铁矿石还原度检测自动化

,0I:10.13374/j.issn1001-053x.1982.02.022 北京钢铁学院学报 1982年第2期 铁矿石还原度检测自动化 炼铁教研室黎英豪 摘 要 铁矿石的还原度是其冶炼性能重要指标。本文论述“还原度检测自动装置”的 设计原理及调试方法。研制无刀口式电子天平（微感量测重传感器），在高温下自 动检测铁矿石还原反应瞬时的重量变化，进行连续动态自动称量，在5公斤荷重下 具有毫克级的灵敏度。 装置内部研制有试样含氧量给定器及自动除法器电路，实现“参数输入”及 “自动运算”的目的，对高温还原反应全过程作自动记录，在仪器终端记录绘画出 “还原度一时间”函数曲线。曲线尺寸为200×180毫米，还原度测定误差为0.5%。 铁矿石（包括人造富矿)还原度的测定，有其理论研究及工业生产的重要意 义。冶金工作者不断从理论上对炼怡进程的热力学和动力学进行深入的研究，而还 原反应的动力学内容（特别是还原度），是一个有待深化的课题。影响这方面研究 成效的薄弱环节，是没有精密可靠的自动检测电子仪器。 在工业生产实践中，铁矿石的还原度是其冶炼性能的重要指标。要求准确的检 测这方面数据，以便制定合理的配料方案及正确的冶炼工艺流程，从而提高冶炼生 产的各项技术指标和经济指标。 为适应钢铁生产及科学实验的需要，我们研制成功了“还原度检测自动装置”， 它能自动连续检测及显示高温还原反应动力学表现的全过程，仪器内部具有“参数 输入”及“自动运算”的功能，在其终端自动记录绘画出“还原度一时间”函数曲 线。 一、还原度测量概述 铁矿石还原度的测定，目前国内外普遍采用减重法。实验时在900℃（或1250℃）高温 状态下通入还原性气体(CO或H2),使铁矿石进行还原反应： FexO+CO-→xFe+CO2 由于试样中的氧量被逐浒夺走，则试样耳量便相应的逐渐减轻，实验时测定及记录还原时间 和该时间的减重数值，便能计算出其相对还原度： 某一时刻还原度%=该时间减重累计（毫克2， 铁矿石总氧量（毫克）100% 11

北 京 俐 铁 学 院 学 报 年第 期 铁矿石还原度检侧 自动化 炼铁 教研 室 黎英， 摘 要 铁矿石 的还原度是其 冶炼性能重要指标 。 本文论述 “ 还原度检测 自动装置 ” 的 设 计原理及调 试方法 。 研制 无 刀 口 式 电子天平 微 感量 测重传感器 ， 在高温下 自 动 检 测 铁矿石还原反 应 瞬 时 的重量 变化 ， 进行连续动态 自动称最 ， 在 公斤 荷重下 具 有毫克级 的 灵敏度 。 装置 内部研 制有试样 含氧量给定 器 及 自动除法器 电路 ， 实现 “ 参数输入 ” 及 “ 自动运算” 的 目的 ， 对高温还 原反应 全过程 作 自动记 录 ， 在仪器终端记 录绘画出 “ 还原度一时间” 函数 曲线 。 曲线尺 寸为 。 义 毫米 ， 还原度测定误 差为。 。 铁矿石 包括人造富矿 还原度 的 测定 ， 有其理论研究及工业生产的重要 意 义 。 冶金工作者不 断从理 沦上对炼冶进程 的热力学和 动力学进行深入 的研究 ， 而还 原反应 的 动力学 内容 特别 是还原度 ， 是一个有待深化 的课题 。 影响这方面研究 成效 的薄弱环节 ， 是 没有精密可靠 的 自动检 测 电子仪 器 。 在工 业生产实践 中 ， 铁矿石的还原度是其冶炼性能 的重要指标 。 要求准确的检 测这方面数据 ， 以 便制定 合理 的配料方 案及正 确的冶炼工 艺流程 ， 从而提高冶炼生 产的 各项技术指标和经 济指标 。 为适应钢 铁生产 及科学实验的需要 ， 我们研制 成功 了 “ 还原度检测 自动装置 ” ， 它能 自动连 续检 测及显示 高温 还原反应 动力学表 现的全过程 ， 仪 器 内部具 有 “ 参数 输入” 及 “ 自动运算 ” 的功能 ， 在其终端 自动记 录绘画 出 “ 还原度一时间” 函数曲 线 。 一 、 还 原 度测 量概 述 铁矿石还 原度 的 测定 ， 目前 国内外 普遍采用减重法 。 实验时在 ℃ 或 ℃ 高温 状 态 下通 入 还原性 气体 或 ， 使 铁矿石进行还原反应 令 由于 试样 中的氧 量 被逐 渐夺走 ， 则 试样重最 便相应 的逐 渐减轻 ， 实验时 测定 及记 录还 原时 间 和该时间 的减重数值 ， 便 能计算出其相对还原度 某一时刻还原度 二 该 时 间减重 累计 毫克 铁矿石 总氧量 毫 克 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1982．02．022

铁矿石总氧量是指试样中铁的氧化物的总含氧量，这个数值是已知的，是根据其化学成份计 12 算得的，一般为试样重量的7~7。 目前测定还原度的减重法，国内都是应用普通天平进行称量，其缺点是人工加减砝码， 称最量速度赶不上还原反应重量变化的速度，实验中只能称量有限若干个点，作不到连续动态 称量，其结果是测量误差较大。 二、自动电子天平的研制 为能准确连续检测还原反应的全过程，只有应用自动检测技术。关键是研制高精度的微 感量测重传感器，难点是在5公斤荷重下具有毫克级的分辨率（即感量）。 高灵敏度、小量程传感器的研制，除弹性体原材料选择外，主要是其几何形状的设计。 目前厂家产品传感器的形状有桥式、管式、轮毂式及圆柱式等，这些型式结构只适用于大量 程(10公斤至10吨以上)，应用在小量程时灵敏度就很低。 为适应还原度自动检测的特点，研制成功一种新颗的微感器传感器，亦称“无刀口式电 子天平”。它具有以下特点： a.总量程大：分0.2、1、5公斤 b,感量小：分5、50、300毫克 C. 连续动态称量，输出电信号自动记录 d.精度高，精度相当于万分之一 300毫克 300毫克 5干克=5000×1000毫克≈0.01% 1.无刀口式电子天平的结构 它是一种电阻应变式传感器，其 应变检测元件采用箔式电阻应变片， 电子天平的结构如图1所示。天平的 横梁为铝合金（用不锈钢亦可），传 感器采用硅锰弹簧钢(60Si2MnA), 其细薄部位是传感器变形的灵敏区， 在它的两侧各粘贴两片电阻应变片， 共四片组成一个电阻电桥。配重6是 与吊管及试样总重量相平衡的，例如 吊管重3.5公斤，铁矿试样为500克，1-横梁，2-传感器，3-电阻应变片，4-还原吊管（或 则平衡配重砝码为4公斤，这个4公 吊兰)，.5一铁矿石试样，-平衡配重（大砝码) 7-安全支柱，8-电炉(900℃)，9-还原性气体入口 斤的实验条件是相对固定的。吊管即管（外用薄软橡皮管连接） 还原反应管的材料是耐热不锈钢，以 图1·无刀口式电子天平 保证在高温1000℃下不氧化维持本身的恒重。当吊管或配重砝码有一样取下时，天平横梁尖 衡量最大，会使传感器的应变量超过允许值而损坏，安全支柱7则能支撑横梁的一端，起安 全保险作用。 2.微感量传感墨工作原理 12

铁矿石总氧最是指试样中铁的氧化物的 总含氧盈 ， 这个数值是 已知的 ， 是根据其化学成份计 一 ， ‘ ， 二 二 算得 的 ， 一般为试样重最 的专 二 。 一 ，” ” ‘ ， 产 ， ‘ ’ 曰 沪 。 目前测定还原度 的减重 法 ， 国内都是 应用 普通 天 平进 行 称量 ， 其 缺点是人工加减祛 码 ， 称盆速度赶不 上还原反应重量变化的速度 ， 实验 中只能 称量 有限若干个点 ， 作不 到连续动态 称盆 ， 其 结果是 测量 误 差较大 。 二 、 自动 电子 天 平 的研 制 为能准确连续检测还原反 应 的全过程 ， 只 有应 用 自动检测技术 。 关键是研制高精度的微 感盆 测重传感器 ， 难点是在 公斤荷重下具有毫 克级 的分 辨率 即感量 。 高灵敏度 、 小量程传感器 的研制 ， 除弹性体原材料选择外 ， 主要是 其 几 何形状 的设 计 。 目前厂 家产品传感 器的形状有桥式 、 管式 、 轮毅式及 圆柱式 等 ， 这 些型 式结 构只适用 于大盈 程 公斤至 吨 以 上 ， 应用在小量程时 灵敏度就 很低 。 为适应还原度 自动检测 的特点 ， 研制成功一种新 颖的微感 器传感器 ， 亦 称 “ 无 刀 口 式 电 子 天平” 。 它具有以下特点 总 程大 分 、 、 公斤 感 最 小 分 、 、 毫克 连续 动态称最 ， 输出 电信号 自动记录 精度高 精度相 当于万分之一 毫克 毫克 干 克 无 刀 口 式 电子天 平的结构 它是一种 电阻应变式传感器 ， 其 应变检测元件采用箔式 电阻应变片 ， 电子天平的结构如图 所示 。 天平的 横梁为铝合金 用不 锈钢亦可 ， 传 感器采用硅锰弹黄钢 ， 其 细薄 部位是 传感 器变形的 灵敏区 ， 在 它的两侧 各粘贴两片电阻应变片 ， 共四片组成一个电阻 电桥 。 配重 是 与吊管及试样总重量相 平衡 的 ， 例 如 吊管重 公斤 ， 铁矿试样为 克 ， 则 平 衡配 重祛码为 公斤 ， 这个 公 斤的实验条件是相对 固定的 。 吊管即 还原反应管 的材料是耐热不 锈钢 ， 以 一 毫克 岛 上厂吮下撇 ’ 一 横梁， 一 传感器， 一 电阻应 变片 卜还 原 吊管 或 兰 ， 一铁矿石 试 样， 一 平衡配重 大祛码 ， 安全 支柱， 一 电炉 。 ℃ ， 一 还 原性气体入 口 外用 薄 软橄 皮 管连 接 图 无 刀 口 式 电子天 平 保证在高温 。 ℃下不 氧化维持本身的恒重 。 当吊管或配重祛码 有一样取 下时 ， 天平横 梁失 衡 量 最大 ， 会使传感 器的应 变 量超过 允 许值 而损坏 ， 安 全支柱 则能 支撑横梁的 一 端 ， 起 安 全 保险 作用 。 徽感 传感 工 作原理

电阻应变片牢固的粘贴在传感器上（见图2），当它受 0 外力（或重量)作用下，在传感器材料的弹性变形极限以内 时，传感器及应变片的长度变化量△】与外作用力成正比， 同时变应片电阻值变化量△R与其△1成正比。为了将△R转 R 换成电压信号△V,采用电桥电路，如图3所示。传感器为 双面贴应变片，并且R:=R2=R3=R,=120欧，应变片尺 0 寸为2×3毫/毫。开始还原实验之前，吊管及试样的重量 与平衡砝码相等。这时传感器虽承受8千克荷重(2×4千 图2传感器贴电阻应变片 克)，自由于天平横梁两边的力臂相同(L/2),它是处于 平衡状越，传感器没有弯曲变形，贴在它上面的应变片电桥 镍持平衡，其电压输出△V为零。· 当还原反应在高温900℃下进行时，铁矿石试样重量逐 转出△V 渐减轻，横梁m端力矩M与n端力矩N便出现不平衡，并且 有M<N,传感器发生微量弯曲变形，在吊管方向一侧的应 变片被拉伸，在配重砝码一侧的应变片被压缩，电桥失衡便 有信号△V输出，而△V是正比于试样重量变化量△F,即△V 6 V ∝△F,所以△F=k·△V。k为比例系数，即传感器标定常 数，采用精密砝码予先进行标定。传感器输出信号为0~5 图3电阻应变片电桥 毫伏，经放大器及运算系统处理后，输送到自动记录仪表进行终端显示。 3.微感量传感器高灵敏度的分析 (1)在检测重量变化时，传感器一侧的两个电阻应变片被压缩，另一侧两个应变片则被 拉伸，其应变信号输出为普通传感器的两倍。 (2)传感器由于天平横梁的作用（横梁长350毫米），作用力对于中央应变处相当于一 个长杠杆，故有很大的放大作用，能获得很高的灵敏度。这是传感器与天平结合特有的效 果。 (3)由于弹簧钢(60Si2MnA)高强度极限的容许，传感器细腰处可以作得很薄(0.5~ 2毫/毫)，其灵敏度能大幅度提高。 (4)要指出的是，因为传感器结构平时处于平衡状态，由于配重砝码(4千克)的作 用，传感器荷重4千克在仪表读数刻度上不占有位置，仪表指针指示值为零。只有试样重量变 化的数值才在刻度上出现，这样就能将刻度全部量程，有效的用来指示还原反应时试样的重 量变化。例如吊管宜3.5千克，铁矿试样500克，总重量为4千克，工作时由于配重砝码（4 千克)的平衡作用，此时仪表指示读数为零。而在500克试样中含氧量约为80克左右，若全 部还原，试样减重也就是80克，即仪表刻度量程只需要指示80克，而不必指示总重量4千克。 当采用0.5级指示仪表时，其分辨率为80克×0.5%=0.4克。这时传感器的精度相当于万分 之一。 0.4克 4×1000克=0.01% (5)传感器设计成双面贴应变片，当环境温度变高时，它两面的应变片产生相同的线膨 账，电桥四臂受温度影响的情况一样，便构成一种对称式自动补偿。它能在较大的温度变化 范国内补偿，从而有效的消除传感器的温度漂移。 13

电阻应变片牢固 的羚贴在传感器 上 见 图 ， 当它受 外 力 或重量 作用 下 ， 在传感器材料的弹性变形 极 限 以 内 时 ， 传感器 及应 变片的长度变化量 △ 与外作用 力成正 比 ， 同时变应 片 电阻值 变化 量 △ 与其 △ 成正 比 。 为 了将△ 转 换成电压 信 号 八 ， 采 用 电桥 电路 ， 如图 所示 。 传感器为 双面 贴应变片 ， 并且 二 。 二 ‘ 欧 ， 应 变片 尺 寸为 毫 毫 。 开 始还原实验之前 ， 吊管及 试样 的重量 与严衡祛码相等 。 这 时传感器虽承受 千 克荷 重 千 图 传感器 贴 电阻应 变片 ， 叔油于 夭平横梁两边 的力臂相 同 ， 它是 处于 状态 ， 传感器 没有弯 曲变形 ， 贴 在它 上面 的应变片电桥 平衡 ， 其 电压 输出八 为零 。 当还原反应 在高温 。 ℃ 下进 行时 ， 铁矿石试样重量逐 霖嘟 渐减轻 ， 横梁 端 力矩 与 端 力矩 便 出现不 平衡 ， 并且 有 ， 传感器发生微量弯曲变形 ， 在 吊管方 向一侧的应 变片被拉伸 ， 在配重祛码一侧的应变片被压缩 ， 电桥 失衡便 有信号△ 输出 ， 而△ 是正 比于 试样 重量 变 化量 △ ， 即八 △ ， 所 以 △ 。 △ 。 为比例 系数 ， 即传感 器标定常 数 ， 采用精密祛 码 予先进行标定 。 传感器 输出信 号为 。 图 电阻应 变片 电桥 奄伏 ， 经放大器 及运算系统 处理后 ， 输送 到 自动记 录仪表进 行终端显示 。 徽感 一传感公高灵敏度的分析 在检测 重量 变化时 ， 传感器一侧 的 两个 电阻应 变片被压缩 ， 另一侧 两个应变片则被 拉伸 ， 其应变信 号输出为普通传感 器 的两倍 。 传感器 由于天平横 梁的作 用 横梁长 毫米 ， 作用力对于 中央应变处相 当于一 个长杠杆 ， 故有很大的放大作 用 ， 能 获得很高 的 灵麟度 。 这是传感器与天平 结合特有的效 果 。 由于 弹簧钢 高强度极 限 的容许 ， 传感器细腰处可 以作得很薄 毫 毫 ， 其 灵 敏度能大幅度提高 。 要 指出的是 ， 因为传感 器结 构平时 处于 平 衡状态 ， 由于 配重祛 码 千 克 的作 用 ， 传感 器荷 重 千 克在仪 表读数刻度上不 占有位置 ， 仪 表指针指 示值 为零 。 只有试样重 变 化的数值才在刻度上出现 ， 这 样就 能将刻度全部量程 ， 有效 的用来指示还原反 应 时试样的 重 盛女化‘ 例如吊管重 千 克 ， 铁矿 试样 克 ， 总重量 为 千 克 ， 工作时 由于 配重祛码 千克 的平衡作用 ， 此 时仪 表指示 读数为零 。 而在 。 克试 样中含氧量 约为 。 克左右 ， 若全 部还原 ， 试样减重也就 是 克 ， 即仪 表刻度量程只 需要指示 。 克 ， 而不 必指示 总重盆 干 克 。 当采 用。 级 指示仪表 时 ， 其分 辨率为 克 克 。 这 时传感 器 的精度相 当于万分 之一 。 君糯 克 ” · ” ‘ ” 传感 器设 计成双 面 贴应变 片 ， 当环境温度变 高时 ， 它 两面 的应变片产生相 同的线膨 、 胀 ， 电桥 四 臂受 温度影 响的情 况一样 ， 便 构成一种对称 式 自动补偿 。 它能在较大的温度变化 旅国内补偿 ， 从而有效的 消除传感器的温度漂移 。 匀 ，姿 ’

由上述分析可见，微感量传感器（电子天平） 能较好的解决大量程(5千克)与小感量（毫克级） 的矛盾、灵敏度与稳定性的矛盾。它是专门适用于 还原反应物料重量变化的检测。 4.微感量传品器应力计算 弹性元件材料为硅锰弹簧钢60 Si2MnA其抗 拉强度06=160公斤/毫米，屈服极限σ，=140公 斤/毫米2传感器尺寸见图4，b=20,a=26,h= 1.2最大应变量为500微应变。 传感器工作时受到两种作用力：荷重垂直压力 和横梁不平衡时对传感器的弯曲力。这就构成传感 器的“组合变形”，它的应力计算较为复杂。但传 图4传感器结构 感器若工作在弹性范围以内，并且其抗弯刚度(E【) 又较大时，是可以应用选加原理，允许分别计算每一种变形下的应力。 (1)垂直抗压应力计算 受压工作截面S=b×h=20毫/毫×1.2毫/毫=24毫米2 垂直压力F=2×4千克=8千克 F8千克 所以抗压应力为5=24毫来=0.33公斤/毫米： 对比硅锰弹簧钢的强度性能，传感器垂直抗压强度是大有富余的。 (2)抗弯曲应力计算 弯矩M=冬xF=罗 断面抗弯矩W=bh: 6 M 3LF 弯曲应力W=bh 式中F为还原减重数值80克，L为横梁两端吊挂点距离350毫/毫，代入上式得 弯鱼应力-0笔毫焦X凳额一公斤/毫米· 对比硅锰弹簧钢的强度性能，传感器抗弯曲强度也是有很大余量的。它是工作在“应力与应 变关系”曲线的直线部分，故其测量读数的线性是很好的，经调试达到如下技术指标： 重现性误差≤0.5% 非线性误差≤0.5% 根据应力计算，传感器断面厚度()还可以减小，将进一步提高其灵敏度，目前样机可以 作到感量为5毫克。 三、还原度检测自动化电路 1.还原度与试样减重、反应时间的关系 14

由上迷分析可见 ， 微感量传感器 电子天平 能较好的解决大量程 千克 与小感量 毫克级 的矛盾 、 灵敏度与稳定性 的矛盾 。 它是专门适 用于 还原反取物料重里变化的检 测 。 橄感皿传感公应 力计 算 弹性元件材料为硅锰弹簧钢 其 抗 拉强度 。 。 公斤 毫米 ， 屈服 极限 ， 公 斤 毫米 ’ 传感器尺寸见 图 ， ， ， 最大应变盆为 微应变 。 传感器工 作时受到 两种作用力 荷重垂直压 力 和横梁不 平衡时对传感器的弯曲力 。 这就 构成传感 器 的 “ 组合变形 ” ， 它的应力计算较为复杂 。 但传 感器若工作在弹性范围以 内 ， 并且其 抗弯刚度 图 传感器 结构 又较大时 ， 是可 以应 用迭加原理 ， 允许分别计算每一种变形下的应力 。 垂直抗压应力计算 毫 毫 毫 毫 毫米 名 二 二 ‘ ‘ ， 肪 以抗压亚刀为 一亏一 千克 千克 毫米 受压工作截面 垂直压力 二 千克 公斤 毫米 乞 对 比硅锰弹黄钢 的强度性能 ， 传感器垂 直抗压强度是大有富余的 。 抗弯曲应力计算 弯矩 专 、 等 断面、 弯矩 半 弯曲应力架 豁 式 中 为还原减重数值 克 ， 为横梁两端 吊挂点距 离 。 毫 毫 ， 代入 上式得 弯曲应 力 二 毫 毫 公斤 毫 毫 毫 毫 ， 公斤 毫米 对 比硅锰弹黄钢的强度性能 ， 传感器抗弯曲强度也是有很大余量 的 。 它是工作在 “ 应力与应 变关系” 曲线的直线部分 ， 故其测盘 读数的线性是很好的 ， 经 调 试达到如下技术指标 重现性误差《 非线性误差《 根 据应 力计算 ， 传感器断面厚度 还可 以减小 ， 将进一 步提高其 灵敏度 ， 目前样机可 以 作到感皿为 毫克 。 三 、 还 原 度检测 自动化 电路 还 度与斌样减， 、 反应时间的关翔

。 铁矿石还原度的表达式为 某时刻还原度=该时间减重累计（毫克）， 铁矿若总氧量（毫克）100% 微感量传感器输出的电压信号，依据它的线性关系，相应的指示出该时间试样减重的累计 数，实质上就是被还原夺走的氧的重量，单位是毫克，还不是还原度%。欲求得这个结果， 则要进行上述公式的运算。在自动检测电路中，必需具备一个除法器和一个构成公式分母的 总氧量给定器。虽然试样每次都是500克，但由于矿旷种不同，各次的总氧量不是固定的，.实 验操作时要进行给定。 还原时间是在900℃条件下从通入CO气体的时刻算 起。仪器的记录终端显示仪表可采用“自动平衡记录 仪”，它的走纸速度为60毫米/小时。还原度与时间的 关系，是一种特有的按一定规律的函数关系，见图5曲 线。这函数曲线就是还原反应动力学内容的最终结果。 2.给定墨与除法墨电路 时间 设计一种结构简单、既能给定又能除法的电路。给 马即参数输入，除法就是自动除法运算。本电路特点是 图6还原度与时间关系 以乘法运算来完成除法的目的。 例如铁矿试样500克，其铁氧化物总氧量为70~140克，即给定值b=70~140克。求还 原度x%=。,实质上就是求百分数。 已知，(1)给定值b=70~140克 (2)a为试样还原减重，克（由传感器已测量出) 试求：还原度x%。。 运算，(1)b最大=140克时 a a克1 X=b最大=140克=140a=Ka 式中K为仪器常数。 (2)b最小=70克时 b囊小=b悬大 2 a=2Ka x%=b最小=b最大 2 (3)bx=70~140克时 x%(2~1)Ka (1) 这时复杂的除法运算已为简单的乘法所代替。乘法运算电路之所以简单，因为只要用放大倍 墩为(1~2)K的电子放大器，将a值进行放大便可求得还原度。式中(1~2)倍这一项 是随b值而改变的，例如bx=80克时，则x%=1,75Ka(,bx=b最大/1,75)，这个1.75的 15

铁矿石还原度的表达 式为 某 时刻还原度 该 时 间减重 累计 毫 克 铁矿石 总氧量 毫 克 微感量传感器 输出的 电压 信号 ， 依据 它 的 线性关 系 ， 相 应 的指示出该 时间 试样减 重 的 累计 数 ， 实质 上就 是 被还原夺 走的氧 的 重量 ， 单位是 毫克 ， 还不是 还原度 。 歌求得这个结果 ， 则要 进 行 上述公式 的运算 。 在 自动检 测 电路中 ， 必需具备一个除法器和一个构成公式分母 的 总氧量 给定器 。 虽然 试 样每次都是 克 ， 但 由于矿种 不 同 ， 各次的 总氧 不是 固定 的 ， 实 脸操作时要进行给定 。 还原时 间是在 ℃条件下从通 入 气体 的 时 刻算 次 ， 、 ， 、 ， ‘ 、 ’ ， 、 一 ， ， ，‘ 、 锐 起 。 仪 器的记 录 终端 显示 仪 表可采 用 “ 自动平衡记 录 画 仪” ， 它 的走纸速度为 毫米 小时 。 还原度与时间的 旧 关系 ， 是一种 特 有的按一定规律 的 函数关 系 ， 见 图 曲 线 。 这 函 数 曲线就是还原反 应 动力学 内容 的最 终结果 。 给 定 与除法 电路 。 设计一 种 结构简单 、 既能给定又能除法 的 电路 。 给 军即 参数输入 ， 除法就 是 自动除法运 算 。 本 电路特点是 以乘法运 算来完成除法的 目的 。 例如铁矿 试样 克 ， 其 铁氧 化物 总氧量 为 克 ， 时间 图 还原度 与时 间关 系 即给定值 克 。 求还 原度 号 巳知 ， 实质 上就 是求 百分数 。 给定值 克 为试样还原减重 ， 克 由传感器 已测 出 试求 还原度 二 二 一 奋 运 算 最大 克时 克兄 。 一〔 花丁下一 二下二不苏犷 二 ，犷丁万 里、 城 大 兄 式 中 为仪 器 常数 。 最小 克时 最小 二 最大 ’ 为 ，〔 二丁丁一 一〔 二丁于 ， 城小 最大 克时 一 ， 夕劝 网 ，宁 这时复杂的除法 运 算 巳为简单的乘法所代替 。 乘法运算 电路之所 以简单 ， 因为只要 用放大倍 狱为 的 电子放大 器 ， 将 值进行放大便可求得还原度 。 式 中 倍这一项 ， 、 渗随 傅而改孪的 ， 例如 一 克时 ， 则 ， 纬 ， “ ，’ 大 ， ， 这个 的 、 ‘ 特

数也不用人工去计算，操作时只要将b=80克这个已知参数输入仪器，它就能自动完成x% =1.75Ka的运算，还原度便为所求。 还原度电测自动装置电路见图6。 8.电路结构及工作原理 ,(1):传感器电路： R,~R,为电阻应变片组成的电桥，供桥电源为稳压直流6伏。R。及W,作电桥调零用。 传感器输出信号为0~5毫伏，它模拟了还原反应减重数a,经转换开关K送至下一级放大 器电路进行运算。 R Re 2 15w ① 2 2 ⑧⑦ W,100k 5G24 自动平衡 D:A 文D: 记余仪 2CP 2CP R 120 120 图6还原度自动检测电路 (2)给定器电路： 由R。、R,及W,构成总氧量给定器，通过给定器将总氧量这个参数输入到运算电路中。 依据设计好的给定系数0.1毫伏/克，给定的毫伏数就代表了总氧量b值。例如b为82.5克， 则给定值=82.5克×0.1毫伏/克=8.25毫伏。将转换开关K置2位置，旋动电位器W,就能 给出8.25毫伏（这时W3旋零歌姆位置），这个毫伏数是利用本机显示仪表平衡记录仪测量 出来的，该仪表满量程为14毫伏，还原度分刻度为100%。 (3)除法器电路 它是用乘法运算来完成除法的目的。应用集成运算放大器5G24,与传感器接成桥路放 大器电路。由于传感器双面贴片，工作时一面的电阻应变片R产生+△R,另一面的则产生 ~△R,当8《1，R,>R:时，该放大器的输出信号为 V,≈2v是 (2) 式中：V一供桥电压，R:一应变片电阻值，R一放大器反馈电阻，8=△R/R:。 调整R,就能改变电路的放大倍数B,以满足上述公式(1)x%=(1~2)Ka的需要， 即日=(I~2)K。确定B的方法是利用给定值来调整的。例如当给定8.25毫伏后，再旋动 增大R,(W,),使显示仪表指针到达满量程，这时B便调好了。再将K拨回1位置，等待还 原反应减重变量a的来临，便运算指示出该时间的还原度。 16

数也不用人工 去计算 ， 操 作时只 要 将 克这个 巳知 参数输入 仪 器 ， 它就能 自动 完成 二 的运算 ， 还原度便为所求 。 还原度 电测 自动装置 电路见 图 。 电路 绪构及工 作旅 理 以 传感器 电路 ‘ 为电阻应变 片组成的 电桥 ， 供桥 电源 为稳压 直 流 伏 。 。 及 作电桥调 零用 。 传感器 输出信号为 。 毫伏 ， 它模 拟了还原反应减重数 ， 经转换开关 送 至 下一级放大 器 电路进行运算 。 自动平街 记录仪 、 图 还 原度 自动检 测 电路 给定器 电路 由 。 、 ，及 构成 总氧量给定器 ， 通过给定器 将 总氧量这个参数输入 到运 算电路 中 。 依据设 计好 的给定系数。 毫伏 克 ， 给定 的毫伏数就 代表 了总氧 量 值 。 例 如 为 克 ， 则给定值 克 毫伏 克 毫伏 。 将转换开关 置 位置 ， 旋 动 电位器 就 能 给 出 毫伏 这时 旋零欧姆位置 ， 这个毫伏数是利 用本机显示仪表平衡记 录 仪 测 量 出来的 ， 该仪表满量 程为 毫伏 ， 还原度分刻度为 。 除法器 电路 它是用乘法 运算来完成除法的 目的 。 应 用 集成运 算放大器 ， 与传感器 接成桥路放 大器 电路 。 由于传感器双面 贴片 ， 工作时一面 的 电阻应变片 产生 △ ， 另一面的则产生 一 △ ， 当各《 ， ， 时 ， 该放大器 的输出信号为 。 、 、会 式 中 一供桥 电压 ， 一应 变片电阻值 ， 一放大器反馈 电阻 ， 乙 △ 。 调 整 ， 就 能改变 电路 的放大倍数 日 ， 以满足 上述公 式 的 需 要 ， 即 日 ‘ 。 确定 的方法是利 用给定值来调 整 的 。 例 如 当给定 毫伏后 ， 再旋 动 增大 ， ， 使显示仪 表指针到达 满量 程 ， 这 时 日便调好 了 。 再将 拨 回 位置 ， 等待还 原反应减重变盆 的来临 ， 便运算指示出该时间的还原度

444 四、还原度测定标准及总氧量计算 目前我国很多厂矿、科研单位采用日本的还原度J[S标准。它的主要内容为： 1. 大料批：铁矿石试样500克。 2.大流量：还原性气体15升/分。 3. 还原时间长：周定为3小时。 4.采用吊管：耐热不锈钢管，内径中75毫米。 经过对各种测定方法的比较，术装置数据采用日本的J【S标准。还原性气体成份为 球®033%左右、N267%左右、C0,0.1%左右，它的成份与高炉煤气很接近。试样粒度为16~ .20毫米。 化学分析室送来的铁矿石化验单，有“企Fc”%及FO%,·试样铁氧化物的总氧量可 由下式计算： 总氧量= o)+o]G 48 =(0.429Fee-0.111FeO)G (3) 式中Fe圣：试样全铁含量%，FeO:试样-氧化铁含量%，G:试样重量。 曾将我国各地不同成份的铁矿石、球团矿及烧结矿，取试样500克进行计算，它们的总 氧量均在70~140克范围。故本装置运算电路设计总氧量给定值b=70~140克，并且在还原 实验前就为已知。 五、仪器整机设备及实测数据 1.铁石还原度电测白动装置整机如图7所示。 图7还原度电测自动装置总图 1-自动电子天平，2-自动平衡记录仪，3-还原反应管，4-铁矿石试样，5-电炉 (900℃)，6-N:气体流量计，7-CO气体流量计，8-有机玻璃吸收瓶（内装硅 胶)，9-有机玻璃吸收瓶（内装钠石灰)，10-氮气瓶，11一无油空气压缩机（小 型)，12-C0转化管（内装木炭），13-C0转化炉（1000℃)，14-控温设备 （控转化炉)，15-控温设备（控电炉5）16-实验桌（空腔水冷却），17-热 电偶，18-高温计。 17

四 、 还 原 度测 定标准 及 总氧 量计 算 目前我国很 多厂 矿 、 科研单位 采 用 日本的还原 度 标 准 。 它 的 主要 内容为 大料批 铁矿石 试样 克 。 大流量 还 原性气体 升 分 。 还原时间长 固定为 小时 。 采 用 吊管 耐热不锈 钢管 ， 内径 小 毫米 。 ， 木装置 数据 采 用 日木 的 标 准 。 还原性 气体成份为 琢卿 ” 攀过对 各种测定 方 法的 比较 ， 木装置 数据 米 用 不 附 』 、 怀肚 。 左右 、 左右 、 左右 ， 它 的 成份 与 高炉煤 气 很 德 沂 。 试 样粒度为 幼毫米 。 化学 分析 室送来的铁矿石 化验 单 ， 有 “ 全 。 ” 及 、 ， · 试样铁氧 化物 的 总氧最可 由下式 计算 总、 二 〔爪 一普一 一 吞暑一 〕气 二 全 一 式 中 至 试样 全铁含量 ， 试样一氧 化 铁 含量 ， 试样重 量 。 曾将我 国各地不 同成份 的铁矿石 、 球团矿 及 烧结矿 ， 取 试样 克进行 计算 ， 它们 的 总 氧最 均在 克范围 。 故木装置运算电路设 计 总氧量 给定值 克 ， 并且 在还原 实验前就 为 巳知 。 五 、 仅 器 整机证备及 实测数 据 铁矿 ‘ 石还原度 电测 自动装置 整机如图泞 所 示 。 。 。 嘟 沪 图 还 原度 电测 自动装置 总 图 一 自动 电子天 平， 一 自动平衡 记 录仪， 一 还 原 反 应 管， 一 铁矿石 试 样 一 电炉 ℃ ， 一 气体流量 计， 一 气体 流量 计 ， 一 有机玻 璃 吸 收瓶 内装硅 胶 ， 一有机玻 璃吸 收瓶 内装钠 石 灰 一 氮气瓶， 型 ， 一 转 化 管 内装木炭 ， 一 转 化 炉 一 无 油 空 气 压 缩 机 小 ℃ ， 一 控温 设 备 控转 化炉 ， 卜控温 设 备 控 电炉 一 实验 桌 空腔水冷却 电偶， 一 高温 计 。 ， 一 热 礼 ， 丫击月 弓 均、 ‘ 、 竹、儿 ， 犷 策尾

2.使用效果及实测数据 “还原度电测自动装置”经过较长时间的 100 试用，参加试用单位有邯郸钢铁研究所、山东 雪 冶金研究所、酒泉钢铁研究所及北京钢铁学院烟 80- 等，该装置为科研及生产作了大量数据（曲线）， 60- 如图8所示，使用效果良好，其主要技术参数 如下： 40- (1)还原度测定误差： 0.5% 时问肉 (2)显示值非线性误差： 0.5% (3)自动记录曲线尺寸： 3060·90120150180(分) 90×100、180×200毫米 图8还原度一时间实测曲线 ()自动电子天平最大荷重： 5公斤 (5)显示值分辨率： 10、50、250毫克 应用本装置，对国内各种铁矿作出的大盘数据曲线，根据最小二乘法原理，归纳总结出 一个还原度的数学模型（数学公式）： t=aR+aR*+a3R3+aR (4) 式中t一还原时间，R一还原度%，a1~a:一常数项，概括了反应温度、气体流量、气体成份 及试样矿物组成等因素的影响。 这个数学公式所表达还原度的计算值，与还原实验时实测的数值非常接近，误差<1%。 并且得出还原速率的数学公式： d 1 t=a1+2aR+3a3R*+4a4R3 (5) 上述这些数学公式的建立，对千还原度动力学的理论研究，无疑是一个较好的进展，研 究工作还在继续进行中。 参考文献 1.专业炼铁学北京钢铁学院等编中国工业出版社1962年 2.炼铁工艺计算手册鞍钢炼铁厂等编冶金工业出版社1973年 3.炼铁化学基础北京钢铁学院炼铁教研室编北京钢铁学院印刷厂1978年 4,电阻应变式压力传感器铁道建筑研究所编人民铁道出版社1979年 5.晶体管运算放大器及其应用张郁弘等编著国防工业出版社1978年 6.晶体管电路请华大学电子工程系等编科学出版社1974年 7.自动控制原理及设计陆道政等著上海科学技术出版社1980年 18

使用效果 及实测数据 “ 还原度 电测 自动装置 ” 经 过较长 时 间 的 试 用 ， 参加试 用单位有邯郸钢铁研究所 、 山东 冶金研究所 、 酒泉钢铁研究所及北京钢 铁学院 等 ， 该装置 为科研及生产作 了大量数据 曲线 ， 如图 所示 ， 使 用效果 良好 ， 其 主要技术 参数 如下 还原度测定误差 〕 显示值非线性误差 自动记 录 曲线尺寸 、 毫米 自动 电子天 平最大荷重 公斤 显示值分 辨率 、 、 毫 克 锐浓医旧 图 还 原度一 时间实侧 曲线 应 用本装置 ， 对 国内各种铁矿作出的大量数据 曲线 ， 根据最 小二乘法原理 ， 归纳 总结出 一个还原度的数学模型 数学公式 准 兔 毛 式 中 一还原时间 ， 一还原度 ， 。 ‘ 一常数项 ， 概 括 了反应温度 、 气体流量 、 气体成份 及试样矿物组成等因素的影响孟 这个数学公式所表达还原度的计算值 ， 并且得 出还原速率 的数学公式 与还原实验时实测 的数值非常接近 ， 误 差 。 毓干牙刃石丽刀补不面豆了 对干 还原度动力学的理论研究 ， 上述这些数学公式 的建立 ， 究工作还在继 续进行 中 。 无疑是一 个较好的进 展 ， 研 参 考 文 献 专业炼铁学 北京钢 铁学 院等编 中国工业 出版社 年 炼铁工艺计算手册 鞍钢炼铁厂 等编 冶金工业 出版社 年 炼铁化学基 础 北京钢铁孚院炼铁教研室编 北京钢 铁学院印刷厂 年 电阻应变式压 力传感器 铁道建筑研究所编 人 民铁道出版钱 年 晶体管 运算放大器 及其应 用 张郁 弘等编著 国防工 业出版社 年 晶体管 电路 清华大学 电子工程系等编 科学出版社 年 自动控制原理及设 计 陆道政等著 上海科学技术出版社 。 年 自，口