基于温度测量的钢水含碳量在线检测

　　0　引言

　　铸钢由于其具有较好的强度和韧性,得到了广泛的应用。碳是钢的主要强化元素,碳的含量对钢的熔点、结晶温度间隔以及收缩率影响最大,故含碳量对于钢的铸造性能、机械性能具有较大影响。炉前快速、准确地测定钢水含碳量是控制铸钢件质量的一个重要手段。在生产过程中,钢水碳含量的在线检测,对保证铸件质量具有重要意义。热分析技术是一种快速、简便的检测合金质量的手段,本文介绍了钢水热分析测试系统数学模型的建立、信号测试系统、硬件和软件的设计等问题,进而实现钢水碳含量的在线检测。

　　1　测试原理和数学模型的建立

　　根据热分析理论,液态金属在冷却过程中发生结晶现象时会有热量的释放,从而导致冷却速度的变化。钢水在冷却到液相线温度时,由于结晶潜热的释放,使冷却速度减小,在冷却曲线上出现特征温度值TL。当钢水中硅、锰、磷等元素含量在一定范围内时,钢水液相线温度TL只受含碳量的影响,即钢水含碳量与液相线温度之间存在相关关系。当液相线温度值为X0,X1,X2,…Xn,相应碳含量为Y0,Y1, Y2,…Yn,碳含量与液相线温度之间关系为C%=a-b×TL,根据最小二乘法有:

　　在大量不同含碳量铸钢实验数据的基础上,通过回归分析得到钢水含碳量与液相线温度TL之间的关系式为

　　式(1)即计算钢水含碳量的数学模型,只要测得钢水TL值,利用此数学模型即可得钢水含碳量。

　　2　系统工作原理

　　本文研制的热分析测试系统如图1所示。其工作过程为:在测试过程中,当液态金属浇入样杯后,热电偶随着试样温度的变化产生相应的热电势,此信号经补偿导线送至测试仪,由测试仪记录凝固过程的温度—时间曲线,通过数据处理,得钢水TL值,根据所建立的数学模型计算,最后得到测试结果并显示。模拟电路部分由热电偶信号的放大、冷端温度补偿,量程变换和断偶报警等部分组成。

　　2.1　放大电路

　　信号的放大是测试电路设计的关键环节,直接关系到测试结果的准确度。在铸造测试过程中,被采集的信号通常是很微弱的,相应地要求放大电路具有高增益、低噪声等特点。由于一般的集成放大电路不能满足此要求,因此选用了仪表放大器作为信号放大器件。图2所示为利用三块运算放大器组成的仪表放大器,在此运用叠加原理对该电路的传递函数进行分析。

　　运算放大器A1和A2为输入电压缓冲器。当一个差分电压加到输入端时,输入电压均降在RG两端,而加到放大器输入端的共模信号在RG呈现相同的电位,由于该电路结构上的对称性,输入放大器的共模信号最终会在输出级的减法器中被消除,从而使放大器具有抑制共模信号的功能,其函数关系式如下: