрод, установленный в ядрефакела, измеритель тока, блокь.питания, вычислительный блок, соединенный с указателем. Измерение производится н межэлектродном промежуткезонд - земля. Электропроводностьфакела находится (согласно законуОма) по величине электрического тока,текущего через межэлектродный промежуток, и приложенного напряжения 13).Закон Ома для плазмы выполняетсятолько при небольших напряженияхмежду электродами на начальном, прямолинейном участке вольтамперной характеристики,При напряжениях, которые большекритических, ток через плазму не за"висит от величины прикладываемогонапряжения, т.е, выходит на насы 1щение вплоть до напряжения, прикотором происходит пробой в газе изажигается разряд. Таким образом,в прототипе измеряется ток черезплазму на начальном, прямолинейномучастке вольтамперной характеристикимежэлектродного промежутка, те.при напряжениях меньших, чем напряжения, характерные для режима насыщения.55Устройство имеет низкую точность вследствие того, что электропровод- ность факела (величина тока и напряжения на прямолинейном участке вольтамперной характеристики) неоднознач но связана с температурой металла, так как, кроме температуры металла, на электропроводность влияют скорость обезуглероживания и режим шлакообраэонания. 65 Цель изобретения - повышение точности контроля,Поставленная цель достигаетсятем, что устройство контроля температуры металла в конвертере, содержащее электрод, измеритель тока, блокпитания, вычислительный блок, соединенный с указателем температуры металла, дополнительно содержит электрод, установленный в металле, измеритель контактной разности потенциалов, блок управления, три блока памяти, причем входы измерителя контактной разности потенциалон соединеныс электродами, установленными соответственно в ядре факела и в металле, а выход - с входом блока управления, к которому также подсоединенывыходы измерителя тока и блока питания, кроме того, выходы блока управления соединены с вычислительнымблоком и с измерителем контактнойразности потенциалов непосредственно и через измеритель тока, а такжесоответственно через первый, второйи третий блоки памяти - с вычислительным .блоком, который соединен совходом блока управления.Вычислительный блок содержит четыре узла суммирования, четыре узлаумножения, два узла функциональногопреобразования, узлы,целения, задержки и компенсирующего преобразователя, причем выход первого узласуммирования через первый узел умножения подсоединен к входу нторогоузла суммирования, вход которого,кроме того, соединен через второйузел умножения и первый узел функционального преобразования с узломкомпенсирующего преобразования, авыход второго узла суммирования соединен с входом узла деления, к которому, кроме того, через второй узелфункционального преобразования итретий узел суммирования подсоединены выходы третьего и четвертогоузлов умножения, выходы узла деленияподсоединены к четвертому узлу сумсирования и узлу компенсирующегопреобразования, в свою очередь, одинвыход которого через узел задержкиподсоединен к четнертому узлу суммирования, а другой выход непосредственно соединен с вторым узлом умножения,Блок управления содержит узел И,узел НЕ, таймер и реле времени с восемью контактами, причем вход релевремени через таймер и узел И соединен с выходом узла НЕ, входы второго и четвертого контактов релевремени соединены между собой, входытретьего и пятого контактов релевремени соединены между собой, выхо-.ды второго и третьего контактов реле времени соединены между собой,выходы четнертого и пятого контактов)Тэ Ч=Ок Фэ,(4) 3.0 1 э= 2 9 э 3 и,40 45 реле времени соединены между собой, входы шестого и седьмого контактов реле времени соединены между собой.В основе устройства лежит определечие тока термоэлектранной. эмиссии с поверхности расплавленного металла, 5 величина которого связана с температурой металла, и работы выхода электронов. Измеренир.токов проводимости в режиме насыщения между электродом и металлом при, равных положи тельном и отрицательном напряжении на электроде позволяет определить ток термоэмиссии с поверхности металла, а измерение контактной разности потенциалов между электродом и металлом позволяет определить работу выхода электронов с поверхндсти металла во время продувки.Электрический ток в факеле кислородного конвертора обусловлен наличием в нем ионов и электронов, Ввиду более низкой подвижности ионов по сравнению с электронами ток проводимости в режиме насыщения ограничивается ионной составляющей тока из плазмы.25При отрицательном относительно ванны напряжении на электроде ток насыщения 19 равен где- ток насыщения при отрицательном напряжении наэлектроде, А;5 - площадь эмитирующей поверх9ности электрода, опреде-ляемая его геометрией, м, - плотность ионного тока,А/м При положительном напряжении на электроде происходит кажущееся уве.личение ионного тока на величину тока термозмиссии с поверхности ме- талла= 2 Г(6 м+ 9.х) 3 м+ 9 м 3 тэ , ( 2.) где 1 - ток.насыщения при положиХтельном напряжении наэлектроде, .А;- площадь эмитирующей поверхуности металла (определяетмся геометрией конвертера)55- площадь холодной (неэмитирующей) поверхности, электрически контактирующей сэмитирующей поверхностьюметалла (определяется кон-, 60струкцией конвертера иместом расположения электрода), мплотность термоэмиссионноготока, А/м . б 5 Плотность термоэмиссионного токаопределяется температурой металла иработой выхода электронов где (, - ричардсоновская термоэлек- ронная постоянная,А/(м к )Т - температура металла, К;ф - работа выхода электроновс поверхности металла, В.Так как поверхность расплава представляет собой смесь металла и шлака, то величина Чдля.такой поверхности лежит в пределах 3,8-5,3 В, что для характерных температур дает значение термозмиссионного тока10" А.Изменение % за счет колебания химического состава поверхности расплава во время продувки контролируется по изменению контактной разности потенциалов между электродом и ванной,например, по методу Томсона-Зис- мана где- контактная разность потенциалов, В;ф - работа выхода электронов сэповерхности электрода, В.С учетом соотношений (1); - (4) находят температуру металла из следующего выражения:5040 Шк+9 э)(7)111 62 С 1 2. ) 6 1 )Таким образом, использование дополнительно вводимых электрода, установленного в металле, измерителя контактной разности потенциалов,блока управления, трех блоков памяти и связей между ними позволяет производить контроль температуры металла в конвертере с более высокой точностью, так как при этом устраняется составляющая погрешности, вызываемая неоднозначной связью электропроводности факела с температурой металла (кроме температуры металла,на электропроводность влияет скорость обезуглероживания и режим шлакообразования) .На фиг.1 представлена блок-схема устройства; на фиг.2 - внутренняяструктура вычислительного блока; нафиг.З - внутренняя структура блокауправления; на фиг,4 - диаграммапоследовательности срабатывания контактов реле времени (Т ь - продолжи.тельность времени вычисления эначения температуры); на Фиг.5 - примервычисления температуры металла.Устройство контроля температурыметалла в конвертере (фиг.1) содержит электрод 1, установленный в ядре 10факела, электрод 2, установленныйв металле, конвертер 3, измеритель4 контактной разности потенцйалов,блок 5 управления, измеритель б тока, блок 7 питания, измеритель 8 15расхода кислорода, измеритель 9 расстояния сопла фурмы до уровня спокойного металла, Фурма 10, датчик 11расхода кислорода, датчик 12 расстояния сопла Фур до уровня спокойного 20металла, первый блок 13 памяти,второй блок 14 памяти, третий блок15 памяти, вычислительный блок 16,.указатель 17 температуры металла.Электрод 1, выполненный, например, 2,25в виде водоохлаждаемого зонда, установлен в ядре факела, а электрод 2,выполненный, например, в виде ме;таллического штыря, установлен вФутеровке конвертера 3 ниже уровняметалла в зоне износа огнеупорногокирпича. Электроды 1 и 2 соединеныс измерителем 4 контактной разностипотенциалов, выход которого соединен.с блоком 5 управления. Электрод 1соединен также через измеритель б 35тока, блок 5 управления с блоком 7питания, который, кроме того, черезблок 5 управления соединен с электродом 2. Выход измерителя б тока.соединен с блоком 5 управления, к кото Орому, крбме того, подключены измеритель расхода 8 кислорода.и расстояния,9 сопла фурмы 10 до. уровня спокойного металла, соединенные с соответствующими датчиками 11 и 12. Выход бло ка 5 управления соединен с первым13, вторым 14 и третьим 15 блокамипамяти, которые через вычислительныйблок 16 соединены с указателями 17температуры металла.Внутренняя структура вычислительного блока (фиг.2) содержитпервыйузел 18 суммирования, первый узел 19умножения, второй узел 20 суммирования, второй узел 21 умножения, первый узел 22 Функционального преобразования; узел 23 компенсирующегопреобразования, узел 24 деления,второй узел 25 функционального преобразования, третий узел 26 суммирования., третий узел 27 умножения, 6 Очетвертый узел 28 умножения, четвертый узел 29 суммирования, узел 30задержки.Выход первого узла 18 суммирования вычислительного блока через пер.1 65 вый узел 19 умножения подключен квходу второго узла 20 суммирования,который, кроме того, связан черезвторой узел 21 умножения, первыйузел Функционального преобразования22 с узлом 23 компенсирующего преобразования, Выход второго узла 20суммирования связан с входом узла24 деления, к которому, кроме того,через второй узел функциональногопреобразования 25 и третий узел 26суммирования подключены выходытретьего 27 и четвертого 28 узловумножения. Выход узла деления 24подключен к четвертому 29 узлу суммирования и узлу 23 компенсирующегопреобразователя, выход которого, всвою очередь, через узел задержки30 подсоединен к четвертому узлу 29суммирования и непосредственно квторому. узлу 21 умножения,Узлы вычислительного блока могутбыть выполнены, например, на базеблоков КТС ЛИУС.Внутренняя структура блока управления (фиг,З) содержит узел И 31,узел НЕ 32, таймер 33, реле времени34, первый - восьмой контакты релевремени 1 РВ - 8 РВ.Вход узла И 31 блока 5 управлениясвязан с узлом НЕ 32, Выход узлаИ 31 подсоединен через таймер 33 креле 34 времени. Входы второго 2 РВи четвертого 4 РВ контактов реле времени соединены между собой, а входытретьего ЗРВ и пятого 5 РВ контактовтакже соединены между собой. Выходывторого 2 РВ и третьего ЗРВ контактов соединены между собой, выходычетвертого 4 РВ и пятого 5 РВ контактов также соединены между собой.Входы шестого бРВ и седьмого 7 РВконтактов соединены между собой. Устройство работает следующим образом.При опускании фурмы 10 в конвертер 3 и подаче кислорода напряжения от датчиков 11 расхода кислорода и 12 расстояния сопла Фурмы до уровня спокойного металла передается к соответствующим измерителям 8 и 9.При достижении этими параметрами значения, равного 75 номинального, срабатывают позиционные контакты в измерителях 8 и 9, включающие блок 5 управления. Блок 5 управления подключает выход измерителя 4 контактной разности потенциалов, например, электронного потенциометра, к первому блоку 13 памяти, например, вторичному прибору Харьковского завода КИП. Измеритель 4 измеряет контактную разность потенциалов между электродом 1 и поверхностью расплава, обусловленную разностью работ выхода. Таким образом, показания первого блока 13 памяти будут пропорциональ 1047962ны величине к . Далее блок 5 управления отключает измеритель 4 от блока памяти 13 и подключает блок 7питания в цепь электрод 2 - факелэлектрод 1 - измеритель б тока. Блок7 питания вырабатывает пилообразныйимпульс напряжения, При подходеуровня напряжения к максимальному .значению блок 5 .управления подключает выход измерителя 6 тока, например амперметр, к второму блоку 14 10памяти. При этом показания блока 14памяти пропорциональны величине 9Далее блок 5 управления отключает.блок 14 памяти от измерителя 6 тока,производит переключение полярности 15цепи и при подходе уровня напряженияк максимальному блок 5 управления,подключает выход измерителя тока бк третьему блоку 15 памяти. При этомпоказания блока 15 памяти пропорциональны величине )5 . Блок 5 управления подает команду в вычислительныйблок 16 на проведение вычисленийзначения температуры по соотношению(7) . Вычисленное значение передаетсяв указатель 17 температуры металла,выполненный в виде сумматора, преобразующего значение температурыиз абсолютной в градусы Цельсия.Одновременно из вычислительного блока16 в блок 5 управления поступает сиг-нал об окончании измерений. По этому сигналу блок 5 приводит устройство в начальное полокение и цикл измерения повторяется. При окончаниипродувки позиционные контакты в измерителях 8 и 9 размыкаются и блокуправления 5 отключается,Вычислительный блок 16 работаетследующим образом.Напряжение, пропорциональное 40величине 5 , поступает с второгоблока памяти 14 в третий узел умножения 27, где происходит вычислениевеличины с ) , а напряжение, пропордиональное величине 1, поступает 45с третьего блока памяти 15 в четверЪтый узел умножения 28, где происходит вычисление величиныс(15Выходные напряжения узлов 27 и 28 поступают в третий узел суммирования26, выходное напряжение которогопропорционально величине (с 1 , Выходное напряжение с узла 26 йоступает во второй узел 25 функциональ-,ного преобразования, выходное напряжение которого, пропорциональное величине Р(с(1-сЕ)з) , поступаетв узел деления 24. Напряжение, пропорциональное величине О(с , посту-.пает с первого блока памяти 13 впервый узел суммирования 18, в кото- бОрый в качестве задания введена величина Чэ . Выходное напряжение узла18, пРопоРциональное величине(ОФэ)поступает в первый узел умножения19, в котором производится вычисле ние величины 5040 .1+Ц ). Напряжение, пропорциональное произвольному значению температуры металла, поступает от уэлд 23 компенсирующего преобразования в первый узел 22. функционального преобразования, выходное напряжение которого пропорционально величине 2 Оц (Д т), С выхода узла 22 напряжение поступает во второй узел 21 умножения, куда одновременно поступает напряжение с выхода узла 23. Таким образом, на вход второго узла суммирования 20 поступает напряжение, пропорциональное величине 2 Т 0 ц (ЙоТ )ю а с выхода снимается напряжение, пропорциональное числителю выражения (7). Напряжение с выхода узла 20 поступает в узел 24 деления, с выхода которого снимается напряжение, пропорциональное правой части выражения (7) . Полученное напряжение поступает в узел 3 компенсирующего преобразователя, где устанавливае 1 ся новое значение Т, равное значению в правой части выражения (7), Найденное значение Т является корнем уравЙения (7). Одновременно напряжения с узлов 24 и 23 поступают в четвертый узел суммировачия 29, причем напрякение с узла 23 предварительно задерживается в узле 30 задержки. При равенстве этих напряжений с выхода узла 29 снимается напряжение, соответствующее логическому нулю, которое поступает в блок 5 Управления, как сигнал об окончании расчета температуры. Узел 30 задержки позволяет избежать подачи ложных сигналов в блок 5 управления в переходных режимах.Блок управления 5 работает следующим образом.Напряжения от позиционных контактов измерителей 8 и 9, соответствующие .логической единице в течение продувки, поступает в узел И. 31. Туда же поступает инвертированный в узле НЕ 32 сигнал вычислительного блока 16, свидетельствующий об окончании вычисления значения температуры. Узел И 31 срабатывает и включает таймер 33, который запускает реле времени 34. Срабатывает первый контакт 1 РВ реле времени, который подключает выход измерителя 4 контактной разности потенциалов к первому блокУ,13 памяти. Далее контакт 1 РВ размыкается, срабатывают контакты 2 РВ и 5 РВ, подключающие блок 7 питания к цепи электрод 2 - ванна факел - электрод 1 - измеритель тока. По истечении времени, необходимого для достижения током режима насыщения, срабатывает контакт бРВ, подключающий выход измерителя б тока к второму блоку 14 памяти. Далее контакты 2 РВ, 5 РВ и бРВ размыкаются, асрабатывает контакты ЗРВ и 4 РВ, подключающие блок питания электрод 2 ванна - факел - электрод 1 - измеритель 6 тока. По истечении времени, необходимого для достижения током режима насыщения, срабатывает контакт 7 РВ, подключающий выход измерителя 6 тока к третьему блоку 15 памяти, Далее контакты ЗРВ, 4 РВ и 7 РВ размыкаются и срабатывает контакт 8 РВ, включающий вычислительный блок 16 в режим расчета. После окончании расчета узел 31 И отпирается, включая таймер 33, и цикл контроля температуры повторяется.На фиг,5 представлен пример вычисления температуры металла Т х : 1800 К при следующих значениях параметров: О = 0,8 В,в -1,064 А, 1 я =2,721 А, 9=4,1 В, о= 3,8 ф ю 10-м - 40,167 м . Численные значения последовательной 4 кратной итерации, К: 1600,000 - 1813,5221799, 147 - 1800,054. Дальнейшие вычисления проводить нецелесообразио так как искомое значение температуры находится между величинами, отличающимися менее чем на 1 К 1799,996 1800,00 - 1800,000Исследование показывает, что стан дартное отклонение температуры металла от действительной по сравнению с базовым объектом уменьшается на 1,7 ОС, что приводит к снижению себестоимости на 0,07 руб/т стали эа счет повышения производительности конвертера на 1,5% вследствие сокращения промежуточных повалок, повышения стойкости футеровки на 2 и снижения брака на 0,1.1047962 Ьм Составитель А, Абросимоввраменко Техред М.Гергель Корректор А ко акто аказ 7867/ 113 П Патент, г. Ужгород, ул, П фи ая, 4 Тираж 568 НИИПИ Государственног по делам изобретений 5, Москва, Ж, Рауш