ДАТЧИК И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА В ЖИДКОЙ ФАЗЕ
SENSOR AND METHOD TO MEASURE LEVEL OF SURFACE OF METAL IN LIQUID PHASE

Изобретение относится к датчику для измерения уровня металла в кристаллизаторе непрерывной разливки.
Металлургическая технология непрерывной разливки состоит в заливке расплавленного металла в изложницу без дна при температуре порядка 1500°С. Сечение непрерывно вытягиваемого слитка определяется формой кристаллизатора.
Одной из важнейших характеристик этой технологии является уровень расплавленного металла в кристаллизаторе.
Контроль уровня расплавленного металла можно осуществлять традиционным способом с помощью подвесного электромагнитного датчика, описанного, например, в документе US-A-4,647,854.
Такой датчик содержит две или три отдельных и независимых катушки, каждая из которых параллельна поверхности расплавленного металла. Первая катушка выполняет функцию возбуждения, а вторая и третья катушки, помещенные по обе стороны от первой, - измерительную функцию.
Принцип работы таких датчиков заключается в наведении в катушке возбуждения переменного электрического сигнала, генерируемого управляющей электронной схемой, в результате чего создается магнитное поле.
Указанное магнитное поле претерпевает возмущения, сила которых зависит от уровня находящегося в кристаллизаторе расплавленного металла.
Поскольку напряженность магнитного поля изменяется в соответствии с уровнем расплавленного металла, напряжение, наведенное в измерительной катушке, которая примыкает к расплавленному металлу, характеризует уровень металла в кристаллизаторе.
Напряжение, наведенное в измерительной катушке, примыкающей к расплавленному металлу, сравнивают с напряжением, наведенным в противоположной, а следовательно, не претерпевающей возмущения измерительной катушке, что позволяет определить уровень жидкого металла, исходя из разности этих двух наведенных напряжений.
На практике электромагнитные датчики подвешивают над расплавленным металлом во избежание возникновения краевых эффектов.
При таком размещении этих датчиков существенно затрудняется проведение операций разливки, поскольку операторы должны постоянно следить за «чистотой» поверхности расплавленного металла и вынуждены оказывать на нее соответствующее воздействие.
Кроме того, в случае замены трубы, по которой расплавленный металл подается в кристаллизатор из ковша, находящегося перед этим кристаллизатором, датчик необходимо просто снимать с кристаллизатора.
Учитывая изложенные выше ситуации, одной из целей изобретения является разработка такого электромагнитного датчика для измерения уровня расплавленного металла в кристаллизаторе непрерывной разливки, который мог бы быть отведен от поверхности разливки и был бы не слишком чувствительным к электромагнитным и тепловым возмущениям.
Для достижения указанной цели предложен датчик для измерения уровня поверхности металла в жидкой фазе для установки непрерывной разливки, содержащей кристаллизатор, имеющий верхнюю сторону, куда выходит отверстие, в которое втекает жидкий металл.
Кроме того, этот датчик содержит:
- катушку возбуждения с воздушным сердечником, ориентированную перпендикулярно к верхней стороне кристаллизатора и питаемую током для создания магнитного поля, силовые линии которого распространяются вдоль верхних силовых линий, которые отходят от кристаллизатора, и вдоль нижних силовых линий, которые перекрывают верхнюю сторону кристаллизатора и поверхность расплавленного металла,
- нижнюю приемную катушку с воздушным сердечником, параллельную катушке возбуждения, в которой генерируется наведенное напряжение в результате действия нижних силовых линий, изменяющихся при изменении уровня поверхности расплавленного металла, и
- верхнюю приемную катушку с воздушным сердечником, параллельную катушке возбуждения, наложенную непосредственно на нижнюю приемную катушку и имеющую одинаковые с ней геометрию и характеристики, в которой генерируется наведенное напряжение в результате действия верхних силовых линий, которые, по существу, не претерпевают возмущений, обусловленных поверхностью расплавленного металла, причем датчик выполнен с возможностью помещения на верхней стороне кристаллизатора вблизи отверстия.
Таким образом, предложен измерительный датчик с оригинальной структурой, позволяющей установить его на постоянной основе на кристаллизаторе у края жидкого металла. Хотя датчик согласно изобретению и не располагается при этом над жидким металлом, как в традиционных системах, он обеспечивает надлежащее измерение уровня расплавленного металла. Это становится возможным благодаря особой компоновке, при которой катушка возбуждения и приемные катушки ориентированы в плоскостях, перпендикулярных к поверхности жидкого металла. В результате в предлагаемом датчике удается использовать магнитное поле, которое параллельно поверхности жидкого металла, уровень которой подлежит определению.
Кроме того, датчик согласно изобретению снабжен катушками с воздушным сердечником, то есть такими, в которых отсутствует ферромагнитный сердечник. Такая мера имеет особое значение для достижения нужного качества измерений, поскольку ферромагнитные сердечники, используемые в традиционных датчиках, чувствительны к температурным колебаниям и электромагнитным возмущениям, а также обладают гистерезисом, который чрезвычайно затрудняет моделирование их поведения. Таким образом, предлагаемый датчик характеризуется нечувствительностью к возмущениям и колебаниям магнитного и теплового характера.
Предпочтительно, чтобы верхняя приемная катушка и нижняя приемная катушка примыкали к катушке возбуждения. Благодаря этому удастся получить компактный датчик, что делает его менее подверженным влиянию возмущений.
В соответствии с одним из предлагаемых технических решений нижняя приемная катушка и верхняя приемная катушка расположены симметрично относительно плоскости симметрии катушки возбуждения.
На практике датчик имеет немагнитный и электроизоляционный сердечник, на который намотаны электрические провода, образующие катушку возбуждения и две приемные катушки.
Предусмотрено, что в сердечнике выполнена канавка, в которой спирально намотан электрический провод, образующий катушку возбуждения, и две состыкованные канавки с осями, параллельными друг другу и параллельными оси канавки, куда вложена катушка возбуждения, в каждой из которых спирально намотан электрический провод, образующий приемную катушку.
Для облегчения процесса изготовления предусмотрено, чтобы сердечник состоял из двух состыкованных частей, в каждой из которых выполнена канавка для приемной катушки и полуканавка для катушки возбуждения.
На практике каждая из канавок имеет, по существу, прямоугольный профиль.
Кроме того, датчик имеет кожух, предназначенный для обеспечения защиты катушек и средств электрического присоединения к катушкам.
Для сведения к минимуму потерь магнитного поля на вихревые токи верхняя и нижняя стенки, а также передняя стенка кожуха выполнены из материала с высоким электрическим удельным сопротивлением.
В соответствии с одним из вариантов для создания магнитного поля датчик может быть снабжен пластинами с низким электрическим удельным сопротивлением, служащими для облицовки его нижней и верхней стенок.
В соответствии с одним из признаков в состав датчика включен контур охлаждения.
В соответствии с одним из возможных вариантов измерительный датчик может быть соединен с температурным измерительным зондом, помещенным вблизи от отверстия и предназначенным для измерения температуры медной пластины кристаллизатора. Этот измерение может быть использовано для компенсации флуктуаций сигнала датчика, вызванных колебаниями температуры в стенке кристаллизатора. Температурный зонд может быть также помещен в стенке кристаллизатора.
В соответствии с другим аспектом изобретения в нем предложен способ измерения уровня в установке непрерывной разливки, содержащей кристаллизатор, имеющий верхнюю сторону, куда выходит отверстие, в которое втекает жидкий металл, характеризующийся тем, что этот способ включает в себя следующие этапы:
- подают напряжение на катушку возбуждения с воздушным сердечником, ориентированную перпендикулярно к верхней стороне кристаллизатора и находящуюся вблизи от отверстия, для создания магнитного поля, силовые линии которого распространяются вдоль верхних силовых линий, которые отходят от кристаллизатора, и вдоль нижних силовых линий, которые перекрывают верхнюю сторону кристаллизатора и поверхность расплавленного металла;
- измеряют наведенное напряжение, генерируемое в результате действия нижних силовых линий, причем эти последние могут изменяться при изменении уровня поверхности расплавленного металла, в нижней приемной катушке с воздушным сердечником, параллельной катушке возбуждения;
- измеряют наведенное напряжение, генерируемое в результате действия верхних силовых линий, причем эти последние, по существу, не претерпевают возмущений, обусловленных поверхностью расплавленного металла, в верхней приемной катушке с воздушным сердечником, параллельной катушке возбуждения, наложенной на нижнюю приемную катушку и имеющей одинаковые с ней геометрию и характеристики;
- сравнивают измеренные наведенные напряжения в нижней и верхней приемных катушках и выполняют их цифровую обработку для получения значения уровня расплавленного металла в кристаллизаторе;
- измеряют температуру кристаллизатора;
- посредством цифровой обработки корректируют значение уровня расплавленного металла в зависимости от температуры кристаллизатора.
Согласно изобретению предусматривается измерение уровня от кристаллизатора, что может оказывать влияние на качество измерения. Для нейтрализации влияния колебаний температуры кристаллизатора предусмотрены измерение этой температуры и коррекция уровня расплавленного металла в зависимости от температуры.
В соответствии с одним из вариантов может быть также предусмотрен этап коррекции, посредством цифровой обработки, значения уровня расплавленного металла в зависимости от ширины кристаллизатора.
Для облегчения усвоения идеи изобретения оно раскрыто ниже применительно к приложенным чертежам, на которых в качестве примера, не имеющего ограничительного характера, иллюстрируется один из вариантов осуществления предлагаемого измерительного датчика.
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение измерительного датчика, помещенного на частично показанном здесь кристаллизаторе.
Фиг.2 - вид в аксонометрии сердечника, входящего в состав измерительного датчика.
Фиг.3 и 4 - виды в разрезе каналов охлаждения датчика.
На фиг.1 частично изображен кристаллизатор. Такие кристаллизаторы традиционно имеют верхнюю сторону 3 и отверстие 4, поперечным сечением которого определяется сечение слитка, выходящего из кристаллизатора 2.
Жидкий металл вводится по подающей трубе (не показана) в отверстие 4 кристаллизатора 2, при этом необходимо непрерывно измерять его уровень с целью контроля расхода подаваемого жидкого металла.
Как показано на фиг.1, имеется датчик 1, помещенный вблизи от отверстия 4. Иначе говоря, этот датчик смонтирован на краю отверстия 4, но не нависает над ним.
Датчик снабжен кожухом 5, который может быть выполнен из керамики или металла. Как видно на фиг.1, устройство может иметь облицовку из пластин 6 (например, медных), предусмотренных по его верхней 5а и нижней 5b стенкам и обеспечивающих магнитное экранирование. В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения предусмотрено выполнять верхнюю 5а и нижнюю 5b стенки кожуха непосредственно из материала, обеспечивающего магнитное экранирование.
Что касается передней стороны кожуха, то есть той, которая примыкает к отверстию 4 кристаллизатора, то она может быть предпочтительно выполнена из металла с очень высоким удельным электрическим сопротивлением.
Учитывая, что вокруг датчика имеет место довольно высокая температура, в кожухе 5 может быть предусмотрена система водяного или воздушного охлаждения. На фиг.3 и 4 продемонстрирован контур охлаждения, включающий в себя несколько выполненных в этом кожухе каналов 11, по которым циркулирует хладагент.
Кожух 5 может быть закреплен на кристаллизаторе с помощью фланцев или винтов. В отличие от традиционных датчиков, предлагаемый датчик выполнен с возможностью установки на кристаллизаторе на постоянной основе.
Внутри кожуха 5 датчик 1 снабжен тремя катушками, которые ориентированы перпендикулярно к верхней стороне кристаллизатора и, следовательно, располагаются также в плоскостях, перпендикулярных к поверхности жидкого металла.
Одна из катушек - это катушка возбуждения 7, которая расположена перпендикулярно к верхней стороне кристаллизатора. Это катушка образована спиральной обмоткой из электрического проводника, через нее проходит ток низкой частоты порядка 400-1200 Гц.
Две остальных катушки - это приемные катушки, которые состыкованы в виде нижней приемной катушки 8 и верхней приемной катушки 9.
Нижняя приемная катушка 8 и верхняя приемная катушка 9 расположены симметрично по отношению к плоскости симметрии катушки возбуждения 7.
Для большей простоты на фиг.1 не показан сердечник 10, на который намотаны катушка возбуждения и приемные катушки. Детально он изображен на фиг.2.
На практике в сердечнике 10 выполняют канавку 12, в которой спирально намотан электрический провод, образующий катушку возбуждения 7, и две состыкованные канавки 13 с осями, параллельными друг другу и параллельными оси канавки 12, куда вложена катушка возбуждения, в каждой из которых спирально намотан электрический провод, образующий приемную катушку.
Следует отметить, что каждая из катушек 12, 13 имеет, по существу, прямоугольный профиль.
Для облегчения процесса изготовления предусмотрено, что сердечник состоит из двух состыкованных частей, в каждой из которых выполнена канавка 13 для приемной катушки и полуканавка 12 для катушки возбуждения.
Сердечник 10 выполнен из немагнитного электроизоляционного материала типа керамики или пластика, стойкого к действию высоких температур.
В процессе работы катушка возбуждения, через которую проходит ток, создает электрическое поле внутри катушки и снаружи от нее.
Верхние силовые линии 14 распространяются, отходя от кристаллизатора через верхнюю приемную катушку 9, а нижние силовые линии 15 пронизывают кристаллизатор 2 и, в частности, ту его часть, где расположена поверхность расплавленного металла, распространяясь через нижнюю приемную катушку 8.
Как показано на фиг.1 пунктиром, изменения уровня расплавленного металла приводят к возмущению нижних силовых линий, которое выражается в изменении напряжения, наводимого в нижней приемной катушке 8.
Нижняя 8 и верхняя 9 приемные катушки соединены с электронным блоком обработки, в котором наведенные напряжения подвергаются обработке, усилению и сравнению.
Благодаря сравнению с напряжением, наводимым в верхней катушке 9, становится возможным определить уровень жидкого металла в кристаллизаторе. Учитывая необычное расположение катушки возбуждения и приемных катушек, можно устанавливать датчик на кристаллизаторе по краю выпускного отверстия.
Можно также предусмотреть, чтобы предлагаемый датчик был снабжен температурным зондом, который должен будет предпочтительно находиться в непосредственной близости от отверстия 4 или в стенке кристаллизатора.
Указанный температурный зонд типа термопары или термистора соединен с электронным блоком обработки, с тем чтобы можно было вводить данные о температуре, а также компенсировать возможные флуктуации измерения, вызванные колебаниями температуры в стенке кристаллизатора.
Должно быть совершенно очевидно, что изобретение не ограничивается вариантом осуществления, описанным выше в качестве примера, не имеющего ограничительно характера, а напротив, охватывает его самые разнообразные модификации.