Кристалізатор для розливання металу

1. Кристалізатор для розливання металу, який містить множину пристроїв (300) вимірювання температури, які розташовані в стінці (100) кристалізатора та придатні для вимірювання розподілу температури в стінці під час процесу розливання, при цьому пристрої (300) вимірювання температури розташовані в модулі (400) з нерухомим позиціонуванням один відносно одного і утворюють разом з модулем конструктивний блок (500, 500'), при цьому модуль (400, 400') має щонайменше одну виїмку (420) для пристрою вимірювання температури у вигляді отвору або канавки для розміщення одного з пристроїв вимірювання температури, і конструктивний блок (500, 500') для вимірювання розподілу температури закріплений в стінці або на стінці (100) кристалізатора, який відрізняється тим, що пристрої вимірювання температури виконані у вигляді волоконнооптичних температурних датчиків, які забезпечують можливість вимірювання температури за допомогою способу оптичного вимірювання коефіцієнта відбиття методом поєднання прямого і відбитого вимірювальних сигналів (OTDR) або способом з використанням волокон решітки Брега (FBG), при цьому виїмки (420) для пристроїв вимірювання температури розташовані і виконані в модулі (400) так, що волоконно-оптичні датчики розташовані попарно і суміжно в модулі, при цьо 2 (19) 1 3 95591 4 менше частково за допомогою обробки електроерозійним методом. 10. Кристалізатор за будь-яким з пп. 1-9, який відрізняється тим, що модуль і/або кришка для закривання виїмки (120) виготовлені з того ж матеріалу, що і кристалізатор, наприклад, з міді. 11. Кристалізатор за будь-яким з пп. 1-10, який відрізняється тим, що в модулі або на модулі передбачений центральний штекер для прийому і збирання в пучок з'єднувальних провідників (330) всіх вимірювальних температуру пристроїв (300) на модулі (400). 12. Кристалізатор за п. 11, який відрізняється тим, що центральний штекер виконаний у вигляді мультиплексора або у вигляді інтерфейсу шини модуля шини. Винахід стосується кристалізатора для розливання металу з множиною пристроїв вимірювання температури, які розташовані в стінці кристалізатора для вимірювання розподілу температури в стінці під час процесу розливання. Такий кристалізатор з множиною пристроїв вимірювання температури відомий з рівня техніки і розкритий, наприклад, в міжнародній патентній заявці WO 2004/082869 А1. Згідно з розкритою в ній технічною ідеєю, пристрої вимірювання температури встановлені окремо у вигляді термоелементів у відповідні передбачені окремі отвори в кристалізаторі. Окремі термоелементи притискаються за допомогою пружинної сили до основи отвору, з метою забезпечення контакту їх вимірювальних місць з матеріалом кристалізатора. Термоелементи встановлені на різній глибині в пластині кристалізатора. Це доцільно, зокрема, для визначення густини теплового потоку в пластині кристалізатора. Вказаний вигляд окремого монтажу кожного окремого виконавчого елемента в кристалізаторній пластині вимагає великих витрат праці на встановлення. З'єднання термоелементів здійснюється звичайно за допомогою окремого з'єднання Хартінга. При встановленні з'єднання часто ненавмисно пошкоджують, після чого необхідно виконувати складну реконструкцію правильного з'єднання. Проблемою є позиціонування термоелементів один відносно одного. При відстані між термоелементами приблизно лише 10 мм відхилення глибини отвору і тим самим положення вимірювальних вершин термоелементів в напрямку глибини лише на 1 мм вже приводить до 10 % відхилення результату вимірювання. З європейської патентної заявки ЕР 0057627 А2 відомий кристалізатор для розливання металу, в стінці якого розташовано декілька пристроїв вимірювання температури у вигляді термоелементів. Термоелементи розташовані в модулі з нерухомим позиціонуванням один відносно одного і утворюють разом з модулем конструктивний блок. Термоелементи розташовані кожен в окремих виїмках у вигляді отворів в модулі. Виходячи з ЕР 0057627 А2, в основу даного винаходу поставлена задача удосконалення кристалізатора для розливання металу з множиною пристроїв вимірювання температури так, що додатково поліпшується надійність і інформативність результатів вимірювань, що одержуються, зокрема, відносно вимірювання густини теплового потоку. Ця задача вирішена за допомогою ознак пункту 1 формули винаходу. Він передбачає, що пристрої вимірювання температури виконані у вигляді волоконно-оптичних температурних датчиків, які забезпечують можливість вимірювання температури за допомогою способу OTDR (optical time domain reflectometry = оптичне вимірювання коефіцієнта відображення методом поєднання прямого і відображеного вимірювальних сигналів) або способу FBG (Fibre-Bragg-Grating = волоконна решітка Брега), при цьому виїмки для пристроїв вимірювання температури розташовані та виконані в модулі так, що волоконно-оптичні датчики розташовані попарно і суміжно в модулі, при цьому окремі волоконно-оптичні датчики однієї пари розташовані на різній глибині в модулі, відповідно, на модулі. Велика перевага запропонованого конструктивного блока, тобто, модуля з розташованими в ньому пристроями вимірювання температури, полягає в тому, що його можна попередньо монтувати в майстерні виробника вже перед монтажем всього кристалізатора в установці. Попередній монтаж пристроїв вимірювання температури в модулі переважно, забезпечує можливість вільного і точного позиціонування вимірювальних температуру пристроїв один відносно одного, тобто, на бажаній правильній відстані один від одного і на правильній глибині; зокрема, відстані більше не обов'язково задаються відстанями між кріпильними болтами, за допомогою яких водяна сорочка пригвинчується до кристалізатору і, в яких звичайно знаходяться вимірювальні температуру пристрої, зокрема, у вигляді термоелементів. Замість цього попередній монтаж в модулі забезпечує також можливість розташування пристроїв вимірювання температури, відповідно, їх вимірювальних вершин, на такій невеликій відстані один від одного, наприклад, 10 мм, що можливе контролювання без пропусків охолодженої і затверділої заготовки в кристалізаторі відносно утворення подовжніх тріщин і раннього розпізнавання проривів по всій ширині заготовки за рахунок оцінки розподілу вимірюваної температури. Загалом, за рахунок вільного позиціонування пристроїв вимірювання температури зменшуються до мінімуму відхилення результатів вимірювання і тим самим значно збільшується інформативність вимірювання. Потім при остаточному монтажі кристалізатора конструктивний блок, включаючи пристрої вимірювання температури, необхідно лише закріпити у 5 вигляді єдиного цілого в стінці або на стінці. Тому витрати на встановлення пристроїв вимірювання температури, зокрема, при остаточному монтажі кристалізатора, обмежуються до мінімуму. Модуль має виїмку, яка називається надалі виїмкою для пристрою вимірювання температури, для розміщення одного пристрою вимірювання температури. При цьому пристрій вимірювання температури розташований у виїмці для пристрою вимірювання температури так, що його вимірювальна вершина, відповідно, його вимірювальні вершини знаходяться в контакті з, основою або стінкою виїмки. Пристрій вимірювання температури виконаний у вигляді волоконно-оптичного датчика температури, при цьому він виконує вимірювання за допомогою способу OTDR або способу FBG. Волоконно-оптичні датчики температури дуже тонкі; це має ту перевагу, що можна розташовувати багато місць вимірювання температури один поблизу одного, без взаємних впливів і спотворень їх сигналів, відповідно, результатів вимірювання. З метою надійного вимірювання густини теплового потоку пристрою вимірювання температури розташовані в модулі попарно, при цьому обидва пристрої вимірювання температури, зокрема, термоелементи однієї пари, переважно, виступають на різну глибину в модуль, відповідно, в кристалізатор. Відповідно до цього, виїмки для пристроїв вимірювання температури виконані в модулі порізному глибокими. Згідно з першим варіантом виконання винаходу, стінка кристалізатора має виїмку для розміщення конструктивного блока. При цьому необхідно забезпечувати можливо більш оптимальне перенесення тепла між конструктивним блоком і матеріалом кристалізатора. Для цього, з одного боку, важливо, щоб глибина виїмки була узгоджена з глибиною, відповідно, висотою модуля, і, зокрема, між основою або стінкою виїмки в кристалізаторі та поверхнею модуля, відповідно, вимірювальними вершинами вимірювальних пристроїв забезпечувався можливо кращий контакт по великій поверхні, з метою досягнення оптимального перенесення тепла між модулем і стінкою кристалізатора. Перенесення тепла можна поліпшувати, наприклад, за рахунок теплопровідної пасти, яка, однак, повинна витримувати високі температури, які можуть виникати в кристалізаторі під час розливання. Конструктивний блок вбудовується, наприклад, з холодного боку в стінку кристалізатора, відповідно, монтується на стінці. Для того, щоб конструктивний елемент не впливав негативним чином на потік охолоджувального засобу в каналах охолоджування стінки кристалізатора, конструктивний блок в цьому випадку монтується між двома сусідніми каналами охолоджування. Як альтернативне рішення, виїмка для конструктивного блока виконана у вигляді бічного, переважно, горизонтального отвору в стінці кристалізатора між його гарячим боком і основою каналів охолоджування. Для можливо меншого впливу на потік тепла в стінці кристалізатора виїмку після встановлення 95591 6 конструктивного блока знову закривають за допомогою пластинчастої кришки, переважно, урівень із зовнішньою поверхнею стінки кристалізатора. У цьому випадку потік тепла можливий також через кришку. Модуль, відповідно, конструктивний блок і виїмка в холодному боці, відповідно, на холодному боці кристалізатора, переважно, виконуються ступінчасто в напрямку товщини стінки кристалізатора, тобто, упоперек напрямку розливання, відповідно, від холодного до гарячого боку. Рівні, переважно, забезпечують стабілізацію модуля, відповідно, конструктивного блока в кристалізаторі відносно перекидання. Виїмки для пристроїв вимірювання температури в модулі можуть бути виконані, наприклад, у вигляді отвору (ступінчастого або не ступінчастого) або у вигляді канавки на краю модуля. Виконання у вигляді канавки має ту перевагу, що, зокрема, також вимірювальна вершина пристрою вимірювання температури доступна при встановленні в модуль, відповідно, в канавку, і можна забезпечувати контакт вимірювальної вершини з основою, відповідно, дном виїмки для пристрою вимірювання температури. При застосуванні термоелементів їх вимірювальні вершини, переважно, спаяні з основою канавок, з метою гарантування оптимального контакту і перенесення тепла, а також точного позиціонування. Пристрої вимірювання температури фіксуються у виїмках для пристроїв вимірювання температури. Фіксацію можна здійснювати за рахунок вклеєння або затискання пристроїв вимірювання температури у відповідних виїмках. Для вклеєння, переважно, застосовується високотеплостійка смола, наприклад, смола для тензорезисторів (DMS). Як альтернативне рішення, пристрій вимірювання температури можна також затискати у виїмці для пристрою вимірювання температури, у випадку термоелементів, наприклад, за допомогою кільцеподібного конусного гвинта. При цьому у виїмці для пристрою вимірювання температури необхідно передбачати різь зі збігом, що має форму конуса. Термоелемент спрямовує за допомогою кільцеподібного конуса, переважно, з міді, із зовнішньою різзю. Цей конус, відповідно, конусний гвинт затискає нерухомо термоелемент при угвинчуванні і одночасно притискає його до основи отвору за рахунок напрямку угвинчування. Переважно, модуль і його виїмки, відповідно, отвори для термоелементів виконуються за допомогою обробки електроерозійним методом. Для цього особливо придатна вказана форма прямокутного паралелепіпеда, відповідно, ступінчаста форма прямокутного паралелепіпеда. Спосіб виготовлення за допомогою електроерозійної обробки забезпечує ту перевагу, що запобігається утворення задирок і конусності отворів при одночасному дуже точному утримуванні, відповідно, реалізації бажаної глибини отворів. За рахунок одноразового кріплення конструктивного елемента при електроерозійній обробці для виготовлення великої кількості отворів можна обмежувати вартість електроерозійної обробки. 7 Для забезпечення оптимального перенесення тепла, переважно, виконувати модуль з того ж матеріалу, що і сам кристалізатор. Для поліпшення оглядовості проходження кабелів, зокрема, з'єднувальних кабелів термоелементів на модулі, доцільно застосовувати на модулі центральний штекер для з'єднувальних кабелів термоелементів. Такий центральний штекер може бути виконаний у вигляді багатополюсного штекерного з'єднання або ж у вигляді мультиплексора. Як альтернативне рішення, центральний штекер може бути також виконаний у вигляді інтерфейсу шини, відповідно, модуля шини, наприклад, модуля польової шини. У цьому випадку центральний штекер може перетворювати сигнали термоелементів в формат шини. Одночасно інтерфейс шини, відповідно, модуль шини повинен також забезпечувати перетворення в протилежному напрямку, тобто, з формату шини в формат виконавчого сигналу. При застосуванні декількох конструктивних блоків може бути доцільним з'єднувати центральні штекери на окремих конструктивних блоках з центральним штекером, який стоїть вище. При такій конфігурації з'єднання як центральні штекери, так і центральний штекер, який стоїть вище, виконані у вигляді інтерфейсів шини. Через центральні штекери, при необхідності з проміжним включенням центрального штекера, що стоїть вище, можна з'єднувати термоелементи з прийнятним пристроєм оцінки або регулювальним пристроєм. До опису додається в цілому 6 фігур, при цьому на них зображено: фіг.1 - холодний бік кристалізатора з виїмкою, відповідно, з конструктивним блоком, а) на вигляді зверху, b) на вигляді збоку, c) на вигляді спереду; фіг.2 - перший приклад виконання конструктивного блока, згідно з винаходом, в трьох різних проекціях; фіг.3 - перший приклад виконання конструктивного блока, згідно з винаходом, у варіанті виконання з центральним штекером; фіг.4 - другий приклад виконання (ступінчастого) конструктивного блока, згідно з винаходом; фіг.5 - кристалізатор для круглої, прямокутної і квадратної заготовки; і фіг.6 - кристалізатор для заготовки у вигляді балки. Нижче приводиться докладний опис винаходу з посиланнями на вказані вище креслення прикладів виконання. На всіх фігурах однакові елементи позначені однаковими позиціями. На фіг.1а показаний холодний бік кристалізатора, точніше, бічна стінка 100 кристалізатора, на вигляді зверху. Показані охолоджувальні канали 200, які проходять вертикально, а також між охолоджувальними каналами виїмки 120, 120' для конструктивних блоків 500 і 500'. Виїмки 120 і тим самим також можливо вбудовані в них конструктивні блоки 500, відповідно, 500' розташовані між двома сусідніми охолоджувальними каналами. Модулі 500 і 500' зображені на фіг.1а з різною довжиною. Це показує, що конструктивні блоки мо 95591 8 жуть бути передбачені з різною кількістю термоелементів в одній і тій же стінці 100 кристалізатора. На фіг.1b показана в розрізі стінка 100 кристалізатора, згідно з фіг.1а, в напрямку розливання. Показані виїмка 120' для конструктивного блока і охолоджувальний канал 200. Дно виїмки 120 доходить дуже близько до гарячого боку Н стінки 100 кристалізатора. Тим самим забезпечується вимірювання за допомогою термоелементів дійсного розподілу температури поблизу гарячого боку Н кристалізатора можливо більш реалістичним чином. На фіг.1с показаний поперечний переріз стінки 100 кристалізатора, згідно фіг.1а, упоперек напрямку розливання. На цій фігурі наочно показані різні поперечні перерізи виїмок 120 в глибині стінки 100 кристалізатора, а саме, чисто в формі прямокутного паралелепіпеда, без сходинок, згідно з першим прикладом виконання виїмки 120, або зі сходинками, згідно з другим прикладом виконання. При наявності ступінчатості S ширина виїмки 120', відповідно, конструктивного блока 500' вужчає в зоні більшої глибини. На основі цієї ступінчатості досягається вища жорсткість конструктивного блока при встановленні у виїмку. На фіг.2 показаний приклад виконання конструктивного блока 500. Можна бачити, що виїмки 420 для термоелементів 300 виконані в модулі 400 як приклад у вигляді канавок на бічних стінках модуля. Виконання канавок на бічних стінках модуля забезпечує ту перевагу, що термоелементи після введення в канавки є доступними; зокрема, можна при цьому виконанні припаювати вимірювальну вершину 310 термоелементів 300 до основи канавки. Крім того, на фіг.2 показано, що термоелементи розташовані попарно один навпроти одного. Термоелементи, що складають таку пару, виступають на різну глибину в модуль, як випливає з порівняння відстаней А і В між вимірювальними вершинами термоелементів і розташованими на гарячому боці обмеженнями Н' модулів. Ці різні відстані А і В потрібні для надійного розрахунку густини теплового потоку в стінці кристалізатора. На фіг.3 показаний перший приклад виконання модуля, відповідно, конструктивного блока, згідно з фіг.2, з доповненням центрального штекера 600 на модулі 400. Центральний штекер 600 призначений для з'єднання в пучок всіх з'єднувальних кабелів 330 термоелементів 300 на модулі. Він забезпечує можливість передачі всіх сигналів термоелементів через, переважно, лише один, але, можливо, багатожильний вихідний кабель 700. Для цієї мети центральний штекер може бути виконаний, наприклад, у вигляді чотириполюсного штекера. Як альтернативне рішення, штекер може бути також виконаний у вигляді мультиплексора. В іншому альтернативному рішенні центральний штекер може бути також виконаний у вигляді інтерфейсу шини, а кабель 700 може бути виконаний у вигляді провідника шини. Інтерфейс шини, який називається також модулем шини, виконаний в цьому випадку для перетворення сигналів термоелементів в формат, відповідно, протокол відповідної застосовуваної шини. 9 На фіг.4 показаний другий приклад виконання модуля, згідно з винаходом, в цьому випадку зі ступінчастим виконанням. Сходинка показана на фіг.4 у вигляді вертикальних ліній частково суцільних, частково штрихових і позначена позицією S. Особливо наочно сходинка показана на фіг.1а. На фіг.5 показана вимірювальна система кристалізатора для заготовки з круглим, прямокутним або квадратним поперечним перерізом. На фіг.6 показана вимірювальна система для заготовки у вигляді балки. Перелік позицій 100. Стінка кристалізатора 120. Виїмка для конструктивного блока 500 95591 10 120'. Виїмка для конструктивного блока 500' 200. Канал охолоджування 300. Термоелемент 330. З'єднувальний кабель термоелемента 400. Модуль 420. Виїмка для термоелемента 500. Конструктивний блок, згідно з першим прикладом виконання 500'. Конструктивний блок, згідно з другим прикладом виконання 600. Центральний штекер 700. Вихідний кабель А, В. Відстані S. Сходинка 11 95591 12 13 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 95591 Підписне 14 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601