RU2676845C1

RU2676845C1 - Magnesium level and skull characteristics in the titanium reduction reactor determining method

Info

Publication number: RU2676845C1
Application number: RU2017138896A
Authority: RU
Inventors: Франк Стефани; Нико Краутер; Томас Гундрум; Томас Вондрак; Свен Экерт; Петр Готлобович Фрик; Руслан Ильдусович Халилов
Original assignee: Гельмгольц-Центр Дрезден-Россендорф; Общество с ограниченной ответственностью "Математические модели сплошных сред"
Priority date: 2017-11-08
Filing date: 2017-11-08
Publication date: 2019-01-11

Abstract

FIELD: metallurgy.SUBSTANCE: invention relates to the metallurgy industry. Magnesium level and the skull characteristics in the titanium reduction reactor determining method, based on the EMF measurements in the receiving coil, induced by the electromagnetic field from located around the retort the exciting windings set, contains the steps, on which for the determination currents of different frequencies are used, at that, first, by the electrodynamics equations numerical solving, developing the reference base of the EMF calculated values in the located above the reactor receiving coil, with the molten magnesium different specified levels, different titanium skull given positions and sizes for the supply current given set of frequencies in the range of 1–50 Hz, and then, in the process of titanium reduction, with the same set of current parameters in the excitation coils, measuring the EMF values in the receiving coil, which are compared with the reference ones, and the least standard deviation is determined by the smallest standard deviation method, and the molten magnesium level, the titanium skull position and size are judged by it.EFFECT: increase in the molten metal level determining accuracy and the expansion in the method possibilities.5 cl, 13 dwg

Description

Изобретение относится к способам измерения уровня расплавленного металла и может быть использовано в системах управления технологическими процессами в металлургической промышленности.The invention relates to methods for measuring the level of molten metal and can be used in process control systems in the metallurgical industry.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения уровня магния в реакторе восстановления титана, основанный на измерениях в расположенных вокруг реактора приемных катушках ЭДС, наводимых электромагнитным полем от возбуждающих обмоток, расположенных вокруг реторты (Смотри патент RU №2287782, опубл. 20.11.2006)The closest in technical essence to the proposed method is a method for determining the level of magnesium in a titanium reduction reactor, based on measurements in EMF receiving coils located around the reactor induced by an electromagnetic field from exciting windings located around the retort (See patent RU No. 2287782, publ. 20.11. 2006)

Недостатком его является низкая точность определения уровня металла при образовании в реакторе гарнисажа и невозможность определения характеристик гарнисажа.Its disadvantage is the low accuracy of determining the level of metal during the formation of a skull in the reactor and the inability to determine the characteristics of the skull.

Технической задачей предлагаемого способа является повышение точности определения уровня расплавленного металла и расширение возможностей способа.The technical task of the proposed method is to increase the accuracy of determining the level of molten metal and expand the capabilities of the method.

Для этого предлагается способ определения уровня магния и характеристик гарнисажа в реакторе восстановления титана, основанный на измерениях в расположенной над реактором приемной катушке ЭДС, наводимых электромагнитным полем от набора возбуждающих обмоток, расположенных вокруг реторты, причем сначала путем численного решения уравнений электродинамики создают эталонную базу расчетных значений ЭДС в приемной катушке при разных заданных уровнях расплавленного магния, разных заданных положениях и размерах титанового гарнисажа при заданном наборе частот питающего тока в диапазоне 1-50 Гц, а затем в процессе восстановления титана при этом же наборе параметров тока в катушках возбуждения измеряют значения ЭДС в приемной катушке, которые сравнивают с эталонными и определяют методом наименьшего квадратичного отклонения наиболее близкую эталонную и по ней судят об уровне расплавленного магния, положении и размерах титанового гарнисажа.To this end, a method is proposed for determining the magnesium level and the characteristics of the skull in the titanium reduction reactor, based on measurements in the EMF receiving coil located above the reactor, induced by the electromagnetic field from a set of exciting windings located around the retort, and first, by creating a numerical solution of the equations of electrodynamics, a reference base of calculated values is created EMF in the receiving coil at different preset levels of molten magnesium, different preset positions and sizes of titanium skull at this set of frequencies of the supply current in the range of 1-50 Hz, and then in the process of titanium recovery with the same set of current parameters in the excitation coils, the EMF values in the receiving coil are measured, which are compared with the reference ones and the closest reference one is determined by the least square deviation method judge the level of molten magnesium, the position and size of the titanium skull.

Отличительной особенностью предлагаемого способа является использование токов различной частоты, а также то, что сначала путем численного решения уравнений электродинамики создают эталонную базу расчетных значений ЭДС в приемной катушке при разных заданных уровнях расплавленного магния, разных заданных положениях и размерах титанового гарнисажа при заданном наборе частот питающего тока в диапазоне 1-50 Гц, а затем в процессе восстановления титана при этом же наборе параметров тока в катушках возбуждения измеряют значения ЭДС в приемной катушке, которые сравнивают с эталонными и определяют методом наименьшего квадратичного отклонения наиболее близкую эталонную и по ней судят об уровне расплавленного магния, положении и размерах титанового гарнисажа.A distinctive feature of the proposed method is the use of currents of different frequencies, as well as the fact that first, by numerically solving the equations of electrodynamics, they create a reference base of calculated values of the emf in the receiving coil at different preset levels of molten magnesium, different preset positions and sizes of titanium skull at a given set of frequencies of the supply current in the range of 1-50 Hz, and then in the process of titanium recovery with the same set of current parameters in the excitation coils, the EMF values in the receiver ohm coil, which is compared with the reference and determine by the method of least square deviation the closest reference and it is used to judge the level of molten magnesium, the position and size of the titanium skull.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема установки для восстановления титана, на фиг. 2, 3, 4, 5 диаграммы значений среднеквадратичного отклонения (СКО) параметров (среднее по всем катушкам возбуждения и частотам), на фиг. 6, 7, 8, 9 диаграмма значений среднеквадратичного отклонения при использовании только амплитуды измеряемых и вычисляемых сигналов, на фиг. 10, 11, 12, 13 диаграмма значений среднеквадратичного отклонения при использовании только фазы измеряемых и вычисляемых сигналов.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a diagram of an installation for titanium reduction; FIG. 2, 3, 4, 5 diagrams of values of standard deviation (RMS) of the parameters (average over all excitation coils and frequencies), in FIG. 6, 7, 8, 9, a diagram of the standard deviation values using only the amplitude of the measured and calculated signals, FIG. 10, 11, 12, 13 diagram of the standard deviation values using only the phase of the measured and calculated signals.

Предлагаемый способ определения уровня магния и характеристик гарнисажа в реакторе восстановления титана основан на измерениях в расположенной над реактором 1 (см. фиг. 1) приемной катушке 2 ЭДС, наводимых электромагнитным полем от набора возбуждающих обмоток 3, расположенных вокруг реторты 4. В качестве обмоток возбуждения могут быть использованы обмотки нагревателя печи реактора. Приемные катушки имеют не менее 10000 витков. Сначала путем численного решения уравнений электродинамики (Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Электродинамика сплошных сред. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат.лит.. 1982. 621 с. ) создают эталонную базу расчетных значений ЭДС в приемной катушке 2 при разных заданных уровнях (h) поверхности расплавленного магния 5, разных заданных положениях, размерах титанового гарнисажа (Н, R) и его удельной электропроводности (σ) при заданном наборе частот питающего тока в диапазоне 1-50 Гц. Затем в процессе восстановления титана при этом же наборе параметров тока в катушках возбуждения 3 измеряют значения ЭДС в приемной катушке 2, которые сравнивают с эталонными и определяют методом наименьшего квадратичного отклонения наиболее близкую эталонную и по ней судят об уровне расплавленного магния, положении и размерах титанового гарнисажа.The proposed method for determining the level of magnesium and the characteristics of the skull in the titanium reduction reactor is based on measurements in the EMF receiving coil 2 located above the reactor 1 (see FIG. 1), induced by the electromagnetic field from a set of exciting windings 3 located around the retort 4. As excitation windings The windings of the heater of the reactor furnace may be used. Receiving coils have at least 10,000 turns. First, by numerically solving the equations of electrodynamics (L.D. Landau, E.M. Lifshits, Electrodynamics of continuous media. M .: Nauka. Gl. Ed. Phys.-Math. Lite .. 1982. 621 p.) Create a reference base of calculated EMF values in the receiving coil 2 at different given levels (h) of the surface of the molten magnesium 5, different given positions, sizes of the titanium skull (H, R) and its specific conductivity (σ) for a given set of frequencies of the supply current in the range of 1-50 Hz. Then, in the process of titanium recovery with the same set of current parameters in the excitation coils 3, the EMF values in the receiving coil 2 are measured, which are compared with the reference ones and the closest reference standard is determined by the method of least square deviation and it is used to judge the level of molten magnesium, the position and size of the titanium skull .

Пример.Example.

Работоспособность способа подтверждают результаты выполненного численного моделирования, приведенные на фиг. 2-13. Все расчеты выполнены для системы измерений, в которой в качестве катушек возбуждения использованы только четыре верхние обмотки нагревателей печи, на каждую из которых поочередно подается ток частотой 1 Гц, 10 Гц и 50 Гц. Измерительная катушка 2 имеет 10000 витков..The efficiency of the method is confirmed by the results of the performed numerical simulation, shown in FIG. 2-13. All calculations were performed for a measurement system in which only the four upper windings of the furnace heaters were used as excitation coils, each of which was alternately supplied with a current of 1 Hz, 10 Hz, and 50 Hz. Measuring coil 2 has 10,000 turns.

Вычисления ЭДС выполнены для 51×11×11×11=67881 комбинации искомых параметров, а именно, 51 значения уровня магния (от h=0.5 м до h=1.0 м с шагом 0.01 м), 11 положений гарнисажного кольца Н (от 0.5 м до 1.0 м с шагом 0.05 м), 11 значений радиуса гарнисажного кольца R (от 0 до 0.2 м с шагом 0.02 м) и 11 значений удельной электропроводности гарнисажа σ (от 0 до 2 МС/м с шагом 0.2МС/м). Затем, считая истинной (искомой) комбинацию параметров h=0,75 м, Н=0,75 м, R=0,1m и σ=1 МС/м, рассчитываются среднеквадратичные отклонения (СКО) ЭДС (осреднение проводится по всем катушкам возбуждения и всем частотам) между табличными данными и искомыми. На каждой фиг. 2-13 показаны несколько сотен самых малых СКО (остальные точки лежат выше верхней границы фигуры). СКО приведены в условных единицах, которые соответствуют отклонениям фазы, измеряемым в угловых градусах, и приведенным к ним относительным отклонениям амплитуды. На (фиг. 2, 6, 10), показаны СКО в зависимости от уровня магния, на (фиг. 3, 7, 11) от положения гарнисажа, на (фиг. 4, 8, 12) от его радиуса и на (фиг. 5, 9, 13) от проводимости. На всех графиках большая черная точка показывает искомое значение соответствующего параметра. Как видно, например, на фиг. 2, имеется острый минимум в значениях СКО вблизи искомого значения в 0,75 м. Это значит, что искомое значение может быть ясно выделено при сравнении с табличными значениями. Значительно менее выраженный минимум виден в зависимостях СКО от параметров гарнисажа: положения (фиг. 3), радиуса (фиг. 4) и удельной электропроводности (фиг. 5). Таким образом, предлагаемый способ позволяет оценить характеристики гарнисажа и определить уровень магния.EMF calculations were performed for 51 × 11 × 11 × 11 = 67881 combinations of the required parameters, namely 51 values of magnesium level (from h = 0.5 m to h = 1.0 m in increments of 0.01 m), 11 positions of the skull ring H (from 0.5 m up to 1.0 m in increments of 0.05 m), 11 values of the radius of the skull ring R (from 0 to 0.2 m in increments of 0.02 m) and 11 values of the electrical conductivity of the skull σ (from 0 to 2 MS / m in increments of 0.2MS / m). Then, considering the true (desired) combination of parameters h = 0.75 m, H = 0.75 m, R = 0.1 m and σ = 1 MS / m, the standard deviations of the emf are calculated (averaging is carried out over all excitation coils and all frequencies) between tabular data and those searched. In each FIG. Figures 2-13 show several hundred of the smallest standard deviations (the remaining points lie above the upper boundary of the figure). RMSEs are given in arbitrary units, which correspond to phase deviations measured in angular degrees, and the relative deviations of the amplitude given to them. On (Fig. 2, 6, 10), the standard deviations are shown depending on the level of magnesium, on (Fig. 3, 7, 11) on the position of the skull, on (Fig. 4, 8, 12) on its radius and on (Fig. 5, 9, 13) from conductivity. On all graphs, a large black dot shows the desired value of the corresponding parameter. As can be seen, for example, in FIG. 2, there is an acute minimum in the standard deviation values near the desired value of 0.75 m. This means that the desired value can be clearly distinguished when compared with tabular values. A significantly less pronounced minimum is visible in the dependences of the standard deviation on the parameters of the skull: position (Fig. 3), radius (Fig. 4) and electrical conductivity (Fig. 5). Thus, the proposed method allows to evaluate the characteristics of the skull and determine the level of magnesium.

Результаты, представленные на фиг. 2, 3, 4, 5 получены при вычислениях СКО как для амплитуды ЭДС, так и для ее фазы, фиг. 6, 7, 8, 9 показывает аналогичные результаты, полученные при использовании только амплитуды ЭДС, а фиг. 10, 11, 12, 13 - результаты, полученные при использовании в вычислениях только фазы ЭДС. Видно, что минимумы СКО при использовании одной из характеристик ЭДС становятся менее выраженными, что говорит о снижении точности определения искомых параметров, но также допускают оценку искомых значений.The results presented in FIG. 2, 3, 4, 5 were obtained in the calculation of the standard deviation for both the EMF amplitude and its phase, FIG. 6, 7, 8, 9 shows similar results obtained using only the EMF amplitude, and FIG. 10, 11, 12, 13 — results obtained when using only the EMF phase in the calculations. It can be seen that the minimum deviations of the standard deviation when using one of the EMF characteristics become less pronounced, which indicates a decrease in the accuracy of determining the desired parameters, but also allow an estimate of the desired values.

Claims

1. A method for determining the level of magnesium and the characteristics of the skull in the titanium reduction reactor, based on measurements in the EMF receiving coil induced by the electromagnetic field from a set of exciting windings located around the retort, characterized in that currents of different frequencies are used to determine, first by numerical solutions of electrodynamic equations create a reference base of calculated EMF values in the receiving coil located above the reactor at different given levels of molten magnesium, different the given positions and sizes of the titanium skull at a given set of frequencies of the supply current in the range of 1-50 Hz, and then in the process of titanium recovery with the same set of current parameters in the excitation coils, the EMF values in the receiving coil are measured, which are compared with the reference ones, and determined by the least quadratic deviation is the closest reference and it is used to judge the level of molten magnesium, the position and size of the titanium skull.

2. The method according to p. 1, characterized in that as the excitation coils are used windings of the heater of the reactor furnace.

3. The method according to p. 1, characterized in that only the amplitudes of the measured and calculated signals are used to determine the level.

4. The method according to p. 1, characterized in that only the phases of the measured and calculated signals are used to determine the level.

5. The method according to p. 1, characterized in that to determine the level are used simultaneously the amplitudes and phases of the measured and calculated signals.