一种钢水中金属Cr含量的在线测量系统的制作方法

本发明属于高温下液态金属成分的快速检测技术领域，特别提供了一种钢水中金属cr含量的在线测量技术系统，适用于不锈钢冶炼或特种合金冶炼生产过程中快速检测钢水中金属cr含量。

背景技术：

金属cr是决定不锈钢性能的主要元素，钢中添加cr元素后，增强了钢抵抗腐蚀能力。金属cr在钢中使铁基固溶体的电极电位提高，并吸收铁的电子使铁钝化，提高钢的耐腐蚀性能。金属cr含量的多少直接影响不锈钢的性能和不锈钢最终产品质量。目前，不锈钢冶炼生产过程中，尚没有好的办法能够在线快速检测和分析钢水中金属cr含量。如何实现在线测量这一关键技术，是不锈钢冶炼过程技术的需要和保证不锈钢质量的重要任务之一。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种钢水中金属cr含量的在线测量技术系统，用于不锈钢冶炼生产过程中快速检测钢水中金属cr含量。解决了传感器作为关键部件的测量原理和结构设计。通过工业机器人实现了在恶劣环境下钢水中金属cr含量检测，通过计算机数据处理，快速报出检测结果，用于指导不锈钢生产。

本发明包括传感器1、钢室2、热电偶3、检测回路参考电极4、热电回路5、a/d转换电路6、数据处理系统7、机器人8；

热电回路5和热电偶3直接连接a/d转换电路6；a/d转换电路6和数据处理系统7相连接；

传感器1中钢室2和数据处理系统7相连接；热电偶3两电极和cr检测回路参考电极4与a/d转换电路6连接；传感器1安装在机器人8上。

机器人系统是传感器1安装在机器人8上。机器人负责移动传感器检测位置并在恶劣条件下完成钢液中金属cr含量的在线测量任务。当传感器1由机器人8插入液态钢水后，传感器的检测电路接通，此时,传感器中的热电回路9中检测的cr热电势和热电偶3温度热电势开始工作，实现液态钢水中金属cr含量的在线测量工作。

检测过程中，传感器1中检测的cr热电势和热电偶3温度热电势输出到数据处理系统。

所述的热电回路(9)由被测钢水样和参考电极组成。

下面分传感器、测量工业机器人系统和计算机数据处理系统三部分进一步对本发明说明

1、传感器

传感器1由钢样室2、热电偶3及检测回路参考电极4组成。传感器1中钢室2、热电偶3检测回路参考电极4、a/d转换电路6和数据处理系统7相连接。

电路系统由热电回路5、热电偶3、a/d转换电路6和数据处理系统7组成；热电回路5和热电偶3直接连接a/d转换电路6；a/d转换电路6和数据处理系统7相连接。

2、机器人系统是传感器1安装在机器人8上。机器人负责移动传感器检测位置并在恶劣条件下完成钢液中金属cr含量的在线测量任务。当传感器1由机器人8插入液态钢水后，传感器的检测电路接通，此时传感器中的热电回路9中检测的cr热电势和热电偶3温度热电势开始工作，实现液态钢水中金属cr含量的在线测量工作。

检测过程中，传感器1中检测的cr热电势和热电偶3温度热电势输出到数据处理系统。

3、数据处理系统

电路系统线路连接如图1所示，传感器1中钢室2、热电偶3检测回路参考电极4、热电偶两电极和cr检测回路参考电极与a/d转换电路6连接；a/d转换电路6和数据处理系统7相连接。

当机器人8将传感器1插入钢水后，检测电路接通，此时传感器中的传感器1中检测的cr热电势和热电偶3开始工作，实现钢水中金属cr含量和温度的检测。

本发明的优点在于，传感器与先进的机器人技术相结合，实现在恶劣冶炼环境条件下的钢液中金属cr含量检测任务；解决钢液中金属cr含量传感器关键部件的测量原理、材料性能和测量系统结构设计问题。通过计算机和精确的数学模型，实现了钢液中金属cr含量的快速测量。

附图说明

图1为本发明的传感器与电路系统工作原理图。其中，传感器1、钢室2、热电偶3、检测回路参考电极4、热电回路5、a/d转换电路6、数据处理系统7。

图2为传感器中传感器的内部结构设计图。其中，钢室2、热电偶3、检测回路参考电极4。

图3为工业机器人连接使用示意图。机器人8

图4传感器工作原理图。

具体实施方式

本申请专利由传感器、测量工业机器人和计算机数据处理系统组成。

设计的传感器1由热电回路中钢室2、热电偶3检测回路参考电极4。

其中，保护传感器1的材料是由耐高温材料制造。传感器中热电回路9、热电偶3和检测回路参考电极4结构由图2所示。

将组装好的传感器固定在机器人8上，测量电路接通。传感器、机器手和数据处理系统连接如图4所示。

准备工作就绪，机器手按指令要求将传感器迅速移到检测位置，并插向液态钢水中。

检测开始，传感器1的钢室在钢水静压力的作用下获得钢水样，热电回路9中的检测的cr热电势和热电偶3的温度热电势信号分别按照电路输出到a/d转换电路6并传输到计算机数据处理系统7，计算机数据处理系统7对检测数据进行处理并按照数学模型进行运算，输出测量曲线和钢水中金属cr成分的计算值。

本申请专利的关键技术是解决钢水中金属cr含量和温度的在线快速检测。特别是实验室中钢水中金属cr含量的数学模型的建立。

实例：电炉不锈钢冶炼过程中在线测量钢水中金属cr含量。

1gr18ni9tai品种不锈钢

电弧炉冶炼该品种钢主要化学成分如下：

c≤0.15％

ni＝8.0—10.0％

cr＝17.0—19.0％

mn≤2.0％

si≤1.0％

s≤0.15％

p≤0.20％

冶炼过程中，控制钢水中cr，直接影响钢中cr收得率。通过所设计的传感器可以在线操作直接插入检测钢水中cr的含量，操作在1分钟内完成。检测数据直接快速反馈给操作人员，可以及时调整工艺和cr铁的加入量。控制钢水中cr含量在17.0—19.0％

缩短了冶炼时间。相比，而化验室分析是做不到的。结合现代发展的机器手完全在恶劣可以条件下工作。并实现过程管理。

系统工作原理

根据热电原理所设计的钢水中金属cr含量传感器是由被测电极钢样和参考电极组成测量专用热电偶。设计保持热电回路中的温差不变，测得的钢样中金属cr和参考电极组成的热电偶产生的热电动势被认为是组成热电回路的两种导体的特性，其数值决定于被测电极钢样和参考电极的化学组成，如果参考电极固定不变，则热电特性就只决定另一导体被测电极钢样的化学组成。如被测电极钢样中的cr化学成分外，其它成分在一定范围内不变，则热电动势的变化就只与cr化学成分变化有关(在实验室做实验建立数学模型)。

利用热电方法钢水快速测cr原理的物理基础的数学表达式为：

接触电势

温差电势

总的热电势

式中k——玻尔次曼常数，1.36x10-16；

e——电子电荷量，1.602x10-19c；

t——接触点热端的绝对温度，k；

t0——接触点冷端绝对温度，k；

na——金属a的自由电子密度；

nb——金属b的自由电子密度。

图4传感器工作原理图

在不锈钢冶炼中，根据不同的品种，化学成分在一定范围不变的前提下，钢水样作为热电回路中的被测电极和选择的参考电极组成传感器。传感器中的热电回路中的测量热电动势的变化就表征了与钢水中的cr成分变化。根据上述原理由实验室试验建立数学模型。

在一定温差下，[cr％]＝f(e(tcr)∣δt)

[cr％]：钢水中cr的含量；

e(tcr)：钢水样作为被测电极和参考电极产生的热电动势；

δt：表示钢水温度与参考温度形成的温差。

3、测量过程

装好的传感器固定在机器人(8)上，连通测量电路；

机器人按指令将传感器移动到指定测量位置，准备工作就绪；

机器人开始测量，机器手按指令将传感器迅速插入液态钢水中。

检测开始，传感器获得钢水样并取得检测的cr热电势和温度热电势信号测量成功，机器人迅速拔出测枪，结束测量任务，并移位到初始位置。

取得的测量电信号送到a/d转换电路传输到计算机数据处理系统，经计算机数据处理系并按照数学模型进行运算，输出测量曲线和钢水中金属cr成分的计算值。