Спосіб вимірювання температури в кристалізаторі ливарної установки та кристалізатор для розливання металу

Реферат: Винахід належить до способу вимірювання температури в кристалізаторі за допомогою оптоволоконного способу вимірювання і відповідно виконаного кристалізатора. З цією метою в пазах на зовнішньому боці мідної пластини кристалізатора передбачені світловоди, на які спрямовується лазерне випромінювання. За допомогою системи реєстрації температури може визначатися температура вздовж вимірювального волокна в декількох точках вимірювання. Зокрема, при цьому способі досягається підвищення просторової розрізнювальної здатності при реєстрації температури в кристалізаторі в порівнянні з відомими системами реєстрації температури за допомогою термоелементів. UA 98720 C2 (12) UA 98720 C2 UA 98720 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується способу вимірювання температури в кристалізаторі за допомогою оптоволоконного способу вимірювання і відповідно виконаного кристалізатора. Для цього із зовнішнього боку кристалізатора передбачені світловоди, через які пропускається лазерне випромінювання. Винахід служить для підвищення просторової розрізнювальної здатності при реєстрації температури в кристалізаторі в порівнянні з відомими системами реєстрації температури і, зокрема, дозволяє краще виявляти подовжні тріщини і розриви. Реєстрація температури в кристалізаторі є критичною проблемою, що набуває все більшого значення в зв'язку з ливарними установками з швидким розливанням. Звичайно температури в кристалізаторі передусім реєструються за допомогою термоелементів, що пропускаються або через отвори в мідній пластині кристалізатора або які наварюються на мідні пластини кристалізатора. Такі способи вимірювання основуються на аналізі термонапружень. Кількість і розміри таких термоелементів обмежені. Так, наприклад, термоелементи без особливих витрат на доопрацювання часто можуть бути використані тільки на місцях піддатливих гвинтів. До того ж із збільшенням кількості термоелементів пов'язані дуже великі витрати на кабельну розводку. Крім того, ці датчики чутливі до електромагнітних полів, які виникають, наприклад, в електромагнітних гальмуючих системах або в мішалках. Крім того, для захисту термоелементів, включаючи їх кабельну розводку, необхідні запобіжні пристрої, які дорого коштують. При заміні мідних пластин кристалізатора, яка регулярно проводиться, необхідно оновлювати кабельні з'єднання, причому нарівні з великою трудомісткістю можуть мати місце помилкові з'єднання. У WO 2004/082869 показаний спосіб визначення температури в кристалізаторі з термоелементами, які встановлені на мідній пластині за межами кристалізатора і заходять в кристалізатор через отвори. У DE 3436331 показаний аналогічний спосіб вимірювання температури в металевих ємностях, зокрема в кристалізаторах, при якому термоелементи встановлюються у великій кількості поперечних отворів. Обидва цих способи мають вищезгадані недоліки. Крім того, використання множини отворів вимагає великих фінансових витрат і великих витрат часу. На жаль, дуже велика кількість термоелементів, встановлених таким чином, відбивається в непомірних витратах на кабельну розводку. У DE 10236033 описаний спосіб вимірювання температури в зоні контролю вогнетривкої футерівки плавильних печей, зокрема, індукційних печей, за допомогою волоконних світловодів, причому світловоди наносяться на рулонний матеріал за декількома шарами ізоляції і використовуються для оптоволоконного вимірювання зворотного розсіювання. Правда, такі системи в цьому виді не придатні для вимірювання температури в кристалізаторі і не розраховані на точну локальну реєстрацію температури в кристалізаторі. Технічна задача, яка виникає таким чином, полягає в забезпеченні вдосконаленого вимірювання температури в кристалізаторі, тобто, зокрема, вимірювання з більшим просторовим розрізненням, пов'язаного до того ж з можливо меншими витратами на установку з тим, щоб, серед іншого, поліпшити систему виявлення подовжніх тріщин і/або розривів в кристалізаторі. Вищезгадана технічна задача вирішується за допомогою винаходу, що розкривається нижче, зокрема винахід являє собою спосіб вимірювання температури в кристалізаторі ливарної установки, причому датчики для вимірювання температури застосовуються щонайменше на одній мідній пластині кристалізатора з системою реєстрації температури, який відрізняється тим, що як датчик використовується щонайменше один волоконний світловод, через який пропускається світло лазера, причому на зовнішньому боці мідної пластини кристалізатора формуються пази, в яких встановлюється щонайменше один волоконний світловод. Реєстрація температури за допомогою волоконних світловодів забезпечує суттєво менші витрати на кабельну розводку, ніж використання термоелементів в кристалізаторі. Крім того, необхідні значно менші трудовитрати і витрати на установку волокон в мідній пластині кристалізатора. Крім того, використання світлодіодів відповідно до вищенаведеного способу забезпечує суттєво вище просторове розрізнення, ніж використання термоелементів в отворах. Скловолоконна лінія може замінити, наприклад, більше сотні термоелементів разом з кабелем. В іншому переважному варіанті виконання спосіб включає волоконний світловод, що встановлюється в формі меандру в пазах на зовнішньому боці мідної пластини кристалізатора. В іншому переважному варіанті виконання спосіб включає щонайменше два волоконних світловоди зі зміщенням по довжині, що встановлюються у відповідних пазах. Тим самим може бути ще більш підвищене просторове розрізнення при вимірюванні температури. В іншому переважному варіанті виконання спосіб включає пази між каналами охолоджування, розташованими на зовнішній поверхні мідної пластини кристалізатора. 1 UA 98720 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 В іншому переважному варіанті виконання спосіб включає волоконні світловоди, що встановлюються, відповідно, з вільною, з опорного боку і, переважно, з кожним з обох вузьких боків кристалізатора. В іншому переважному варіанті виконання світловоди кожного окремого боку з'єднуються за допомогою відповідного з'єднання, а за допомогою відповідного додаткового окремого світловода з'єднуються з системою реєстрації температури. В іншому переважному варіанті виконання світловоди кожного окремого боку за допомогою з'єднань послідовно з'єднуються один з одним, а за допомогою додаткового з'єднання з системою реєстрації температури. В іншому переважному варіанті виконання способу світло лазера щонайменше за допомогою одного з'єднання спрямовується на кристалізатор і одночасно передається по каналах декількох волоконних світловодів. В іншому переважному варіанті виконання способу з'єднання є лінзовими. В іншому переважному варіанті виконання способу дані системи реєстрації температури передаються на процесор, що обробляє ці дані і, який керує з їх допомогою, процесом розливання. Крім того, винахід включає в себе кристалізатор для розливання металу, який містить щонайменше одну мідну пластину і, яка відрізняється тим, що із зовнішнього боку мідної пластини кристалізатора передбачені пази, в яких встановлені волоконні світловоди для вимірювання температури. В іншому переважному варіанті виконання кристалізатора волоконні світловоди встановлені в пазах в формі меандру. В іншому переважному варіанті виконання кристалізатора щонайменше два волоконних світловоди, зміщених по довжині, встановлені у відповідних пазах. В іншому переважному варіанті виконання кристалізатора пази між каналами охолоджування розташовані на зовнішньому боці мідної пластини кристалізатора. На Фіг.1 зображений двовимірний вигляд зовнішнього боку щілини для охолоджування мідної пластини кристалізатора з пазами і з встановленими в них волоконними світловодами, На Фіг.2 зображений вигляд в розрізі широкого боку кристалізатора з щілинами для охолоджування і зі світловодами, встановленими між щілинами для охолоджування. У сильно спрощеному зображенні співвідношення розмірів показані неточно. На Фіг.3 зображені схема розташування світловодів з різних боків кристалізатора, а також їх з'єднання з блоком реєстрації температури і з процесором. На Фіг.4 зображені ще одна схема розташування світловодів з різних боків кристалізатора, а також їх послідовне з'єднання і з'єднання послідовно включених світловодів з блоком реєстрації температури і з процесором. На Фіг.5 схематично зображений вигляд в розрізі лінзового з'єднання. На Фіг.1 зображений приклад виконання винаходу, в якому волоконний світловод 2 в формі меандру встановлений між каналами 6 охолоджування із заднього боку мідної пластини 1 кристалізатора в пазах 4. В прикладі виконання для кращого зображення вибраний волоконний світловод 2 що має декілька точок 3 вимірювання. Природно, точок 3 вимірювання може бути передбачено суттєво більше. Крім того, в цьому прикладі виконання видні піддатливі гвинти 5, в яких були або можуть бути встановлені, наприклад, термоелементи. На цьому прикладі виконання видно, що розширення в напрямку, перпендикулярному напрямку розливання, в порівнянні з установкою термоелементів виключно в піддатливих гвинтах 5 багато разів збільшене, наприклад, подвоєне. Завдяки цьому переважному розташуванню і застосуванню волоконних світловодів 2 якраз може краще контролюватися поява подовжніх тріщин. Це підвищення розширення може бути таким, що навіть вирішує, наскільки інтервали між піддатливими гвинтами 5 в загальному випадку більші радіуса реєстрації температури термоелементами. Таким чином, при акуратному розміщенні термоелементів в піддатливих гвинтах 5 в мідній пластині є зони, що не контролюються за допомогою термоелементів. Розташування волоконних світловодів 2, як це показано на Фіг.1, знімає цю проблему і забезпечує повсюдний контроль температури в мідній пластині кристалізатора 1. Незалежно від цього прикладу виконання волоконні світловоди 2 можна, наприклад, залити в пазах 4 ливарною смолою, однак вони можуть бути закріплені в пазах 4 та іншими звичайними способами. Крім того, можливо, щоб волоконні світловоди 2 з метою вдосконалення захисту від зовнішніх впливів мали корпус з благородної сталі. Крім того, декілька таких волоконних світловодів 2 можуть бути всі встановлені в корпусі або в оболонці з благородної сталі з тим, щоб навіть у випадку дефектів волокна, що зрідка виявляються 2 надалі могло бути 2 UA 98720 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 використане інше волокно 2, вже присутнє в оболонці. Крім того, можливо, щоб в оболонці були встановлені декілька волокон 2 для вимірювання, завдяки чому вимірювання набуває великої точності, оскільки інтервал між точками 3 вимірювання може бути вибраний будь-яким. Волоконні світловоди 2, переважно, можуть мати діаметр між 0,1 і 0,2 мм або інші прийняті діаметри. Діаметр оболонки, наприклад, з благородної сталі, може варіюватися між 0,5 і 6 мм. Діаметр пазів, переважно, може розташовуватися між 1 і 10 мм або залежно від застосування становити навіть декілька сантиметрів. Крім того, для підвищення просторового розрізнення в одному пазу 4 можна встановлювати декілька волоконних світловодів. Завдяки цьому кількість точок 3 вимірювання може бути сильно збільшена. Тим самим розширення в напрямку каналів 6 охолоджування, тобто, в напрямку розливання, в порівнянні із зображенням може бути довільним чином багато разів збільшене, наприклад, подвоєно або потроєно. У загальному випадку за рахунок використання від однієї до двох скловолоконних ліній, або волоконних світловодів, можуть бути замінені разом з кабельною розводкою 60-120 термоелементів. Кількість точок вимірювання в принципі обмежена тільки обчислювальною потужністю системи 10 реєстрації температури. Таким чином, за допомогою відповідної системи 10 реєстрації температури кількість точок вимірювання може бути додатково суттєво збільшена, так що в розрахунку на кожен волоконний світловод 2 можуть бути реалізовані більше 500 точок вимірювання. Завдяки цьому суттєво більш ущільненій кількості точок вимірювання просторове розрізнення може бути ще більш помножено. На Фіг.2 зображений вигляд в розрізі мідної пластини 1' кристалізатора з широкого боку кристалізатора з чергового прикладу виконання винаходу. Внизу зображення видний нижній бік кристалізатора. На зовнішньому боці мідної пластини 1' кристалізатора (вгорі) знаходяться канали 6' охолоджування, між яким знаходяться щілини, або пази 4', в яких в контакті з мідною пластиною кристалізатора встановлені світловоди 2. Світловоди 2 мають в цьому прикладі виконання корпус 7 з благородної сталі, однак в системі вони можуть бути передбачені також без покриття. До того ж декілька світловодів, або волоконних світловодів 2, можуть бути встановлені в такому корпусі 7. Крім того, світловоди 2 в цьому прикладі, переважно, залиті в пазах 4' ливарною смолою. Зображення на Фіг.2 показує не реалістичні відношення розмірів між пазами 4', каналами 6' охолоджування, світловодами 2 і мідною пластиною 1' кристалізатора. Розміри пазів 4', світловодів 2 і каналів 6' охолоджування залежать від спеціально виконаного кристалізатора і можуть бути виконані з розмірами того ж порядку, який вказаний в описі до Фіг.1. На Фіг.3 як приклад зображена схема з'єднань світловодів 2, з'єднаних з системою 10 реєстрації температури. У цьому прикладі виконання волоконні світловоди 2 встановлені з опорного боку 11, з вільного боку 13 і з обох вузьких боків 12, 14 кристалізатора. Ці світловоди окремих боків з'єднані, відповідно, за допомогою світловодних кабелів, або додатковими світловодами, з пристроєм обробки даних. Для з'єднання кожного окремого волоконного світловода 2 з системою 10 реєстрації температури передбачені так звані лінзові з'єднання 9. По вибору між пристроєм обробки даних і волокнами в кристалізаторі може бути ще передбачено значно більше лінзових з'єднань (або не передбачено ніяких), що не здійснює будь-скільки або помітного подальшого впливу на якість сигналу. Можна також передбачити декілька волокон 2 на кожен бік 11, 12, 13, 14 кристалізатора і аналогічним чином з'єднати їх з системою 10 реєстрації температури. Крім того, реєстрацію температури можна передбачити також тільки з одним, з двох або з трьох боків 11, 12, 13, 14 кристалізатора. Система 10 реєстрації температури з'єднана з процесором 20. За допомогою системи 10 реєстрації температури або ж по вибору за допомогою додаткової зовнішньої системи генерується світло лазера, світловод 2, що живить. Дані, зібрані волоконними світловодами 2, за допомогою системи 10 реєстрації температури, перераховуються і стосуються різних місць кристалізатора. Обробка даних може проводитися, наприклад, за відомим способом волоконних решіток Брега (Faser-Bragg-Gitter) (FBG). При цьому способі використовуються відповідні світловоди, які одержують точки вимірювання, що задаються, з періодичною варіацією показника заломлення або решіток з такими варіаціями. Ця періодична варіація показника заломлення призводить до того, що світловод залежно від періодичності певних довжин хвиль в точках вимірювання являє собою діелектричне дзеркало. В результаті зміни температури в точці довжина хвилі Брега змінюється, причому відбивається саме вона. Світло, що не виконує умови Брега, піддається впливу решіток Брега не суттєво. Потім різні сигнали різних точок вимірювання можуть бути розпізнані на основі різниці часів пробігу. Детальна структура таких волоконних решіток Брега, а також відповідних пристроїв обробки даних загальновідомі. 3 UA 98720 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Точність просторової розрізнювальної здатності визначена кількістю точок вимірювання, що задаються. Розмір точки вимірювання може знаходитися в інтервалі 1-5 мм. У порядку альтернативи вимірюванню температури використовується також спосіб "OpticalFrequency-Domain-Reflectometry" (спосіб OFDR) або спосіб "Optical-Time-Domain-Reflectometry" (спосіб OTDR). Обидва цих способи основуються на принципі оптоволоконного зворотного романівського розсіювання, причому використовується та обставина, що точка світловода спричиняє зміну зворотного романівського розсіювання матеріалу світловода. Потім за допомогою пристрою обробки даних, наприклад, рефлектометра Романа, можуть визначатися з просторовим розрізненням значення температур вздовж волокна, причому в цьому способі проводиться усереднення певної довжини світловода. Ця довжина в цей час становить декілька сантиметрів. Різні точки вимірювання, в свою чергу, розрізняються одна від одної на основі різниці часів пробігу. Структура таких систем для обробки вказаними способами загальновідома в тій же мірі, що і необхідні лазери, які генерують світло лазера у волокнах 2. Потім температурні дані з просторовим розрізненням, одержані системою 10 реєстрації температури, переважно, передаються в процесор 20, який відповідно до розподілу температури в кристалізаторі може регулювати параметри розливання, як, наприклад, швидкість розливання або охолоджування і/або інші параметри. На Фіг.4 зображена блок-схема розташування волоконних світловодів 2 в бічних стінках кристалізатора. Правда, на відміну від Фіг.3 світловоди 2 в окремих бічних стінках кристалізатора тепер з'єднані один з одним послідовно. У такому випадку це означає, що волоконний світловод 2 першого вузького боку 12 за допомогою лінзового з'єднання 9 з'єднаний з волоконним світловодом 2 вільного боку 13, а волоконний світловод 2 вільного боку 13 за допомогою лінзового з'єднання 9 з'єднаний з волоконним світловодом 2 другого вузького боку 14, в той час як волоконний світловод 2 другого вузького боку 14 за допомогою лінзового з'єднання 9 з'єднаний з волоконним світловодом 2 опорного боку 11, а волоконний світловод 2 опорного боку 11 за допомогою лінзового з'єднання 9 з'єднаний з системою 10 реєстрації температури. Ясно, що послідовність датчиків чотирьох боків при бажанні може бути вибрана також будь-якою іншою. Завдяки цьому вигляду послідовності, витрати на кабельну розводку знову ж помітно скорочуються. З кожного боку 11, 12, 13, 14 кристалізатора можна використовувати також по декілька волокон 2 і також з'єднати їх послідовно. Крім того, реєстрацію температури можна також передбачити тільки з одного, з двох або з трьох боків 11, 12, 13, 14 кристалізатора. При обробці даних, як на Фіг.3, мова може йти про способи FBG, OTDR або OFDR. Крім того, в загальному випадку для визначення температурного режиму вздовж волокон можуть бути використані і інші відповідні способи. На Фіг.5 як приклад зображений вигляд в розрізі лінзового з'єднання 9, яким воно показано на Фіг.3 і 4. З'єднання 9 складається з двох половин, обидва кінці яких з'єднані з відповідними світловодами 2. Ці з'єднання мають внутрішню лінзову систему, в якій лазерний промінь, що передається при виході з волокна розгалужується, а на іншому боці з'єднання знов фокусується. Між обома половинами з'єднання промінь спрямовується паралельно. При такому з'єднанні передача може здійснюватися одночасно по декількох каналах світловода. Лінзові з'єднання можуть бути також виконані у вигляді так званих штекерних рознімів Outdoor-EBC ("Extended Beam Connector") (зовнішній розширений променевий конектор). Такі з'єднання дуже надійні і не чутливі до будь-яких забруднень. Перелік посилальних позицій 1, 1' кристалізатор, мідна пластина кристалізатора 2 світловод 3 точка вимірювання 4, 4' паз 5 піддатливий гвинт 6, 6' канал охолоджування 7 корпус з благородної сталі 9 лінзове з'єднання 10 система реєстрації температури 11 опорний бік 12 перший вузький бік 13 вільний бік 14 другий вузький бік 20 процесор 60 4 UA 98720 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 35 1. Спосіб вимірювання температури в кристалізаторі ливарної установки, що включає застосування датчиків для вимірювання температури на щонайменше одній мідній пластині кристалізатора (1, 1’), з’єднаних з системою (10) реєстрації температури, причому як датчик використовують щонайменше один волоконний світловід (2), через який пропускають лазерне випромінювання, який відрізняється тим, що на зовнішньому боці мідної пластини (1, 1’) кристалізатора формують пази (4, 4’) між каналами (6, 6’) охолоджування, в яких встановлюють щонайменше один волоконний світловід (2) в корпусі (7) із благородної сталі. 2. Спосіб за п. 1, в якому щонайменше один волоконний світловід (2) встановлюють в формі меандру в пазах (4, 4’) на зовнішньому боці мідної пластини (1, 1’) кристалізатора. 3. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, в якому щонайменше два зміщених по довжині волоконних світловоди (2) встановлюють у відповідних пазах (4, 4’). 4. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, в якому волоконні світловоди (2) встановлюють, відповідно, на опорному боці (11), вільному боці (13) і, відповідно, на кожному з обох вузьких боків (12, 14) кристалізатора. 5. Спосіб за п. 4, в якому світловоди (2) кожного окремого боку (11, 12, 13, 14) з’єднують за допомогою відповідного з’єднання (9), і за допомогою відповідного додаткового окремого світловоду (2) з’єднують з передбаченою системою (10) реєстрації температури. 6. Спосіб за п. 4, в якому світловоди (2) кожного окремого боку (11, 12, 13, 14) за допомогою з’єднань (9) послідовно з’єднують один з одним, а за допомогою додаткового з’єднання (9) - з передбаченою системою (10) реєстрації температури. 7. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, причому лазерне випромінювання за допомогою щонайменше одного з’єднання (9) спрямовують на кристалізатор і одночасно передають по каналах декількох волоконних світловодів (2). 8. Спосіб за будь-яким з пп. 5-7, в якому з’єднання (9) являють собою лінзові з’єднання. 9. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, причому дані системи (10) реєстрації температури передають на процесор (20), який обробляє ці дані і керує з їх допомогою процесом розливання. 10. Кристалізатор для розливання металу, що містить щонайменше одну мідну пластину (1, 1’) кристалізатора, який відрізняється тим, що із зовнішнього боку мідної пластини (1, 1’) кристалізатора передбачені пази (4, 4’) між каналами охолодження (6, 6’), в яких встановлені волоконні світловоди (2) для вимірювання температури. 11. Кристалізатор за п. 10, в якому волоконні світловоди (2) встановлені в пазах (4, 4’) в формі меандру. 12. Кристалізатор за п. 10, в якому щонайменше два волоконних світловоди (2), зміщені по довжині, встановлені у відповідних пазах (4, 4’). 5 UA 98720 C2 6 UA 98720 C2 7 UA 98720 C2 Комп’ютерна верстка А. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8