Датчик і спосіб вимірювання рівня поверхні металу в рідкій фазі

Реферат: Винахід стосується датчика (1) для вимірювання рівня поверхні металу в рідкій фазі для установки безперервного розливання, яка містить кристалізатор, що має верхню сторону (3), куди виходить отвір (4), в який подається рідкий метал, і характеризується тим, що цей датчик містить: котушку збудження (7) з повітряним сердечником, орієнтовану перпендикулярно до верхньої сторони (3) кристалізатора і живиться струмом для створення магнітного поля, силові лінії якого поширюються уздовж верхніх силових ліній (14), які відходять від кристалізатора, і вздовж нижніх силових ліній (15), які перекривають верхню сторону кристалізатора і поверхню розплавленого металу; нижню приймальню котушку (8) з повітряним сердечником, паралельну котушці збудження, в якій генерується наведена напруга в результаті дії нижніх силових ліній (15), що змінюються при зміні рівня поверхні розплавленого металу; і верхню приймальню котушку (9) з повітряним сердечником, яка паралельна котушці збудження (8), накладена безпосередньо на нижню приймальню котушку (8) і має однакові з нею геометрію і характеристики, та в якій генерується наведена напруга в результаті дії верхніх силових ліній (14), які, по суті, не зазнають збурень, зумовлених поверхнею розплавленого металу. UA 103525 C2 (12) UA 103525 C2 UA 103525 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Галузь техніки Винахід стосується датчика для виміру рівня металу в кристалізаторі безперервного розливання. Металургійна технологія безперервного розливання полягає в заливанні розплавленого металу в виливницю без дна при температурі близько 1500 °C. Перетин безперервно витягуваного злитку визначається формою кристалізатора. Однією з найважливіших характеристик цієї технології є рівень розплавленого металу в кристалізаторі. Контроль рівня розплавленого металу можна здійснювати традиційним способом за допомогою підвісного електромагнітного датчика, описаного, наприклад, в документі US-A-4, 647,854. Такий датчик містить дві або три окремих та незалежних котушки, кожна з яких паралельна поверхні розплавленого металу. Перша котушка виконує функцію збудження, а друга і третя котушки, поміщені по обидві сторони від першої - вимірювальну функцію. Принцип роботи таких датчиків полягає в наведенні в котушці збудження змінного електричного сигналу, що генерується керуючою електронною схемою, в результаті чого створюється магнітне поле. Зазначене магнітне поле зазнає збурення, сила якого залежить від рівня знаходження в кристалізаторі розплавленого металу. Оскільки напруженість магнітного поля змінюється відповідно до рівня розплавленого металу, напруга, наведена у вимірювальній котушці, яка примикає до розплавленого металу, характеризує рівень металу в кристалізаторі. Напруга, наведена у вимірювальній котушці, що примикає до розплавленого металу, порівнюють з напругою, наведеною в протилежній, а отже, не зазнає збурення, вимірювальної котушки, що дозволяє визначити рівень рідкого металу, виходячи з різниці цих двох наведених напруг. На практиці електромагнітні датчики підвішують над розплавленим металом щоб уникнути виникнення крайових ефектів. При такому розміщенні цих датчиків істотно ускладнюється проведення операцій розливання, оскільки оператори повинні постійно стежити за "чистотою" поверхні розплавленого металу і змушені чинити на неї відповідний вплив. Крім того, у разі заміни труби, по якій розплавлений метал подається в кристалізатор з ковша, що знаходиться перед цим кристалізатором, датчик необхідно просто знімати з кристалізатора. Враховуючи викладені вище ситуації, однією з цілей винаходу є розробка такого електромагнітного датчика для вимірювання рівня розплавленого металу в кристалізаторі безперервного розливання, який міг би бути відведений від поверхні розливання і був би не дуже чутливим до електромагнітних і теплових збурень. Для досягнення зазначеної мети запропонований датчик для вимірювання рівня поверхні металу в рідкій фазі для установки безперервного розливання, яка містить кристалізатор, що має верхню сторону, куди виходить отвір, в який втікає рідкий метал. Крім того, цей датчик містить: - котушку збудження з повітряним сердечником, орієнтовану перпендикулярно до верхньої сторони кристалізатора і живиться струмом для створення магнітного поля, силові лінії якого поширюються уздовж верхніх силових ліній, які відходять від кристалізатора, і вздовж нижніх силових ліній, які перекривають верхню сторону кристалізатора і поверхню розплавленого металу, - нижню приймальну котушку з повітряним сердечником, паралельну котушці збудження, в якій генерується наведена напруга в результаті дії нижніх силових ліній, що змінюються при зміні рівня поверхні розплавленого металу, і - верхню приймальну котушку з повітряним сердечником, паралельну котушці збурення, накладену безпосередньо на нижню приймальню котушку і, яка має однакову з нею геометрію і характеристики, в якій генерується наведена напруга в результаті дії верхніх силових ліній, які, по суті, не зазнають збурень, зумовлених поверхнею розплавленого металу, причому датчик виконаний з можливістю переміщення на верхній стороні кристалізатора поблизу отвору. Таким чином, запропонований вимірювальний датчик з оригінальною структурою, що дозволяє встановити його на постійній основі на кристалізаторі біля краю рідкого металу. Хоча датчик згідно винаходу і не розташовується при цьому над рідким металом, як в традиційних системах, він забезпечує належне вимірювання рівня розплавленого металу. Це стає можливим завдяки особливому компонуванні, при якому котушка порушення та прийомні котушки орієнтовані в площинах, перпендикулярних до поверхні рідкого металу. У результаті в 1 UA 103525 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 пропонованому датчику вдається використовувати магнітне поле, яке паралельно поверхні рідкого металу, рівень якого підлягає визначенню. Крім того, датчик згідно винаходу забезпечений котушками з повітряним сердечником, тобто такими, в яких відсутній феромагнітний сердечник. Такий захід має особливе значення для досягнення потрібної якості вимірювань, оскільки феромагнітні сердечники, використовувані в традиційних датчиках, чутливі до температурних коливань і електромагнітних збурень, а також мають гістерезіс, який надзвичайно ускладнює моделювання їх поведінки. Таким чином, пропонований датчик характеризується нечутливістю до збурень і коливань магнітного і теплового характеру. Переважно, щоб верхня приймальна котушка і нижня приймальня котушка примикали до котушки збудження. Завдяки цьому вдасться отримати компактний датчик, що робить його менш схильним до впливу збурень. Згідно з одним із пропонованих технічних рішень, нижня приймальня котушка і верхня приймальня котушка розташовані симетрично відносно площини симетрії котушки збудження. На практиці датчик має немагнітний і електроізоляційний сердечник, на який намотані електричні дроти, що утворюють котушку порушення та дві прийомні котушки. Передбачено, що в осерді виконана канавка, в якій спірально намотаний електричний провід, який утворює котушку збудження, і дві зістиковані канавки з осями, паралельними один одному і паралельними осі канавки, куди вкладена котушка збудження, в кожній з яких спірально намотаний електричний провід, який утворює прийомну котушку. Для полегшення процесу виготовлення передбачено, щоб сердечник складався з двох стикованих частин, у кожній з яких виконана канавка для приймальні котушки і півканавка для котушки збудження. На практиці кожна з канавок має, по суті, прямокутний профіль. Крім того, датчик має кожух, призначений для забезпечення захисту котушок і засобів електричного приєднання до котушок. Для зведення до мінімуму втрат магнітного поля на вихрові струми верхня і нижня стінки, а також передня стінка кожуха виконані з матеріалу з високим електричним питомим опором. Згідно одного з варіантів, для створення магнітного поля датчик може бути забезпечений пластинами з низьким електричним питомим опором, що служать для облицювання його нижньої і верхньої стінок. Згідно однієї з ознак, до складу датчика включений контур охолодження. Згідно одного з можливих варіантів, вимірювальний датчик може бути з'єднаний з температурним вимірювальним зондом, вміщеним у районі від отвору і призначеним для вимірювання температури мідної пластини кристалізатора. Цей вимір може бути використано для компенсації флуктуацій сигналу датчика, викликаних коливаннями температури в стінці кристалізатора. Температурний зонд може бути також поміщений в стінці кристалізатора. Згідно іншого аспекту винаходу, в ньому запропоновано спосіб вимірювання рівня в установці безперервного розливання, яка містить кристалізатор, що має верхню сторону, куди виходить отвір, в який втікає рідкий метал, який характеризується тим, що цей спосіб включає в себе наступні етапи: - подають напругу на котушку збудження з повітряним сердечником, орієнтовану перпендикулярно до верхньої сторони кристалізатора і що знаходиться поблизу від отвору, для створення магнітного поля, силові лінії якого поширюються уздовж верхніх силових ліній, які відходять від кристалізатора, і вздовж нижніх силових ліній, які перекривають верхню сторону кристалізатора і поверхню розплавленого металу; - вимірюють наведену напруга, що генерується в результаті дії нижніх силових ліній, причому ці останні можуть змінюватися при зміні рівня поверхні розплавленого металу, в нижній приймальній котушці з повітряним сердечником, паралельної котушці збудження; - вимірюють наведену напругу, що генерується в результаті дії верхніх силових ліній, причому ці останні, по суті, не зазнають збурень, зумовлених поверхнею розплавленого металу, у верхній приймальній котушці з повітряним сердечником, паралельно котушці збурення, накладеної на нижню приймальню котушку і має однакові з нею геометрію і характеристики; - порівнюють виміряні наведені напруги в нижній і верхній прийомних котушках і виконують їх цифрову обробку для отримання значення рівня розплавленого металу в кристалізаторі; - вимірюють температуру кристалізатора; - за допомогою цифрової обробки коректують значення рівня розплавленого металу в залежності від температури кристалізатора. Згідно винаходу, передбачається вимір рівня від кристалізатора, що може впливати на якість вимірювання. Для нейтралізації впливу коливань температури кристалізатора передбачений вимір цієї температури і корекція рівня розплавленого металу в залежності від 2 UA 103525 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 температури. Згідно одного з варіантів, може бути також передбачений етап корекції, за допомогою цифрової обробки, значення рівня розплавленого металу в залежності від ширини кристалізатора. Для полегшення засвоєння ідеї винаходу вона розкрито нижче стосовно доданих креслень, на яких як приклад, що не має обмежувального характеру, ілюструється один з варіантів здійснення пропонованого вимірювального датчика. Фіг. 1 є схематичним зображенням вимірювального датчика, вміщеного на частково показаному тут кристалізаторі. Фіг. 2 - вид в аксонометрії сердечника, що входить до складу вимірювального датчика. Фіг. 3 та 4 - види в розрізі каналів охолодження датчика. На фіг. 1 частково зображений кристалізатор. Такі кристалізатори традиційно мають верхню сторону 3 та отвір 4, поперечним перерізом якого визначається перетин злитку, що виходить з кристалізатора 2. Рідкий метал вводиться по подачі трубі (не показана) в отвір 4 кристалізатора 2, при цьому необхідно безперервно вимірювати його рівень з метою контролю витрат подачі рідкого металу. Як показано на фіг. 1, є датчик 1, поміщений у районі від отвору 4. Інакше кажучи, цей датчик змонтований на краю отвору 4, але не нависає над ним. Датчик забезпечений кожухом 5, який може бути виконаний з кераміки або металу. Як видно на фіг. 1, пристрій може мати облицювання з пластин 6 (наприклад, мідне), передбачене на його верхній 5а та нижньої 5b стінках і забезпечує магнітне екранування. Відповідно до іншого варіанту здійснення винаходу, передбачено виконувати верхню і нижню 5а і 5b стінки кожуха безпосередньо з матеріалу, що забезпечує магнітне екранування. Що стосується передньої сторони кожуха, тобто тієї, яка примикає до отворів 4 кристалізатора, то вона може бути переважно виконана з металу з дуже високим питомим електричним опором. Враховуючи, що навколо датчика є досить висока температура, в кожусі 5 може бути передбачена система водяного або повітряного охолодження. На фіг. 3 і 4 продемонстрований контур охолодження, що включає в себе кілька виконаних у цьому кожусі каналів 11, по яких циркулює холодоагент. Кожух 5 може бути закріплений на кристалізаторі за допомогою фланців або гвинтів. На відміну від традиційних датчиків, пропонований датчик виконаний з можливістю установки на кристалізаторі на постійній основі. Усередині кожуха 5 датчик 1 забезпечений трьома котушками, які орієнтовані перпендикулярно до верхньої сторони кристалізатора і, отже, розташовуються також у площинах, перпендикулярних до поверхні рідкого металу. Одна з котушок - це котушка порушення 7, що розташована перпендикулярно до верхньої сторони кристалізатора. Це котушка утворена спіральною обмоткою з електричного провідника, через неї проходить струм низької частоти порядку 400-1200 Гц. Дві інших котушки - це прийомні котушки, які зістиковано у вигляді нижньої приймальної котушки 8 і верхньої прийомної котушки 9. Нижня приймальня котушка 8 і верхня приймальня котушка 9 розташовані симетрично по відношенню до площини симетрії котушки збурення 7. Для більшої простоти на фіг. 1 не показаний сердечник 10, на який намотані котушка збурення та прийомні котушки. Детально він зображений на фіг. 2. На практиці в сердечнику 10 виконують канавку 12, в якій спірально намотаний електричний провід, який утворює котушку збудження 7, і дві зістиковані канавки 13 з осями, паралельними один одному і паралельними осі канавки 12, куди вкладена котушка збудження, в кожній з яких спірально намотаний електричний провід, який утворює прийомну котушку. Слід зазначити, що кожна з котушок 12, 13 має, по суті, прямокутний профіль. Для полегшення процесу виготовлення передбачено, що сердечник складається з двох стикованих частин, у кожній з яких виконана канавка 13 для приймальної котушки і півканавка 12 для котушки збудження. Сердечник 10 виконаний з немагнітного електроізоляційного матеріалу типу кераміки або пластику, стійкого до дії високих температур. У процесі роботи котушка порушення, через яку проходить струм, створює електричне поле всередині котушки і зовні від неї. Верхні силові лінії 14 поширюються, відходячи від кристалізатора через верхню приймальню котушку 9, а нижні силові лінії 15 пронизують кристалізатор 2, і зокрема, ту його частину, де розташована поверхня розплавленого металу, поширюючись через нижню приймальню котушку 8. 3 UA 103525 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Як показано на фіг. 1 пунктиром зміни рівня розплавленого металу призводять до обурення нижніх силових ліній, яке виражається в зміні напруги, наводяться в нижній приймальній котушці 8. Нижня 8 і верхня 9 прийомні котушки з'єднані з електронним блоком обробки, в якому наведені напруги піддаються обробці, посиленню і порівнянню. Завдяки порівнянні з напругою, що наводиться у верхній котушці 9, стає можливим визначити рівень рідкого металу в кристалізаторі. Враховуючи незвичайне розташування котушки збудження та прийомних котушок, можна встановлювати датчик на кристалізаторі по краю випускного отвору. Можна також передбачити, щоб пропонований датчик був забезпечений температурним зондом, який повинен буде переважно перебувати в безпосередній близькості від отвору 4 або в стінці кристалізатора. Зазначений температурний зонд типу термопари або термістора з'єднаний з електронним блоком обробки, для того щоб можна було вводити дані про температуру, а також компенсувати можливі флуктуації виміру, викликані коливаннями температури в стінці кристалізатора. Повинно бути абсолютно очевидно, що винахід не обмежується варіантом здійснення, описаним вище як приклад, що не має обмежувально характеру, а навпаки, охоплює його найрізноманітніші модифікації. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Датчик (1) для вимірювання рівня поверхні металу в рідкій фазі для установки безперервного розливання, яка містить кристалізатор, що має верхню сторону (3), куди виходить отвір (4), в який подається рідкий метал, який відрізняється тим, що датчик містить: - котушку збудження (7) з повітряним сердечником, орієнтовану перпендикулярно до верхньої сторони (3) кристалізатора і живиться струмом для створення магнітного поля, силові лінії якого поширюються уздовж верхніх силових ліній (14), які відходять від кристалізатора, і вздовж нижніх силових ліній (15), які перекривають верхню сторону кристалізатора і поверхню розплавленого металу; - нижню приймальну котушку (8) з повітряним сердечником, паралельну котушці збудження, в якій генерується наведена напруга в результаті дії нижніх силових ліній (15), що змінюються при зміні рівня поверхні розплавленого металу; і - верхню приймальну котушку (9) з повітряним сердечником, яка паралельна котушці збудження (7), накладена безпосередньо на нижню приймальню котушку (8) і має однакові з нею геометрію і характеристики, та в якій генерується наведена напруга в результаті дії верхніх силових ліній (14), які, по суті, не зазнають збурень, зумовлених поверхнею розплавленого металу; - причому котушка збудження та приймальні котушки орієнтовані в площинах, перпендикулярних до поверхні рідкого металу; - при цьому датчик виконаний з можливістю розміщення на верхній стороні (3) кристалізатора на краю отвору (4). 2. Датчик за п. 1, який відрізняється тим, що верхня приймальна котушка (9) і нижня приймальна котушка (8) примикають до котушки збудження (7). 3. Датчик за п. 1 або п. 2, який відрізняється тим, що нижня приймальна котушка (8) і верхня приймальна котушка (9) розташовані симетрично відносно площини симетрії котушки збудження (7). 4. Датчик за будь-яким із пп. 1-3, який відрізняється тим, що він має немагнітний і електроізоляційний сердечник (10), на який намотані електричні дроти, що утворюють котушку збудження (7), і дві приймальні котушки (8, 9). 5. Датчик за п. 4, який відрізняється тим, що в сердечнику (10) виконана канавка (12), в якій спірально намотаний електричний провід, який утворює котушку збудження (7), і дві зістиковані канавки (13) з осями, паралельними одна одній і паралельними осі канавки, куди вкладена котушка збудження (7), в кожній з яких спірально намотаний електричний провід, який утворює приймальну котушку (8, 9). 6. Датчик за п. 4 або п. 5, який відрізняється тим, що сердечник (10) складається з двох стикованих частин (10а, 10b), у кожній з яких виконана канавка (13) для приймальної котушки і півканавка (12) для котушки збудження. 7. Датчик за будь-яким із пп. 4-6, який відрізняється тим, що кожна з канавок (12, 13) має, по суті, прямокутний профіль. 8. Датчик за будь-яким із пп. 1-7, який відрізняється тим, що він має кожух (5), призначений для забезпечення захисту котушок і засобів електричного приєднання до котушок. 4 UA 103525 C2 5 10 15 20 25 30 35 9. Датчик за п. 8, який відрізняється тим, що верхня і нижня стінки (5а, 5b), a також передня стінка (5с) кожуха виконані з матеріалу з високим електричним питомим опором. 10. Датчик за будь-яким із пп. 1-9, який відрізняється тим, що датчик оснащений пластинами (6) з високим магнітним питомим опором, що служать для облицювання його нижньої і верхньої стінок. 11. Датчик за будь-яким з пп. 1-10, який відрізняється тим, що він з'єднаний з температурним вимірювальним зондом, поміщеним у районі краю отвору (4). 12. Датчик за будь-яким з пп. 1-10, який відрізняється тим, що він з'єднаний з температурним вимірювальним зондом, розташованим в стінці кристалізатора. 13. Датчик за будь-яким із пп. 1-12, який відрізняється тим, що він містить контур охолодження. 14. Спосіб вимірювання рівня поверхні металу в рідкій фазі в установці безперервного розливання, яка містить кристалізатор, що має верхню сторону (3), куди виходить отвір (4), в який подається рідкий метал, який відрізняється тим, що спосіб включає в себе наступні етапи: - подають напругу на котушку збудження (7) з повітряним сердечником, орієнтовану перпендикулярно до верхньої сторони кристалізатора і що знаходиться на краю отвору (4), для створення магнітного поля, силові лінії якого поширюються уздовж верхніх силових ліній, які відходять від кристалізатора, і вздовж нижніх силових ліній, які перекривають верхню сторону кристалізатора і поверхню розплавленого металу; - вимірюють наведену напругу, що генерується в результаті дії нижніх силових ліній, що змінюються при зміні рівня поверхні розплавленого металу, в нижній приймальній котушці (8) з повітряним сердечником, паралельній котушці збудження; - вимірюють наведену напругу, що генерується в результаті дії верхніх силових ліній, які, по суті, не зазнають збурень, зумовлених поверхнею розплавленого металу, у верхній приймальній котушці (9) з повітряним сердечником, яка паралельна котушці збудження, накладена на нижню приймальню котушку і має однакові з нею геометрію і характеристики, причому котушка збудження (7) та приймальні котушки (8, 9) орієнтовані в площинах, перпендикулярних до поверхні рідкого металу; - порівнюють виміряні наведені напруги в нижній і верхній приймальних котушках і виконують їх цифрову обробку для отримання значення рівня розплавленого металу в кристалізаторі; - вимірюють температуру кристалізатора; - за допомогою цифрової обробки коректують значення рівня розплавленого металу в залежності від температури кристалізатора. 15. Спосіб за п. 14, який відрізняється тим, що він додатково містить етап корекції, за допомогою цифрової обробки, значення рівня розплавленого металу в залежності від ширини кристалізатора. 5 UA 103525 C2 6 UA 103525 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело 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 7