ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ШИХТЫ ДЛЯ КОКСОВАНИЯ

А. М. Онищенко (ИГД) и В. П. Белоножко (завод «Красный металлист») Кокс и химия №2 1983 г. с. 44-46.

Основными показателями качества шихты для коксования, как известно, являются ее зольность, насыпная плотность, влажность и сернистость. Существующие конструкции золомеров и влагомеров позволяют определять зольность и влажность шихты в потоке в любой момент времени непосредственно на ленте конвейера или усреднять измеряемые значения этих параметров на заданное время. Однако при непостоянной производительности конвейера эти значения могут заметно отличаться от истинных средневзвешенных значений. Кроме того, остается неучтенным количество прошедшей по конвейеру шихты; не измеряется ее плотность.

Основываясь на экспериментальных исследованиях, авторы предлагают одновременное измерение зольности, плотности и количества прошедшей по конвейеру шихты независимо от изменений его производительности с помощью специального прибора. На функциональной схеме (рис. 1) для лучшего изображения конструкции прибора источник, детектор и конвейер показаны в разрезе по продольной оси конвейера.

С помощью конвейерной ленты 1,опирающейся на ролихоопоры 2,шихта поступает в зону измерения (направление движения шихты показано сплошной линией с двойной стрелкой). Для повышения точности измерения зольности и плотности и одновременного фиксирования толщины слоя шихты поверхность ее разравнивают и сглаживают с помощью полурессоры 3,изготовленной из упругого листового материала (например, из кусков конвейерной ленты). Толстый ее конец неподвижно закреплен над лентой, тонкий — свободно свисает и при движении ленты сглаживает и разравнивает шихту. Дополнительно она прижимается к потоку с помощью подпружинного стержня 4с пятой 5, который может перемещаться в вертикальном направлении возвратно-поступательно в направляющей. Вертикальные перемещения воспринимаются дифференциально-трансформаторным датчиком 6 типа ДПК-01. При работе конвейера толщина слоя шихты на ленте может меняться. Это приведет к соответствующим перемещениям стержня, которые вызовут изменения взаимоиндуктивности обмоток датчика. Его питание осуществляется от генератора 7 частотой 20 кГц. Таким образом, напряжение на выходе датчика будет однозначно определяться толщиной слоя шихты на ленте конвейера. Сглаженный и уплотненный слой шихты поступает далее в зону измерения.

Под лентой конвейера на расстоянии h = 5 – 10 см в контейнере-коллиматоре из свинца 8 установлен источник 9 гамма-излучения ²⁴¹Am (энергия гамма-излучения 60 кэВ, период полураспада 458 лет). От него пирамидальный пучок гамма-квантов (с углом при вершине β вдоль оси конвейера b углом при вершине 1₂ поперек) через ленту попадает на слой шихты. Над лентой конвейера по оси пучка гамма-квантов на расстоянии l, превышающем максимальную толщину слоя шихты d_max на 7 — 10 см, установлен детектор, состоящий из сцинтилляционного кристалла NaJ (Т1) 10 размером 40x40 мм, сочлененного с фотоумножителем типа ФЭУ-93, и предусилителя-формирователя импульсов с фотоумножителя. (Фотоумножитель и предусилитель находятся за кристаллом и на рисунке не показаны.)

Детектор расположен в горизонтальной плоскости перпендикулярно потоку шихты так, что центр кристалла лежит на оси пучка гамма-квантов. Кристалл размещен в цилиндре 11. (Дно цилиндра со стороны наблюдателя на рисунке закрыто свинцом, а со стороны фотоумножителя он открыт и заходит на фотоумножитель на расстояние ~20 мм.) В цилиндре имеются две диаметрально противоположные лопасти из свинца 12 с центральным углом а, выбранным из условия

, (1)

где r – радиус кристалла;

R – наружный радиус цилиндра.

При выполнении условия (1) размер лопастей минимален, когда еще прямые гамма-кванты от источника не попадают на кристалл (в положении цилиндра, показанном на рис. 1), а количество рассеянных вперед гамма-квантов, которые попадают на кристалл, максимально. Детектор закреплен неподвижно, цилиндр может вращаться вокруг кристалла от маломощного шагового электродвигателя 13, управляемого импульсами от коммутатора 14. Вход последнего соединен с выходом предусилителя фотоумножителя, а выходы — с входами интеграторов 15 и 16.

Под лентой конвейера на подпружиненном шарнирном кронштейне расположен обрезиненный ролик. На его оси закреплен тахогенератор 17, выход которого соединен с входом вычислительного блока 18; к другим входам последнего подключены выходы интеграторов 15 и 16 и выход датчика 6. Сигналы вычислительного блока поступают на индикатор 19.

Каждый цикл измерения состоит из нескольких тактов.

В основе работы прибора лежит зависимость плотности, потока попадающих на сцинтиляционный кристалл гамма-квантов от свойств и толщины слоя шихты при разных положениях лопастей цилиндра относительно этого потока. Если цилиндр установлен в показанном на рис. 1 положении, то нижняя свинцовая лопасть практически полностью поглощает прямой поток гамма-квантов от источника к кристаллу (для этого ее толщина должна быть не менее 2 мм). Причем на кристалл попадают лишь рассеянные в шихте в направлении вперед гамма-кванты.

Экспериментальная зависимость скорости счета импульсов I с детектора при h=7 и l=35 см носит своеобразный характер (рис. 2): при увеличении толщины слоя от 5 до 7,15 см сигнал I растет, а при дальнейшем возрастании d–падает. Максимум наблюдается при =1 (здесь — массовый коэффициент ослабления гамма-квантов шихтой, см²/г). Кривая хорошо аппроксимируется выражением:

(2)

где К — фактор, зависящий от геометрии измерений и активности источника излучения.

Она получена при =100°;=67°; R=24 мм (толщина лопасти 3 мм, зазор между кристаллом и внутренним диаметром цилиндра 1 мм); =107°22. Это соотношение геометрических параметров взято из условия (1), которое в свою очередь обеспечивает минимальную статистическую погрешность при любом заданном времени одного цикла измерения Т.

Рис. 1. Структурная схема прибора для измерения показателей, качества шихты на ленте конвейера

Рис. 2. Зависимости интенсивности рассеянного вперёд I и прошедшего I₂ гамма-излучения то толщины слоя шихты

Для получения зависимости использовали шихту для коксования Днепродзержинского коксохимического завода класса <15 мм насыпной плотностью 0,7 г/см³ и зольностью 7,5 %. При d=20 см чувствительности к плотности и толщине равны между собой и составляют 1,8 % уменьшения сигнала на 1 % увеличения плотности или толщины слоя.

В этом положении цилиндра зависимость сигнала I от зольности (рис. 3) имеет вид выпуклой, вниз убывающей кривой. Чувствительность сигнала к зольности при =0,7 г/см³, d = 20 см и А^d=10 % составляет 1,95 % уменьшения сигнала на 1 % увеличения зольности.

После того как на вход шагового электродвигателя из коммутатора поступает пачка из 6 импульсов, двигатель поворачивается и поворачивает цилиндр на 90°, – открывается путь прямому потоку гамма-квантов от источника к кристаллу; путь рассеянных вперед гамма-квантов преграждают свинцовые лопасти, которые теперь устанавливаются друг против друга в горизонтальном направлении вокруг кристалла. Экспериментальная зависимость скорости счета импульсов с детектора I₁в этом положении цилиндра близка к экспоненциальной и хорошо аппроксимируется уравнением

(3)

где К₁ — геометрический фактор. При описании геометрии измерений, когда d = 20 см, чувствительности к плотности и толщине S_dравны 2,9 % уменьшения сигнала на 1 % увеличения р или d.

После монтажа прибора на конвейере перед запуском его градуируют. Градуировка состоит в установлении однозначного соответствия: напряжения U_tна выходе датчика 6 (см. рис. 1) от толщины d сигнала U₂на выходе тахогенератора 17 и сигналов I и 1_Х на выходе детектора от толщины а_иплотности р и зольности шихты A^d.

После включения прибора из коммутатора в двигатель поступает определенное количество импульсов, под действием которых цилиндр устанавливается в показанное на рисунке положение. По истечении небольшого промежутка времени, необходимого для окончательной установки цилиндра в нужное положение (0.05 с), коммутатор выдает управляющий сигнал на запуск в работу вычислительного блока и соединяет выход детектора с входом интегратора 15. Начинается первый такт измерения длительностью t₁. За это время интегратор с постоянной времени накапливает сигнал I, вычислительный блок производит интегрирование сигналов

(4)

(5)

Чтобы подавить флуктуации сигнала на выходе детектора, постоянную времени интегратора выбирают равной = 5 с. a t₁ –100 с. По истечении первого такта измерения коммутатор выдает управляющий сигнал на временную остановку блока 18(см. рис. 1) и посылает в двигатель пачку из 6 импульсов, под действием которых тот поворачивает цилиндр на 90°. Через время =0,05 с коммутатор выдает запускающий сигнал на блок и подключает выход детектора к интегратору 16. Начинается второй такт измерения длительностью t₂. За это время интегратор с постоянной времени накапливает сигнал I₁, а вычислительный блок 18 производит интегрирование сигналов:

(6)

(7)

Постоянная времени интегратора время второго такта выбирают из условия t₂=It=36 с. когда статистические погрешности измерения сигналов примерно равны между собой.

По истечении второго такта сигналом с коммутатора 14 вычислительный блок запускается на вычисление результатов измерения. Одновременно двигатель снова поворачивает цилиндр на 90°. Значения , А^dи m запоминаются в памяти вычислительного блока. Аналогично происходят следующие два такта измерения и определяются вторые значения , А^dи m.

Полный цикл измерений состоит из 6 пар тактов, по истечении которых определяются средневзвешенные значения плотности, зольности и масса прошедшей по конвейеру шихты. Результаты индицируются на табло 19.

По истечении времени t= 0,05 с, необходимого для очередного поворота цилиндра на 90° и для вычисления упомянутых значений, начинается следующая пара тактов измерения. перед этим средневзвешенные величины плотности, зольности массы стираются в памяти вычислительного блока, а за очередные два такта вычисляются новые значения этих параметров.

Рис. 3. Зависимости интенсивности рассеянного вперед J и прошедшего h гамма-излучения от зольности шихты

По окончании седьмой пары тактов измерение в вычислительном блоке также определяются соответствующие значения, которые индицируются на табло. При таком алгоритме работы прибора через каждые (t₁+t₂) =136 с индицируются усредненные за прошедшие 13.6 мин результаты измерения зольности, плотности и массы прошедшей по конвейеру шихты. Время полного цикла измерения t =13,6 мин и время между сменой соседних результатов на индикаторе (t_l+ t₂) = l36 с выбраны в результате исследования динамики изменчивости зольности и влажности шихты. Такое соотношение Т, (t₁ + t₂) и позволяет, с одной стороны, эффективно подавить влияние случайных возмущений на результаты измерений, с другой – с достаточной точностью воспроизвести изменения измеряемых параметров.

Вычислительный блок прибора может быть выполнен на подходящих микрокалькуляторе или микро-ЭВМ или собран в соответствии с алгоритмом работы на микросхемах подходящей серии. При градуировке прибора определяют коэффициенты К, b b₁, K₂, b₂, b₃, которые приводят в однозначное соответствие сигналы прибора I, U, I₁, U₁ с зольностью, плотностью и массой проходящей по конвейеру шихты. Его показания практически не зависят от работы конвейера, крупности и влажности шихты. Погрешности определения плотности и зольности в лабораторных исследованиях не превышали соответственно 0,1 % (абс.) и 0,01 г/см³. Прибор легко реализуем на серийно выпускаемых промышленностью комплектующих изделиях.