СПОСОБ И СИСТЕМА ПЕРЕМЕШИВАНИЯ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЕ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЕМ
METHOD AND SYSTEM OF MIXING, DESIGNED TO CONTROL ELECTROMAGNETIC MIXER

Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в общем относится к получению металла и, в частности, к способу и системе перемешивания, предназначенным для управления электромагнитным перемешивателем.
Уровень техники
Для управления режимом протекания металла в кристаллизаторе машины для литья слябов и, как следствие, для контроля качества сляба и готовой продукции используются погружные разливочные стаканы (ПРС). Обычной практикой является подача аргона в ПРС для недопущения его засорения из-за накапливания оксидов на его стенке с внутренней стороны и для управления режимом протекания металла в кристаллизаторе.
Повышение требований к качеству продукции выявило ряд проблем при использовании обычных ПРС, и одной из эффективных мер улучшения протекания металла в кристаллизаторе и, таким образом, повышения качества продукции считается применение стакана с вихревым потоком.
Технология электромагнитного перемешивания металла, протекающего в стакане разливочного устройства, развивается в последние двадцать лет. Принципом работы электромагнитного перемешивателя, установленного с внешней стороны стакана по его окружности, является создание вращающегося магнитного поля в этом стакане. В результате в расплавленном металле, протекающем в этом стакане, возбуждаются вихревые токи. Это приводит к возникновению электромагнитной силы, которая вызывает вращение расплавленного металла, находящегося в ПРС, в горизонтальной плоскости.
В документе CN 100357049С описан стакан с вихревым потоком, возникающим под действием электромагнитной силы. Средство создания вихревого потока под действием электромагнитной силыустановлено на подвижном механизме с внешней стороны стакана по его окружности, этот механизм выполнен с возможностью перемещения из положения при литье.
Сущность изобретения
Хотя перемешивание металла в ПРС при помощи вращающегося/движущегося магнитного поля может оказать благоприятное влияние на качество готовой продукции, авторы настоящего изобретения пришли к выводу, что даже если для перемешивания в ПРС используется электромагнитное перемешивание, необходимо соблюдать ряд дополнительных условий, чтобы имелась возможность повысить качество готовой продукции требуемым образом.
С учетом сказанного выше, задача настоящего изобретения - предложить способ управления электромагнитным перемешивателем, установленным с внешней стороны ПРС по его окружности, который позволяет устранить или по меньшей мере уменьшить проблемы, имеющие место при существующем уровне техники.
Поэтому, согласно первому аспекту настоящего изобретения, предлагается способ управления электромагнитным перемешивателем, установленным вокруг погружного разливочного стакана, ПРС, разливочного устройства, снабженного стопорным стержнем для управления выходом металла в этом разливочном устройстве, причем ПРС выполнен с возможностью выпуска расплавленного металла из разливочного устройства, и электромагнитный перемешиватель выполнен с возможностью создания вращающегося магнитного поля в ПРС, и этот способ содержит этап, на котором управляют электромагнитным перемешивателем таким образом, чтобы он работал, только если расход газа в стопорном стержне находится в первом диапазоне, составляющем 1,5 нл/мин - 20 нл/мин.
Авторы изобретения обнаружили, что при управлении электромагнитным перемешивателем таким образом, чтобы он работал, только если расход газа в стопорном стержне составляет 1,5 нл/мин или более, можно обеспечить более эффективное электромагнитное перемешивание, если сравнивать с ситуацией, когда расход газа является более низким. Помимо этого, авторы изобретения обнаружили, что при работе электромагнитного перемешивателя в ситуации, когда расход газа превышает 20 нл/мин, в ПРС может возникать газовая пробка, что будет оказывать отрицательное влияние на протекание металла в кристаллизаторе и качество продукции. Таким образом, задействование электромагнитного перемешивателя только в случае, когда расход газа находится в первом диапазоне, позволяет обеспечить оптимальное перемешивание в ПРС, что гарантирует, при прочих неизменных условиях, более высокое качество готовой продукции.
Сокращение "нл/мин" - это нормальные литры в минуту. Под "работой" электромагнитного перемешивателя здесь понимается создание им вращающегося магнитного поля, только если расход газа в стопорном стержне находится в указанном первом диапазоне. Электромагнитный перемешиватель имеет обмотки, в которые подается энергия для создания этого вращающегося магнитного поля, поэтому при задействовании электромагнитного перемешивателя в эти обмотки подается энергия, что приводит к созданию вращающегося магнитного поля. Как правило, если электромагнитный перемешиватель не задействуется, энергия в обмотки не подается, либо подается на таком минимальном уровне, который не приводит к созданию этими обмотками вращающегося магнитного поля в расплавленном металле.
Согласно одному варианту, первый диапазон составляет 2 нл/мин - 15 нл/мин. Доказано, что диапазон 2 нл/мин - 15 нл/мин является особенно выгодным в плане возможности повышения качества готовой продукции.
Согласно одному варианту, кроме соблюдения условия, что расход газа в стопорном стержне находится в первом диапазоне, упомянутое управление включает управление электромагнитным перемешивателем таким образом, чтобы он работал, только если выход металла составляет по меньшей мере 1,5 т/мин. Авторы изобретения обнаружили, что применение электромагнитного перемешивания при выходе металла менее 1,5 т/мин может способствовать коалесценции газовых пузырей, приводящей к возникновению газовой пробки в ПРС, что будет оказывать отрицательное влияние на протекание металла в кристаллизаторе и качество продукции.
Согласно одному варианту, упомянутое управление включает управление электромагнитным перемешивателем таким образом, чтобы он работал, только если выход металла составляет по меньшей мере 1,8 т/мин.
Один вариант до этапа управления содержит определение расхода газа в стопорном стержне, причем управление осуществляют на основе определенного расхода газа.
Согласно одному варианту, управление электромагнитным перемешивателем включает обеспечение нахождения контролируемой скорости расплавленного металла в кристаллизаторе в подменисковой зоне во втором диапазоне, составляющем 0,20 м/с - 0,50 м/с.
Согласно одному варианту, второй диапазон составляет 0,25 м/с - 0,45 м/с.
Один вариант содержит определение скорости расплавленного металла в кристаллизаторе в подменисковой зоне, причем управление осуществляют на основе определенной скорости в подменисковой зоне.
Согласно одному варианту, газ представляет собой аргон.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается система перемешивания для процесса получения металла, содержащая электромагнитный перемешиватель, выполненный с возможностью установки вокруг разливочного стакана, ПРС, разливочного устройства, снабженного стопорным стержнем для управления выходом металла в этом разливочном устройстве; и систему управления, выполненную с возможностью управления электромагнитным перемешивателем таким образом, чтобы он работал, только если расход газа в стопорном стержне находится в первом диапазоне, составляющем 1,5 нл/мин - 20 нл/мин.
Согласно одному варианту, первый диапазон составляет 2 нл/мин - 15 нл/мин.
Согласно одному варианту, кроме соблюдения условия, что расход газа в стопорном стержне находится в первом диапазоне, система управления выполнена с возможностью управления электромагнитным перемешивателем таким образом, чтобы он работал, только если выход металла составляет по меньшей мере 1,5 т/мин.
Согласно одному варианту, система управления выполнена с возможностью управления электромагнитным перемешивателем таким образом, чтобы он работал, только если выход металла составляет по меньшей мере 1,8 т/мин.
Согласно одному варианту, система управления выполнена с возможностью управления электромагнитным перемешивателем с обеспечением нахождения контролируемой скорости расплавленного металла в кристаллизаторе в подменисковой зоне во втором диапазоне, составляющем 0,20 м/с - 0,50 м/с.
Согласно одному варианту, второй диапазон составляет 0,25 м/с - 0,45 м/с.
Один вариант содержит источник энергии, который выполнен с возможностью подачи энергии в электромагнитный перемешиватель, причем система управления выполнена с возможностью управления источником энергии с целью управления электромагнитным перемешивателем.
Один вариант содержит датчик, который выполнен с возможностью измерения скорости расплавленного металла в подменисковой зоне в кристаллизаторе, в который опускают ПРС, причем система управления выполнена с возможностью управления источником энергии на основе скорости в подменисковой зоне, измеренной при помощи датчика.
Согласно одному варианту, датчик содержит керамический стержень, который погружают в расплавленный металл, причем датчик выполнен с возможностью измерения крутящего момента, действующего на керамический стержень, и система управления выполнена с возможностью управления источником энергии на основе крутящего момента.
Если говорить в общем, все термины, использованные в Формуле изобретения, должны пониматься в соответствии с их обычным для данной области техники значением, если здесь явным образом не указано иное. Указание элемента, устройства, компонента, средства и т.д. в единственном числе должно восприниматься как указание наличия по меньшей мере одного экземпляра этих элемента, устройства, компонента, средства и т.д., если явным образом не указано иное.
Краткое описание чертежей
Теперь в качестве примера будут описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, со ссылкой на сопровождающие чертежи, из которых:
на Фиг.1 приведена структурная схема системы управления;
на Фиг.2 схематично показан узел для получения металла, включающий систему управления, изображенную на Фиг.1; и
на Фиг.3 приведена технологическая схема способа управления электромагнитным перемешивателем при помощи системы управления, изображенной на Фиг.1.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Теперь настоящее изобретение будет рассмотрено более подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых показаны примерные варианты его осуществления. Но настоящее изобретение может быть воплощено во множестве различных форм, и не должно восприниматься как ограниченное приведенными далее вариантами - эти варианты приведены в качестве примера, чтобы рассмотрение этого изобретения было тщательным и полным, и позволят исчерпывающим образом указать его объем специалистам в данной области техники. В этом описании аналогичные элементы обозначены аналогичными ссылочными номерами.
Настоящее изобретение относится к способу управления электромагнитным перемешивателем при помощи системы управления. Этот способ предназначен для использования в процессе получения металла, как правило, в процессе непрерывного литья, например, процессе получения стали, процессе получения алюминия, процессе получения свинца или процессе получения металлического сплава. Этот способ может быть адаптирован для использования в машине для литья заготовок круглого сечения, машине для литья заготовок квадратного сечения или машине для литья слябов.
Электромагнитный перемешиватель относится к типу электромагнитных перемешивателей, выполненных с возможностью установки вокруг ПРС, разливочного устройства. Как следствие, электромагнитный перемешиватель выполнен с возможностью обеспечивать перемешивание расплавленного металла, протекающего в этом ПРС. Таким образом, электромагнитный перемешиватель относится к типу электромагнитных перемешивателей, проходящих с внешней стороны ПРС в окружном направлении.
Разливочное устройство содержит ПРС и стопорный стержень, имеющий осевой канал, по которому может протекать газ, используемый для управления выходом металла в разливочном устройстве. Как правило, газ представляет собой аргон.
Способ включает управление электромагнитными перемешивателем при помощи системы управления таким образом, чтобы электромагнитный перемешиватель работал, только если расход газа в стопорном стержне находится в первом диапазоне, составляющем 1,5 нл/мин - 20 нл/мин. Первый диапазон, например, может составлять 2 нл/мин - 15 нл/мин. То есть, система управления выполнена с возможностью управления электромагнитным перемешивателем таким образом, чтобы он создавал вращающееся магнитное поле в расплавленном металле, протекающем в ПРС, только если расход газа в стопорном стержне находится в первом диапазоне.
Теперь со ссылкой на Фиг.1 будет описана примерная система управления, выполненная с возможностью управления электромагнитным перемешивателем. Примерная система 1 управления содержит обрабатывающую электрическую схему 3 и носитель 5 информации, содержащий исполняемые компьютером компоненты, которые при их исполнении обрабатывающей электрической схемой 3 обеспечивают выполнение системой 1 управления описанного здесь способа.
В обрабатывающей электрической схеме 3 использован один или в комбинации несколько из следующих подходящих элементов: центральный процессор (CPU), мультипроцессорная система, микроконтроллер, процессор для цифровой обработки сигнала (DSP), проблемно-ориентированная интегральная микросхема (ASIC), логическая матрица с эксплуатационным программированием (FPGA) и т.д., все из которых могут исполнять любую из описанных здесь операций, относящихся к управлению электромагнитным перемешивателем.
Для примера, носитель 5 информации может быть реализован в виде запоминающего устройства, например, оперативного запоминающего устройства (RAM), постоянного запоминающего устройства (ROM), стираемого программируемого постоянного запоминающего устройства (EPROM) и электрически стираемого программируемого постоянного запоминающего устройства (EEPROM), и, более конкретно, в виде энергонезависимого носителя информации, являющегося внешним запоминающим устройством, например, запоминающего устройства с интерфейсом USB, или флеш-памяти, например, CompactFlash.
На Фиг.2 показана примерная среда, в которой работает система 1 управления при управлении электромагнитным перемешивателем. Узел 7 используется в процессе получения металла и содержит разливочное устройство 9, представляющее собой металлургический сосуд, снабженный нижним выпускным отверстием, ПРС 11, обеспечивающий выпуск расплавленного металла из разливочного устройства 9, в частности, через нижнее выпускное отверстие, и стопорный стержень 15. ПРС 11 может быть цельным или составным.
Узел 7 также включает систему перемешивания, содержащую электромагнитный перемешиватель 13, выполненный с возможностью установки с внешней стороны ПРС 11 по его окружности, и систему 1 управления. Система перемешивания также включает источник 17 энергии, который выполнен с возможностью подачи энергии в электромагнитный перемешиватель 13. Источник 17 энергии, например, может представлять собой преобразователь энергии, такой как преобразователь переменного напряжения в переменное напряжение или преобразователь постоянного напряжения в переменное напряжение. Система 1 управления выполнена с возможностью управления источником 17 энергии с целью управления электромагнитным перемешивателем 13. Таким образом можно управлять вращающимся магнитным полем, воздействующим на ПРС 11. Следовательно, можно управлять электромагнитной силой, вызывающей вращение расплавленного металла, протекающего в ПРС 11.
Электромагнитный перемешиватель 13 может быть установлен неподвижно относительно разливочного устройства и относительно ПРС, либо он может быть установлен с возможностью перемещения относительно ПРС. В первом случае электромагнитный перемешиватель установлен без возможности перемещения относительно разливочного устройства и ПРС. В частности, в этом случае электромагнитный перемешиватель прикреплен к неподвижной конструкции, которая является неподвижной относительно разливочного устройства и относительно ПРС. Для примера, эта неподвижная конструкция может представлять собой само разливочное устройство, например, его нижнюю часть, устройство для перекрывания ПРС, прикрепленное к нижней части разливочного устройства, или фиксирующее устройство, как правило, обеспечивающее скрепление и фиксацию двух вытянутых в длину частей ПРС.
Электромагнитный перемешиватель 13 может представлять собой электромагнитный перемешиватель закрытого типа в том смысле, что он не имеет подвижных элементов в части, окружающей ПРС 11. Электромагнитный перемешиватель 13 может содержать закрытую и цельную часть, внутри которой находится ПРС 11, или кольцевую концевую часть, окружающую ПРС 11. В этом случае электромагнитный перемешиватель 13 является нераскрываемым. В результате кольцевая концевая часть является цельной, но при этом необходимо понимать, что эта часть может содержать несколько отдельных компонентов, например, магнитный сердечник и обмотки, намотанные вокруг этого сердечника. Кольцевая концевая часть создает канал для приема ПРС 11. Можно сказать, что этот канал является непрерывным в окружном направлении, то есть, по его внутренней окружности. В случае, если электромагнитный перемешиватель 13 относится к закрытому типу, во время установки его нельзя раскрыть и расположить по окружности ПРС 11 с двух его сторон перед закрыванием. Вместо этого во время установки электромагнитный перемешиватель 13 навинчивают на ПРС 11 в осевом направлении последнего. Часть, окружающая ПРС, создает закрытый в окружном направлении и целостный цилиндрический проход, через который будет проходить ПРС. Закрытая и цельная часть, окружающая ПРС, не имеет подвижных элементов, что увеличивает срок службы электромагнитного перемешивателя. Если сравнивать с электромагнитными перемешивателями открытого типа, можно получить магнитное поле с более высокой напряженностью, и можно уменьшить рассеяние магнитного потока.
Согласно другой модификации, электромагнитный перемешиватель 13 может быть раскрываемым. В этом случае электромагнитный перемешиватель 13 может содержать часть, окружающую ПРС, которая является раскрываемой. Часть, окружающая ПРС, например, может иметь шарниры, или электромагнитный перемешиватель 13 может содержать две разделяемых половины, которые можно расположить вокруг ПРС 11 при их сборке.
Во время использования узла 7 расплавленный металл выпускается в разливочное устройство 9 из ковша. Протеканием расплавленного металла, выходящего из разливочного устройства, можно управлять при помощи ПРС 11, как правило, с использованием стопорного стержня 15. Стопорный стержень 15 имеет отверстие для впуска газа и отверстие для выпуска газа, связанные каналом 15а, проходящим в продольном направлении, чтобы сделать возможным протекание газа в этом стержне из отверстия для впуска газа к отверстию для выпуска газа и затем в ПРС 11, который установлен соосно стопорному стержню 15 и ниже его, если смотреть в направлении потока. Это позволяет управлять протеканием расплавленного металла в ПРС 11 таким образом, чтобы не допустить его засорения. Стопорный стержень 15 дополнительно выполнен с возможностью перемещения по вертикали вверх и вниз для регулирования расхода расплавленного металла, протекающего из разливочного устройства 9 в кристаллизатор 19 через ПРС 11.
Кристаллизатор 19, в который проходит ПРС 11, обеспечивающий выпуск в него расплавленного металла, установлен ниже разливочного устройства 9. В кристаллизаторе 19 происходит частичная кристаллизация расплавленного металла. Частично кристаллизовавшийся металл затем под действием силы тяжести выходит из кристаллизатора 19, обычно проходя через группу валков, обеспечивающих придание определенной формы и охлаждение. Это позволяет получить заготовки круглого и квадратного сечения или слябы.
Теперь со ссылкой на Фиг.3 будет описана работа системы 1 управления. На этапе S1 электромагнитным перемешивателем 13 управляют таким образом, чтобы он работал, только если расход газа в стопорном стержне 15 находится в первом диапазоне, составляющем 1,5 нл/мин - 20 нл/мин, причем в предпочтительном случае первый диапазон составляет 2 нл/мин - 15 нл/мин. Как отмечено выше, это управление обеспечивается при помощи системы 1 управления.
Во время литья выгодно управлять расходом газа таким образом, чтобы он был выше 1,5 нл/мин и предпочтительно составлял по меньшей мере 2 нл/мин, чтобы улучшить протекание металла в кристаллизаторе при наличии электромагнитного перемешивания в ПРС 11. Выгодно управлять расходом газа таким образом, чтобы он был ниже 20 нл/мин и предпочтительно не превышал 15 нл/мин. Сочетание расхода газа выше 20 нл/мин и электромагнитного перемешивания в ПРС может привести к возникновению газовой пробки в ПРС, что будет оказывать отрицательное влияние на протекание металла в кристаллизаторе и качество продукции. Расходом газа можно управлять при помощи системы 1 управления или другого контроллера, предназначенного для управления расходом газа в стопорном стержне 15.
Система 1 управления может быть выполнена с возможностью определения расхода газа, протекающего в стопорном стержне, до выполнения этапа S1. Например, расход газа можно определить на основе измерений с использованием одного или более датчиков расхода газа и/или путем оценки. В этом случае этап S1 управления выполняют с учетом определенного расхода газа.
Помимо этого, при выполнении этапа S1 может учитываться дополнительное ограничение, а именно, ограничение по минимальному выходу металла, который составляет 1,5 т/мин, предпочтительно - 1,8 т/мин. Для этого система 1 управления может быть выполнена с возможностью управления электромагнитным перемешивателем 13 таким образом, чтобы он работал, только если расход газа в стопорном стержне 15 находится в первом диапазоне, и выход металла составляет по меньшей мере 1,5 т/мин, предпочтительно - 1,8 т/мин.
Применение электромагнитного перемешивания в ПРС 11 при выходе менее 1,8 т/мин может способствовать коалесценции газовых пузырей и возникновению газовой пробки в ПРС 11, что будет оказывать отрицательное влияние на протекание металла в кристаллизаторе и качество продукции.
Согласно одному примеру, этап S1 управления электромагнитным перемешивателем 13 может включать обеспечение нахождения контролируемой скорости расплавленного металла в кристаллизаторе в подменисковой зоне во втором диапазоне, составляющем 0,20 м/с - 0,50 м/с, причем в предпочтительном случае второй диапазон составляет 0,25 м/с - 0,45 м/с. В частности, целью управления электромагнитным перемешивателем 13 может быть обеспечение протекания металла в кристаллизаторе по схеме DRF (Double-Roll Flow) и нахождения контролируемой скорости в подменисковой зоне во втором диапазоне. Для достижения этой цели управления система 1 управления может быть выполнена с возможностью управления электромагнитным перемешивателем 13 с использованием источника 17 энергии.
Система перемешивания может также включать датчик 21. Датчик 21 выполнен с возможностью измерения параметров процесса литья, как правило, скорости расплавленного металла в подменисковой зоне, в режиме реального времени. Датчик 21 может быть выполнен с возможностью измерения скорости расплавленного металла в кристаллизаторе 19 в подменисковой зоне. Система 1 управления может быть выполнена с возможностью управления источником 17 энергии и, таким образом, электромагнитным перемешивателем 13 на основе скорости в подменисковой зоне, измеренной при помощи датчика 21, с обеспечением требуемого заданного значения этой скорости.
Датчик 21, например, может включать керамический стержень, который погружают в расплавленный металл, находящийся в кристаллизаторе 19. Датчик 21 может быть выполнен с возможностью измерения крутящего момента, действующего на керамический стержень. Крутящий момент позволяет определить скорость в подменисковой зоне. Система 1 управления может быть выполнена с возможностью оценки крутящего момента, измеренного датчиком 21, и определения на его основе скорости в подменисковой зоне. Система 1 управления может быть выполнена с возможностью управления источником 17 энергии на основе определенной скорости в подменисковой зоне.
В качестве альтернативы описанному выше измерению крутящего момента можно измерять высоту мениска, и система 1 управления может быть выполнена с возможностью оценки этой высоты для определения скорости в подменисковой зоне.
В качестве еще одной альтернативы, можно измерять выход металла в режиме реального времени, либо можно измерять или оценивать выход металла и расход аргона в стопорном стержне 15 и использовать их в качестве основы при управлении электромагнитным перемешивателем 13 при помощи системы 1 управления.
Согласно одному примеру, система 1 управления выполнена с возможностью управления источником 17 энергии таким образом, чтобы электромагнитный перемешиватель 13 обеспечивал вращающееся магнитное поле, создающее в расплавленном металле электромагнитную силу, поворачивающую этот металл по меньшей мере на один оборот и, как правило, более чем на один оборот при его протекании от одного конца ПРС 11 к другому концу в продольном направлении.
Выше настоящее изобретение описано в основных чертах со ссылкой на несколько примеров. Но, как легко поймет специалист в данной области техники, без выхода за пределы объема настоящего изобретения, определенного в пунктах приложенной Формулы изобретения, в равной мере возможны и другие варианты его осуществления, отличающиеся от тех, которые рассмотрены выше.