Устройство для определения содержания углерода в металле

Изобретение относится к области измерительной техники, к разделу контроля состава и свойств металлов.Известно устройство для определения содержания углерода в металле, содержащее кристаллизатор, датчик температуры, вторичный прибор, состоящий из усилителя, функционального преобразователя и узла с кареткой, преобразователь перемещений в код, узел синхронизации,генератор тактовых импульсов, счетчик времени,пороговый и реверсивный счетчик, регистр,функциональный преобразователь, дещифратор,имеющий три выхода и подключенный к выходам порогового и реверсивного счетчика, а также к единичным выходам первого и второго триггера,первый выход дещифратора связан со входом запрета счетчика времени, второй - со входом установки в нуль порогового счетчика, третий - со входом запрета порогового счетчика и с управляющим входом функционального преобразователя, причем выход переполнения счетчика времени соединен с единичным входом второго триггера и через ключ - со вторым входом установки в нуль порогового счетчика и управляющим входом регистра, управляющий вход ключа связан с нулевым выходом второго триггера, нулевой вход которого соединен с выходом переполнения порогового счетчика, а входы первого триггера соединены с выходами преобразователя в код. (А. с. СССР Не 600081, кл. 6 01 М 25/04,1976).Существенное влияние на температуру ликвидуса оказывает содержание фосфора в металле,особенно при его больщом значении.Например, изменение содержания фосфора в металле от 0,015 до 0,27 приводит к изменению температуры ликвидуса на 30 С при одном и том же содержании углерода, следовательно,содержание углерода, определенное при данной температуре ликвидуса, будет существенно отличаться от истинного значения.Таким образом, недостатком известного устройства является низкая точность определения содержания углерода в металле, т.к. не учитывается влияние содержания фосфора на температуру ликвидуса.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для определения содержания углерода в металле,содержащее кристаллизатор с термоэлектрическим преобразователем, блок согласования, измеритель температуры свободных концов термоэлектрического преобразователя, источник опорных напряжений, коммутатор с четырьмя входами и двумя выходами, блок проверки цепи термоэлектрического преобразователя, микропроцессорный блок управления с тремя входами и тремя выходами, блок индикации и клавиатуры и блок цифропечати, при этом выходы кристаллизотора с термоэлектрическим преобразователем, измерителя температуры свободных концов термоэлектрического преобразователя, источника опорныхнапряжений и первый выход микропроцессорного блока управления подключены, соответственно, к первому, второму, третьему и четвертому входам коммутатора, первый выход которого через блок согласующий подключен к первому входу микропроцессорного блока управления, ко второму входу которого подключен второй выход коммутатора через блок проверки цепи выходного датчика, выход блока индикации и клавиатуры подключен к третьему входу микропроцессорного блока управления, второй и третий выходы которого подключены, соответственно, к входам блока индикации и клавиатуры и блока цифропечати.(А. с. СССР Не 1673939, кл. 6 01 М 25/04,1992). Устройство работает следующим образом. В кристаллизаторе проба жидкого металла охлаждается и при достижении температуры ликвидуса начинает кристаллизоваться. По мере остывания пробы металла выполняется процедура записи термограммы в оперативное запоминающее устройство микропроцессорного блока управления. Запись начинается после того, как сигнал с термоэлектрического преобразователя кристаллизатора превысит 1350 С, заканчивается после понижения температуры пробы метала до 1300 С. Далее осуществляется поиск стационарного участка на термограмме, соответствующего температуре ликвидуса. Процедура поиска стационарного участка на термограмме сводится к отысканию наиболее пологого участка заданной длительности. Длительность стационарного участка, соответствующего температуре ликвидуса, составляет Ат 4,6 5,4 сек. (величина Ат определяется опытным путем). Наклон наиболее пологого участка, определяемого как разность значений температур на концах стационарного участка, не должен превыщать А Т 0,2 - 0,5 С (величина АТ определяется опытным путем). Усредненное значение температуры на стационарном участке соответствует температуре ликвидуса. Далее определяется содержание углерода в металле по зависимости СметА Где СметОпределенное в микропроцессорном блоке управления значение содержания углерода в металле выводится для отображения на блок индикации и клавиатуры и регистрируется в блоке цифропечати, и устройство переходит в исходное состояние.В случае отсутствия стационарного участка на термограмме охлаждения пробы металла определение содержания углерода не производится и выдается диагностическое сообщение на блок индикации и клавиатуры, а устройство переходит в исходное состояние.Определение содержания углерода в стали по температуре ликвидуса основано на известной зависимости этой температуры от содержанияуглерода в стали. Путем обработки экспериментальных данных, полученных методом многофакторного регрессионного анализа, получено уравнение для расчета содержания углерода в сталиПри использовании известного устройства также наблюдается низкая точность определения содержания углерода в металле по температуре ликвидуса, обусловленная влиянием на температуру ликвидуса содержания фосфора в анализируемой пробе металла, которое меняется от плавки к плавке.Целью изобретения является повышение точности определения содержания углерода в металле.Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения содержания углерода в металле, содержащее кристаллизатор с термоэлектрическим преобразователем, измеритель температуры свободных концов термоэлектрического преобразователя, источник опорных напряжений, коммутатор, блок проверки наличия цепи входного датчика, блок согласующий, микропроцессорный блок управления с тремя входами и тремя выходами, блок индикации и клавиатуры и блок цифропечати, при этом выходы кристаллизатора с термоэлектрическим преобразователем измерителя температуры свободных концов термоэлектрического преобразователя, источника опорных напряжений и первый выход микропроцессорного блока управления подсоединены, соответственно, к первому, второму, третьему и четвертому входам коммутатора, первый выход которого через блок согласующий подсоединен к первому входу микропроцессорного блока управления, ко второму входу которого подсоединен второй выход коммутатора через блок проверки цепи входного датчика, выход блока индикации и клавиатуры подсоединен к третьему входу микропроцессорного блока управления, второй и третий выходы которого подсоединены, соответственно, к входам блока индикации и клавиатуры и блока цифропечати, согласно изобретению, в него введен блок определения содержания фосфора в металле, выход которого подсоединен к пятому входу коммутатора.Блок определения содержания фосфора в металле содержит блок управления, блок определения температуры металла, блок определения уровня щлака в конвертере, блок определения положения кислородной фурмы, анализатор состава отходящих конвертерных газов, расходомер отходящих конвертерных газов, расходомер кислорода дутья, причем первый выход блока управления соединен с входом блока определения температуры, второй выход блока управления соединен одновременно с входами блока определения уровня щлака в конвертере, блока определения положения кислородной фурмы, анализа 2121тора состава отходящих конвертерных газов, расходомера отходящих конвертерных газов и расходомера кислорода дутья, содержит также блок определения параметров щихтовых материалов и конвертера, блок определения радиуса конической и высоты цилиндрической части конвертера,блок определения количества фосфора в чугуне,приходящегося на единицу объема щлакометаллической эмульсии, блок определения количества извести, приходящегося на единицу объема кислорода, аккумулированного в щлакометаллической эмульсии и сумматор .для определения содержания фосфора в металле, причем второй выход блока управления соединен с входом блока определения параметров щихтовых материалов и конвертера, первый выход которого соединен одновременно с о вторьпи входом блока определения радиуса конической и высоты цилиндрической части конвертера и третьим входом блока определения количества фосфора в чугуне, приходящегося на единицу объема щлакометаллической эмульсии, к четвертому входу которого подсоединен второй выход блока определения параметров щихтовых материалов и конвертера, третий выход последнего соединен с первым входом блока определения количества извести, приходящегося на единицу объема кислорода, аккумулированного в щлакометаллической эмульсии, выход блока определения положения кислородной фурмы соединен с первым входом блока определения радиуса конической и высоты цилиндрической части конвертера, выход блока определения уровня щлака в конвертере соединен одновременно с третьим входом блока определения радиуса конической и высоты цилиндрической части конвертера и пятым входом блока определения количества фосфора в чугуне, приходящегося на единицу объема щлакометаллической эмульсии, к первому, второму и щестому входам последнего подсоединены, соответственно, третий и четвертый выходы блока определения радиуса конической и высоты цилиндрической части конвертера и третий выход блока управления, первый, второй, третий и четвертый выходы анализатора состава отходящих конвертерных газов соединены,соответственно, со вторым, третьим, четвертым и пятым входами блока определения количества извести, приходящегося на единицу объема кислорода, аккумулированного в щлакометаллической эмульсии, к щестому, седьмому и восьмому входам последнего подсоединены, соответственно, выходы расходомера отходящих конвертерных газов, расходомера кислорода дутья и третий выход блока управления, к первому, второму и третьему входам сумматора для определения содержания фосфора в металле подсоединены, соответственно, выходы блока определения температуры металла, блока определения количества фосфора в чугуне, приходящегося на единицу объема щлакометаллической эмульсии и блока определения количества извести, приходящегося на единицу кислорода, аккумулированного вИзобретение иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 изображена блок-схема одного из вариантов предлагаемого изобретения на фиг. 2 - внутренняя структура источника опорных напряжений, коммутатора на фиг. 3 - внутренняя структура блока определения содержания фосфора в металле на фиг. 4 - внутренняя структура микропроцессорного блока управления и цифропечати на фиг. 5 - внутренняя структура блока индикации и клавиатуры и блока проверки наличия цепи входного датчика на фиг.6 - геометрические размеры конвертера.Предлагаемое устройство содержит (см. фиг. 1) кристаллизатор 1 с термоэлектрическим преобразователем, измеритель 2 температуры свободных концов термоэлектрического преобразователя, источник 3 опорных напряжений, блок 4 определения содержания фосфора в металле, коммутатор 5, блок 6 проверки наличия входного датчика, блок 7 согласующий, микропроцессорный блок 8 управления, блок 9 индикации и клавиатуры, блок 10 цифропечати.Кристаллизатор 1 с термоэлектрическим преобразователем 11 может быть представлен,например, в виде серийно выпускаемого однофункционального сменного блока пробниц П-155,разработанного ВНИИАЧМ НПО Черметавтоматика. Измеритель 2 температуры свободных концов термоэлектрического преобразователя может быть представлен, например, в виде серийного преобразователя сопротивления 12 типа ТСМ-6097 с диапазоном измеряемых температур от - 50 до 150 С.Источник 3 опорных напряжений может быть выполнен, например, (см. фиг. 2) на базе операционного усилителя 13 типа КР 14 ОУД 20 А. Резистором 14 задается ток через стабилитрон 15,при котором обеспечивается минимальный температурный коэффициент напряжения. Стабилитрон 15 поддерживает на инверсном входе операционного усилителя 13 напряжение 1 В. Выходное напряжение источника равно01223 - напряжение на резисторе делителя,В.Блок 4 определения содержания фосфора в металле может быть выполнен в виде (см. фиг. 3) блока, содержащего блок 28 управления, блок 29 определения температуры металла, блок 30 определения уровня щлака в конвертере, блок 31 определения положения кислородной фурмы, блок 32 определения параметров щихтовых материалов и конвертера, блок 33 определения радиуса конической и высоты цилиндрической части конвертера, блок 34 определения количества фосфора в чугуне, приходящегося на единицу объема щлакометаллической эмульсии, анализатор 35 состава отходящих конвертерных газов, расходомер 36 отходящих конвертерных газов, расходомер 37кислорода дутья, блок 38 определения количества извести, приходящегося на единицу объема кислорода, аккумулированного в щлакомегаллической эмульсии, сумматор 39 для определения содержания фосфора в металле, первый цифровой процессор 40 для обработки сигналов, второй цифровой процессор 41 для обработки сигналов.Блок 28 управления может быть представлен, например, в виде таймера, который по открытию отсеченного клапана кислорода дутья выдает чередующиеся между собой команды,сдвинутые по времени, например, в пределах 0,11,2 секунды, определяемых экспериментально, третью команду выдает по закрытию отсеченого клапана кислорода дутья.Блок 29 определения температуры металла может быть представлен , например, в виде системы ИВКТ-7610 разработки ОПКБ НПО Черметавтоматика. Система ИВКТ-7610 позволяет определять в цифровом виде температуру металла в ванне конвертера при его повалке по информации от термопары погружения ТПР-2075.Блок 30 определения уровня щлака в конвертере может быть представлен , например, в виде системы СКШ-7604 разработки ОПКБ НПО Черметавтоматика. Система СКШ-7604 позволяет определять уровень щлака в конвертере по ходу продувки.Блок 31 определения положения кислородной фурмы может быть представлен, например, в виде системы цифрового измерения УКПФ-7618 разработки ОПКБ НПО Черметавтоматика. Система УКПФ-7618 позволяет контролировать положение кислородной фурмы по ходу продувки и хранить в регистре значение высоты поднятой фурмы над уровнем спокойного металла при его тарировке перед началом данной плавки.Блок 32 определения параметров щихтовых материалов и конвертера может быть представлен, например, в виде статической системы управления конвертерной плавкой, которая по команде от блока 28 управления выдает информацию о весе фосфора, содержащегося в чугуне,рассчитанного по зависимости Сйф 0,01 -(Р) ч-6 ч,информацию о весе извести , присаженной в ванну конвертера и значение внутреннего радиуса конвертера на данной плавке, рассчитанное по зависимостигде Ко - радиус цилиндрической части конвертера при новой футеровке, мЬ - толщина рабочего слоя футеровки конвертера, мМН - номер плавки от начала компании на данном конвертереКм - величина внутреннего радиуса конвертера на данной плавке, мняя стойкость футеровки конвертера на предыдущих пяти компаниях.Блок 23 определения радиуса конической и высоты цилиндрической части конвертера может быть представлен, например, в виде серийно выпускаемой однокристальной микро-ЭВМ (КМ Т 813 ВЕ 1), представляющей собой новый класс приборов - цифровой процессор обработки аналоговых сигналов (ЦПОС). Однокристальная микро-ЭВМ КМ 1813 ВЕТ представляет собой микросхему, имеющую следующие габаритные размеры 33,5 мм х 15 мм х 5,5 мм. Проблема быстрой обработки последовательности чисел рещена в процессоре КМ 1813 ВЕТ за счет компактной архитектуры и оригинального алгоритма умножения, требующего меньще времени, чем традиционно используемый в микропроцессорах алгоритм сдвига и сложения. Размещенные на кристалле аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, центральный процессор, постоянное запоминающее устройство ПЗУ и оперативно-запоминающее устройство ОЗУ, образуют устройство, способное выполнить больщой объем вычислений между отсчетами. В качестве памяти програм в КМ 1813 ВЕТ используется стираемое ультрафиолетовым излучением репрограмируемую ПЗУ (УФ РПЗУ), содержащее 4608 бит. В рабочем режиме УФ РПЗУ организовано как 192 слова по 24 разряда, каждое из которых соответствует одной команде процессора. ЦПОС КМ 1813 ВЕТ имеет 4 аналоговых входа, 2 входа для приема и передачи цифровой информации (ТТЛ уровня) и 8 аналоговых выходов. Параметры ЦПОС КМ 1813 ВЕТ по быстродействию следующие при тактовой частоте 6.6 МГц (600 некомандный цикл) и количестве команд 192 частота отсчетов составляет 8680 Гц.В блоке 33 определения радиуса конической части и высоты цилиндрической части конвертерана базе ЦПОС КМ 1813 ВЕТ реализованы зависимостигде Кк- радиус конической части конвертера на уровне щлакометаллической эмульсии при приближении его к горловине конвертера (НщлНк - высота конической части конвертера, мНц - высота цилиндрической части конвертера над уровнем спокойного металла, мНщл (т) измеряемая величина высоты слоя щлака в конвертере по ходу продувки, мКМ - величина внутреннего радиуса конвертера на данной плавке, мНшщ - измеряемая высота от уровня спокойного металла до верхнего положения кислородной фурмы (при поднятой фурме), мН - высота от горловины конвертера до верхнего положения кислородной фурмы, м.На первом выходе блока 33 во время плавки получаем сигнал, пропорциональный величине радиуса конической части конвертера КК, а на втором выходе блока 33 получаем сигнал, пропорциональный величине высоты цилиндрической части конвертера над уровнем спокойного металла Нц.БЛОК 34 определения количества фосфора в чугуне, приходящегося на единицу объема щлакометаллической эмульсии, может быть представлен в виде серийно выпускаемой однокристальной микро-ЭВМ КМ 1813 ВЕТ, реализующей зависимостьгде Др - количество фосфора в чугуне, приходящееся на единицу объема щлакометаллической эмульсии, кг/мз к - коэффициент пропорциональности2 то п - количество точек отсчетаАт - интервал времени между отсчетами значений уровня щлака в конвертере, определяемый экспериментальным путем, сек