Измерительная система для экспрессного определения химического состава пробы металла

 

Использование: экспрессный контроль основных технологических параметров ме2 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 (п + 1) термоэлектродов , в состав каждого из которых введены анализируемые химические элементы, причем n-й термоэлектрод отличается от (п + 1)-го термоэлектрода отсутствием одного из анализируемых элементов, где п гколичество анализируемых элементов. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я)5 6 01 N 25/32

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ь и О

Ф ь к ° ч,н (21) 4835455/25 (22) 06.06.90 (46) 07.04.93; Бюл. N 13 (71) Институт черной металлургии (72) А.Е.Раскидкин (56) Авторское свидетельство СССР

N 649965, кл. G 01 N 1/10, 1978, Авторское свидетельство СССР

¹ 884400772277, кл. G 01 N 1/10, 1979. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ

ЭКСПРЕССНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПРОБЫ МЕТАЛЛА (57) Использование: экспрессный контроль основных технологических параметров меИзобретение 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 т

„„5U„„1807364 А1 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 n — количество анализируемых элементов. 3 ил. термоэлектроды, подключенные к измерительному прибору, юЪ

В измерительной системе проба (высо- 00 котемпературная) металла использована как элемент измерительной системы и выполнена с изменяющимся поперечным сечением между двумя противоположными 4 сторонами (фиг. 1), при этом к пробе со сто- 0" роны меньшей площади подключены деа термоааектрода 1 и 2, а со стороны боаьшеи площади подключены допек нитепьно (и + 1) термоэлектродов 5 — 10, т. е. шесть, если трекЛ буется определять пять химических элементов; С, S, P, Я, Мп. Термоэлектроды 3 и 4 на стороне большей площадки являются аналогичными термоэлектродам 1 и 2 и являются, как одна (1 и 2) так и вторая (3 и 4) пара, разомкнутыми термопарами. Дополнительные же термоэлектроды 5 — 10 предназначе1807364

I 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 (I I I-я пара термоэлектродов, 5

IV-я пара термоэлектродов, ... Vill-я пара термоэлектродов), то есть, каждый из дополнительных (относительно прототипа термоэлектродов 5 — 10 образует термоэлектродную пару с одним (общим по 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 термоэлектродов, например, термоэлектрод чем не отличается от прототипа. Она содер20 >кит цилиндрическую закрытую емкость 11 с двумя отверстиями 12, выполненными в верхней ее части и предназначенными для заполнения пробницы жидким металлом, и . две, коаксиально установленные в ее поло25 сти; кварцевые трубки 13 и 14 с зазором между ними. Их торцы в полости пробницы жестко соединены (заварены) между собой кольцевой "перемычкой", в которой выполнены сквозные отверстия, в которых разме30 щены концы термоэлектродов 3-10. Из полости пробницы трубки 13 и 14 выведены через ее "крышку" наружу. Верхний конец, кварцевой трубки 13 закрыт пористый огнеупорной пробкой 15, в которой установлены

35 кснцы термоэлектродоц1 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, предназначенного для 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 (n+ 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 ни5 является общим (опорным) по химсоставу, а каждый из остальных термоэлектродов 610 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 ().

100У36 !

40 пунктирной линией), В качестве термоэлектродов 1, 2, 3 и 4 (как у прототипа) берется термопарная оольфрамрениевая проволока типа ВР5 и ВР20 диаметром 0,5 мм. Термоэлектроды 1 и 2 образуют одну "разомкнутую термопару" типа ВР5/20, расположенную 1гэ 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) беретс"; 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 измерительной системы и выполнена с изменяющимся поперечным сечением между двумя противопола>кными сторонами, при этом к пробе са стороны меньшей площади подключены доа термоэлектрода, а со стороны большей площади падкл1очены дополнительно (п + 1) термоэлектродов, причем и термоэлектрод отличается от (и + 1)-го термоэлектрода отсутствием (следы) одного из анализируемых элементов, где n — количество анализи-!

:5уемых элементов.

Сравнительный а!1ализ известных измерительных систем с заявляемой !1е обнару>кил у них сходных признаков, Следовательно, заявляемая система обладает существенными отличиями, В зэявляеМоА системе термоэлектродные пары, образованные из дополнительных термоэлектродов с химсоставами взятыми по определенному алгоритму (как пример см, таблицу), позволяют (обеспечивают) математическое разделение (решение системы уравнений) величин те р ма Э Д С вносимых к ждым определяемым (оычисляемым) о пробе химэлеме;1том в общий результат (u 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 выполняIQT здесь только фу1lêöèþ "разо-. мкнутых термопар". Следовательно, совокупность термоэлектродов 1 — 10 в заявляемой системе и наличие о том числе дополнительных термоэлектродов 5 — 10 (на помним, о общем число этих термоэлектродао равно и + 1) с определенным, xvIMcocTBBoM, включа1ощим химэлементы, определяемые в пробе, позооляют в 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 садер>кание пяти основных химэлементов (С, S, Р, Si, Mn) в стали, погружают в жидкий металл, например. в конвертерную ванну при помощи полой штанги (зондэ), 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 инфармацию (величину термоЭДС) в ОС, которая ва взаимодействии с ЭВМ, по заложанной в последню1а 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, кристаллизуетС51 и OcTI,IBBQT с перепадом температуры мем<ду ее основной массой, находящейся в приданной части "Б" пробы и тонким концом стержневой ее.части "А", в контакте с которыми находятся термаэлектрады. В процессе охлаждения высокотемпературной пробы металла, при пол1ощи 2-х "разомкнутых термопар, образованных термаэлектродами, соответственно, 1 и 2, 3 и 4 (фиг. 1 и 2), фиксируют íà ЭВМ перепад температуры в пробе, а при помощи дополнительных термоэлектродов 5 — 10 фиксируют также на ЭВМ термаЭДС в пробе при соответствующем ей перепаде температуры, ЭВМ согласно программе, поспе получения значений термоЭДС ат пробы, начнет определять (рассчитывать) содержание хим; ческих элементов в ней, решая систему

55 уравнений. Для составления ее условимся, что определяемые химические элел.енты в жидком металле (высокотемпературной пробе) обозначать с индексом "х" (икс), э для элементов термоэлектродов индексом бу1807364 дет номер термоэлектрода, а также, согласно таблице, С = C7 = С8 =- С9 = С10, Я5 =

=-Яб =- S8 = S9 = S10 и так далее для остальных элементов, тогда систему уравнений можно записать следующим образом:

Kc (Cx — С5) + Ks (Sx Я5) + KP (Рх - Р5) +

"К5) (Six - Sis) + КМп (Mnx МП5) = Л Ex - 5

КС(Сх Сб)+ KS(Ях Я5)+ КГ (Рх Р5)+

KSi (Six SI5) + KMn (Mnx МП5) = Л Ex - 6

Kc (Cx C5) + Ks (Sx S7) + KP (Px Р5) +

+KSi (Six Si5)+ K Мп (Мпх Mns) = h, Ех -7, КС (Сх С5) + KS (Ях S5) + КР (Рх Р8) +

+KS (Six Si5) + Кмп (Mn Mn5) = ЛЕх - 8

Кс {Сх - С5) + Ks (Sx — S5) + KP (Рх - Р5) +

+KSi (Six - SI9)+ КМп (Мпх - Мп5) = Л Ех -9, Kc (Cx C5) + Ks (Sx Я5) + KP (Px - Р5) +

+KSi (Six Sl5)+ KMn (Mnx МП10) = Л Ех -10; где Кс, Ks, KP KSi KMn — коэффициенты "поэлементные", 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 0,001.7;), Коэффициенты определяются путем поочередного вычитания из первого уравнения системы (опорный термоэлектрод) каждого последующего уравнения, то есть, коэффициент при углероде тогда будет равен;

Кс (Сх - С5) — Kc (Сх - Сб) =

=ЛЕх-5 ЛЕх-б

КССх — КСС5 - КССх КСС6 = — Kc (С5+ Сб) =

-AEx-5- ЛЕх-6:

Л E„— 6 — Л E„-5

С5+ Сб

Аналогично, при остальных элементах их коэффициенты будут равны:

Л E.-7- Л Е.-5.

Кз

S5 + Я7

ЛКх — 8 — ЛЕх 5

Кр—

Р5 + Р8

ЛEõ — 9 — ЛE -5 — » — »-л—

ЛЕх — 10 ЛEõ 5

МП5+ МП10

После определения "поэлементовых" коэффициентов термоЭДС приступаем к решению системы уравнений, предварительно несколько ее видоизменив и, при

5 этом, прямо не включаем в систему первое уравнение (опорный термоэлектрод); а будем испольэовать его косвенно, как соотносящееся к каждому уравнению системы по параметру термоЭДС. Итак, переписываем

10 систему уравнений по- новому, а потом поясним, на основании чего переписали так систему:

KC (Cx С5)+ KS (Sx S5) +

+KP (Px - P5) + KSi (SIx - SI5) +

+ KMn (Mnx Mn5) = Л Ex - 5:

Ks (Sx Я5) + Kp (Px P5) +

+KSi (Six Si5) + KMn (Mnx Mn5) =

= ЛEx-5- Е1:

Кс(Сх С5)»е ". + Kp (Рх Р5)+

+ KSi (Six - Я(5) 4 КМп (Мпх - М П5) =

= ЛЕх-5- Е2;

Кс(CK С5)+ Ks (Sx S5)+ ... +

4 KSi (Six SI5) КМп (Мпх - МП5) =

= ЛЕх-г- Ез:

Кс (Cx - С5) + Ks (Sx S5) +

+KP (Px Р5) + ... + KMn (Mnx — Mn5) =

= ЛЕх -5 Е4

Кс(Сх С5)+ Ks(Ях-Я5)4 КР() х- Р5)+

+Ksi (Я(х SI5) " = h, Ex - 5 Е5

Записать так систему можно, если применить постулирование физико-химического процесса термоЭДС в контакте под воздействием встречного электрического

35 поля, то есть, после определения "поэлементных" коэффициентов (Kc, Ks, Кр, Ksl, KMn) на кажДый теРмоэлектРод (N ¹ 6-10) подают электродвижущую силу (источник

Э. Д. С. фиг, 2) такой величины, которая

40 компенсирует разницу между значениями термоЭДС каждого термоэлектрода (отличающегося от опорного соответствующим элементом) и опорным, и таким образом, соответствующее от каждого термоэлектро45 да слагаемое левой части каждого уравнения системы, ввиду "компенсации" его значения приложенной соответствующей

ЭДС (Е1, Е2, Ез, Е4, Е5) "переходит" из левой части уравнения в правую в виде соответст50 вующего слагаемого Е1, Е2, Ез, Е4, Е5 и, таким образом, получили симметричную систему линейных уравнений, которая легко решается хорошо известным в математике способом. Сложим все уравнения системы

55 (предварительно раскрыв скобки и перенеся известные в праву)о часть); чтобы сохранить равносильность, сохраняем и все исходные уравнения; (5 - 1) (KcC» + KsS» + КрР» + KslSI» +

+KI»lnMn») 5 »E» -»»+ (5- 1) (KcCg+ Кь5ь+

+КрРь+ KsISI»+ KM»MIIs)-(EI + Е2+ Еэ+

Е4+ Е5), 1807364

5 — !

5 —.1

20 химсоставу термоэлектродом, и в связи с

4» Рь — 4»,sl — av, м ь — е — E> — еь — E — еь 3Q

4КС

Приведем подобные и окончательно получим

Л Ex — 5+ 4 КС CS + 3 E I — Ег — Ез — Е4 — Е с»=

: 35

4КС

Проведем аналогичные вычисления по остальным химэлементам, они будут определятьсл выражениями аналогичными углероду, то есть:

Л E» — 5+ 4 Ks Ss + 3 Ez — Е1 — Е3 — E4 — Е5

45

KSSr 4 КРР» 4 KS,SI, + КМММпь- ЛЕ,. 5- El е KsSS+ КРР5+

KS>Sl5 е KM»MnS, KcC»+ ... + Кр Р + Ks>slь+ Кмп Anr

ЛЕ» - S - EZ» KCC5 + КРР5 м К5Б!5

+КМпМП5. Ксс»+К53»+ + Ks>sfx+ Кл>РМпь- hEx 5 - Ез 4 KcCs + Ksss + Ks>SIS +

+КмпМп5.

КсС, + Kssr + КРР» + ... + Км»Мп»-ЛЕ» . 5 - FS + КсС5+ KsSs + КРР5+

+Км»Мп5, KCCx+ К53»+ Каpr+ М» ... hEx-5 Е5+

+КсС5+ Ksss+ КРР5+ Ks>SIS.

Перепишем первое уравнение системы в виде

KcCx+ KsSx+ KPPõ+ KslS> КМПМ 3» = Е,СЕ+ЕЕРЕ.Ь

Kg st»+ KM, мьь+ к, s>I E> + E> + E> +Ea + E>1 и вычтем из него каждое уравнение системы. Получим

5 Л Ех+ 4 КС С5 + 4 KS Ss + 4 Кр Р5 +

Ксс» - 4

+ 4 К5 Sls + 4 Кмп Mns — EI — Ег — Е3 Е4 Е5

К 3 +К Я>г>+КРР5+ Мпм 5>ь, (5ЛЕ» — 5+4 Кс Cs+4 KsS5 -I 4 Кр Р5+ с,- е Кс

+4 Ksl Sls + 4 Кмп M ns — 4 Л Ex — 5+ 4 E I — 4 :s Ss— пг, Л Ех — 5+ 4 Кр Р5 + 3 Е3 — Е1 — Ег — E4 — Fs

4 р.-1

Л Ех — 5+ 4 KSI Sls + 3 Е4 — EI + Ег — ЕЗ вЂ” Es

Slx

Л Ex — 5+ 4 КМП Mns + 3 Е5 — Е1 — Ег — F3 — Е4

Мпх KMn

Результаты анализа химсостава отправляются в память Э ВМ. На этом заканчивается цикл (первый) расчета, а ЭВМ запрашивает от ОС данные (значения термоЭДС) для следующего цикла, который, как и все последующие, начинается с фиксации перепада температуры в пробе и заканчивается отправкой в память ЭВМ значений анализа этого цикла. Такой расчет продолжается в течение периода времени, задан- ного программой (например, до 30-50 с), то есть, по ходу охлаждения высокотемпературной пробы ЭВМ рассчитывает, 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 (Cr, Ni, Ti, W, Mo, Y, Nb 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 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 изобретения

Измерительная система для экспрессного определения химического состава пробы металла, содержащая термоэлектроды, 1807364

10 йфИ по химсостаф I подключенные к измерительному прибору, о т л и «ю щ а я с я тем, что, с целью повышения эффективности и точности определения, проба металла использована как элемент измерительной системы и выполне- 5 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)-ro термозлектрода отсутствием одного из анализируемых элементов, где rl — количество анализируемых элементов, 1807364

Составитель А.Раскидкин

Техред М.Моргентал Корректор Л.Пилипенко

Редактор

Заказ 1375 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, )К-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101