СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ ЭЛЕКТРОДА
METHOD AND DEVICE TO MEASURE ELECTRODE LENGTH

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу измерения длины электрода или определения положения расходуемого поперечного сечения электрода в электрической печи, в котором измерение производят посредством радиолокации таким образом, что радиолокационное приемо-передающее устройство соединяют, при помощи устройства для подсоединения волновода, с волноводом, расположенным на электроде и проходящим в направлении расхода электрода от конечного поперечного сечения электрода до расходуемого поперечного сечения электрода, причем указанный волновод выполнен в виде волноводного канала или волноводной трубы, и измеряют разность времени между испусканием радиолокационного сигнала и приемом эхо-сигнала, полученного при отражении от точки разрыва непрерывности волновода в расходуемом поперечном сечении электрода. Изобретение относится также к устройству для осуществления этого способа.
Уровень техники
В так называемых «электрических печах» металл плавят в печном сосуде с помощью тепловой энергии, высвобождаемой посредством формирования электрической дуги между электродом и металлом или расплавом. В этом процессе электроды непрерывно расходуются таким образом, что для настройки желаемого расстояния между концом электрода, определяемым расходуемым поперечным сечением, и расплавляемым или расплавленным металлом, электрод следует подавать против направления расхода.
Для соблюдения постоянных условий на протяжении всего процесса плавки необходимо поддерживать указанное расстояние максимально постоянным и определенным таким образом, что подача электрода должна, по возможности, соответствовать интенсивности расхода электрода. Для этого необходимо определять длину электрода или относительное положение расходуемого поперечного сечения относительно поверхности расплава. При этом не является принципиальным расположение поперечного сечения, зависящее от соответствующего способа плавки - расходуемое поперечное сечение может находиться над плавильной ванной или может быть погружено в плавильную ванну.
Известны различные способы для определения длины электрода или расстояния от поверхности расплава до расходуемого поперечного сечения электрода. Так, к примеру, из патентного документа US 4,843,234 известно, как рассчитать длину электрода посредством оптического волноводного устройства, расположенного на электроде или в электроде, путем определения длины электрода как разности длин. Для достижения достаточной точности в US 4,843,234 рекомендуется использовать два отдельных оптических волноводных устройства, что требует соответственно сложной общей конструкции измерительного оборудования. Кроме того, при реализации известного способа необходимо принимать специальные меры защиты оптического волновода от чрезвычайно высоких температур в электрической печи.
В патентном документе ЕР 1181841 B1 приведен способ, в котором расстояние между рабочим торцом электрода и поверхностью расплава обеспечивают путем измерения контрольной длины в системе ходовой подачи электрода. Если не учитывать тот факт, что определение положения рабочего торца электрода или расходуемого поперечного сечения электрода над поверхностью расплава происходит вне зависимости от длины электрода, то для вычисления расстояния требуется последующее вычисление значения разности с учетом значения поправки, возникающей в результате расхода электрода между двумя измерениями. Таким образом, способ, известный из ЕР 1181841 B1, не обеспечивает ни измерение длины электрода, ни определение расстояния между рабочим торцом электрода и поверхностью расплава в текущем положении.
В патентном документе DE 102004022579 A1, который можно рассматривать в качестве ближайшего аналога настоящего изобретения, предлагается способ определения длины расходуемого электрода. Волновод в данном решении является диэлектрическим, т.е. представляет собой непроводящий волновод, служащий для передачи световых волн. Этот способ определения длины основан на модуляции интенсивности синусоидального сигнала. На верхнем конце электрода имеется оптический блок, передающий сигнал синусоидальной формы через диэлектрический волновод к нижней оконечности электрода. Сигнал отражается, при этом ослабление интенсивности сигнала используется для оценки оставшейся длины электрода.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения заключается в создании способа и устройства для текущего измерения длины электрода и определения положения расходуемого поперечного сечения электрода при наименьшем количестве операций.
Вышеуказанная задача решается посредством способа, характеризуемого признаками пункта 1 формулы изобретения, и устройства, характеризуемого признаками пункта 5 формулы изобретения.
В предлагаемом способе измерение выполняют посредством радиолокации таким образом, что радиолокационное приемо-передающее устройство соединяют, при помощи устройства для подсоединения волновода, с волноводом, расположенным на электроде и проходящим в направлении расхода электрода от конечного поперечного сечения электрода до расходуемого поперечного сечения электрода, причем указанный волновод выполнен в виде волноводного канала или волноводной трубы, и измеряют разность времени между испусканием радиолокационного сигнала и приемом эхо-сигнала, полученного при отражении от точки разрыва непрерывности волновода в расходуемом поперечном сечении электрода.
Предлагаемый способ обеспечивает возможность постоянного измерения во время работы электропечи посредством расположенного на электроде волновода. Вследствие сгорания электрода конец волновода непрерывно находится в расходуемом поперечном сечении или, в случае волновода, проходящего за пределами электродной массы, на уровне расходуемого поперечного сечения. Поэтому в предлагаемом способе предусмотрено, чтобы конец волновода мог быть взят в качестве точного контрольного значения для положения расходуемого поперечного сечения и таким образом можно было бы определить также текущую длину электрода при известном положении верхнего конца электрода.
При этом в качестве волновода используют волноводную трубу, проходящую по длине электрода, или волноводную трубу, проходящую внутри электрода. Если предусматривают формирование или размещение волновода внутри электрода, то волновод может быть образован также каналом, выполненным внутри электрода из материала самого электрода, причем стенку указанного канала выполняют с возможностью распространения радиолокационных волн. При этом расположенный в расходуемом поперечном сечении или на одном с ним уровне конец волновода образует точку разрыва непрерывности или точку неоднородности, которая генерирует соответствующий эхо-сигнал электромагнитных волн, используемых в качестве радарных волн. Указанный эхо-сигнал обнаруживают в приемной части радиолокационного приемо-передающего устройства.
В наиболее предпочтительном варианте предлагаемого способа изменяют длину устройства для подсоединения волновода с целью регулирования пространственного расстояния между радиолокационным приемо-передающим устройством, расположенным независимо от электрода, и конечным поперечным сечением электрода. В отличие от случая, когда радиолокационное приемо-передающее устройство располагают в непосредственной близости от конечного поперечного сечения и, тем самым, устройство для подсоединения волновода может быть образовано как соединение, неизменяемое по его продольной протяженности, выполнение устройства для подсоединения волновода с возможностью изменения длины обеспечивает возможность дополнительного относительного позиционирования радиолокационного приемо-передающего устройства относительно конечного поперечного сечения электрода. Таким образом обеспечена также возможность расположения радиолокационного приемо-передающего устройства вне камеры печи в положении, защищенном, в частности, от термической нагрузки, и возможность использования устройства для подсоединения волновода для перекрытия расстояния между положением радиолокационного приемо-передающего устройства, к примеру, жестко определенным относительно стенки печи, и конечным поперечным сечением электрода. В этой связи наиболее целесообразно, если устройство для подсоединения волновода выполнено в виде трубы, соответствующей волноводу по размерам и материалу волновода.
В частности, если для плавки материала в электрической печи используют электрод Содерберга, имеющий сегментированную структуру, то целесообразно изменять эффективную длину волновода в соответствии с наращиванием электрода на конечном поперечном сечении электродными фрагментами, которое производят для замещения израсходованной электродной массы в расходуемом поперечном сечении.
Вне зависимости от того, происходит ли распространение радиолокационных волн в волноводе, расположенном в электродной массе, или в волноводном канале, стенки которого образованы электродной массой, было доказано, что во время работы электрической печи целесообразно подвергать волновод действию ополаскивающего средства, чтобы предотвратить проникновение материала в волновод и образование нежелательных точек разрыва непрерывности внутри волновода. Наиболее целесообразным для создания в волноводе потока,направленного к расходуемому поперечному сечению, оказалось направление на волновод ополаскивающего газа.
Устройство согласно изобретению содержит радиолокационное приемо-передающее устройство, волноводную трубу, расположенную на электроде, и устройство для подсоединения волновода, предназначенное для соединения волноводной трубы с указанным приемо-передающим устройством, причем волноводная труба проходит от конечного поперечного сечения электрода в направлении расхода электрода до расходуемого поперечного сечения электрода.
В предпочтительном варианте осуществления устройство для подсоединения волновода имеет регулируемую длину для создания волноводного соединения между радиолокационным приемо-передающим устройством, расположенным независимо от электрода, и конечным поперечным сечением электрода.
В частности, для использования устройства на электроде Содерберга целесообразно образовать волноводное соединение между устройством для подсоединения волновода и волноводной трубой, причем в указанном соединении верхний осевой конец волноводной трубы выполнен с возможностью скользящего осевого перемещения относительно нижнего осевого конца устройства для подсоединения волновода, что обеспечивает возможность осуществления регулировки относительно положения верхнего осевого конца электрода, которое изменяется в соответствии с конструкцией электрода.
Особенно целесообразно, если для достижения осевой подвижности волноводное соединение выполнено в виде скользящей муфты таким образом, что один конец устройства для подсоединения волновода и один конец волноводной трубы входят в контакт друг с другом. Таким образом можно обеспечить изменяемую длину, которая наименьшим образом будет влиять на характеристики распространения радиолокационных волн между расходуемым поперечным сечением электрода и радиолокационным приемо-передающим устройством.
Для обеспечения однородного распространения радиолокационных волн в волноводе вне зависимости от разрывов непрерывности в структуре электродной массы или для создания воспроизводимых условий для передачи электромагнитных волн в электроде, волновод целесообразно выполняют в виде волноводной трубы, предпочтительно проходящей через электродную массу.
В частности, если измерение проводят на электроде Содерберга, целесообразно изготовить волноводную трубу из волноводных сегментов, соединенных друг с другом посредством, по меньшей мере, одного сегментного соединителя. При этом отдельные волноводные сегменты могут быть так подобраны по длине, что один волноводный сегмент соединен с одним фрагментом электрода Содерберга, соответственно.
При изготовлении волноводной трубы из волноводных сегментов целесообразно, если сегментный соединитель содержит адаптер поперечного сечения для образования непрерывного внутреннего диаметра на переходном участке между двумя волноводными сегментами во избежание разрывов непрерывности в геометрии волноводной трубы, влияющих на распространение радиолокационных волн.
В частности, целесообразно изготовить волноводную трубу из материала, содержащего в основном графит, который не только хорошо подходит для распространения радиолокационных волн, но и обладает особенно высокой жаропрочностью или термоустойчивостью.
В частности, для изменения плотности или проводимости материал трубы может содержать, помимо графита, металлические или минеральные компоненты.
Если волноводная труба обработана пропитывающим составом или снабжена покрытием, то можно предотвратить проникновение в волноводную трубу материала электрода, расплавившегося в процессе сгорания электрода, и тем самым предотвратить ухудшение свойств волновода.
Краткое описание графических материалов
Далее приведен предпочтительный вариант способа с описанием предпочтительного варианта осуществления используемого при этом устройства с ссылкой на чертежи, на которых:
на фиг. 1 изображена электрическая печь, оснащенная электродом Содерберга;
на фиг. 2 приведено увеличенное изображение электрода Содерберга с подсоединенным устройством для измерения длины;
на фиг. 3 приведен увеличенный частичный вид электрода Содерберга по фиг. 2 с устройством для подсоединения волновода на конечном поперечном сечении электрода и с сегментными соединителями, расположенными между волноводными сегментами;
на фиг. 4 приведено увеличенное изображение фрагмента устройства для подсоединения волновода;
на фиг. 5 приведено увеличенное изображение сегментного соединителя.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 изображена электрическая печь 10 с печным сосудом 11, содержащим плавильную ванну 12 с расплавленным металлом. Над плавильной ванной 12 находится электрод 14, расположенный в подающем электрод устройстве 13 и представленный здесь в виде электрода Содерберга. Нижний расходуемый конец 15 указанного электрода погружен в плавильную ванну 12 таким образом, что между поверхностью 16 ванны и расходуемым поперечным сечением 17, образующим нижнее фронтальное поперечное сечение электрода, имеется расстояние t плавки от поверхности плавки (поверхность 16 ванны), находящейся на высоте Η над контрольной точкой О печи. В случае представленного здесь примера реализации электрод 14 имеет конечное поперечное сечение 18 над подающим электрод устройством 13.
Между конечным поперечным сечением 18 и расходуемым поперечным сечением 17 проходит волноводная труба 20 в направлении (направление 19 расхода) непрерывного расхода электрода 14, обусловленного сгоранием электрода. К волноводной трубе 20 посредством устройства 21 для подсоединения волновода подсоединено радиолокационное приемо-передающее устройство 22, которое в данном случае неподвижно закреплено вне камеры 23 электрической печи 10 на внешней стенке 24 электрической печи 10.
Электрод 14, выполненный в настоящем случае в виде электрода Содерберга, состоит из электродных фрагментов 25 электрода, каждый из которых содержит стальное кольцо 26, содержащее внутри углеродную пасту 27, причем указанное углеродное кольцо 27 определяет внешнюю форму. Во время работы электрической печи 10 электрод 14 в текущем положении составляют из электродных фрагментов 25 таким образом, что установка новых фрагментов 25 на соответствующее конечное поперечное сечение 18 верхнего фрагмента 25 происходит с такой же скоростью, с которой происходит расход фрагментов 25 на расходуемом конце 15 электрода 14. Поскольку в соответствии со сгоранием электрода на расходуемом конце 15 электрода 14 происходит подача электрода 14 против направления 19 расхода, положение конечного поперечного сечения 18 существенно изменяется в зоне, соответствующей высоте h фрагмента 25, таким образом, что конечное поперечное сечение 18 перемещается вверх и вниз примерно на расстояние h.
В процессе подачи электрода 14 новые фрагменты 25, установленные на конечное поперечное сечение 18, попадают в зону полюсных башмаков 28, через которые в электрод 14 пропускают электрический ток, который вызывает спекание углеродной пасты 27 и используется для создания неизображенной здесь электрической дуги на расходуемом поперечном сечении 17 электрода 14, что приводит к расходу электрода 14.
На фиг. 2 и 3 изображен электрод 14 с подключенным к нему радиолокационным приемо-передающим устройством 22. Как видно на фиг. 2, величина, измеренная посредством радиолокации при помощи радиолокационного приемо-передающего устройства 22, расположенного неподвижно, то есть, независимо от электрода 14, соответствует относительному положению расходуемого поперечного сечения 17 относительно радиолокационного приемо-передающего устройства 22 при условии, что волноводный конец 29 волноводной трубы 20 находится в плоскости расходуемого поперечного сечения 17. Таким образом, при известной длине l устройства 21 для подсоединения волновода можно непосредственно определить длину L электрода или положение расходуемого поперечного сечения 17. При известном положении расходуемого поперечного сечения 17 с учетом известного положения поверхности расплава (поверхности 16 ванны) простейшим образом можно определить расстояние t плавки (см. также фиг. 1).
На фиг. 4 изображен, в увеличенном виде, переход между устройством 21 для подсоединения волновода по фиг. 3 и волноводной трубой 20 в зоне конечного поперечного сечения 18. Как видно на фиг. 4, волноводное соединение 29 между устройством 21 и волноводной трубой 20 выполнено таким образом, что свободный конец 30 устройства 21 телескопически вставлен в соседний свободный конец 31 волноводной трубы, обеспечивая, таким образом, выполнение волноводного соединения 29 в виде скользящей муфты.
Благодаря телескопической длине Τ устройства 21 для подсоединения волновода, обеспеченной посредством скользящей муфты 29, может быть изменено расстояние от радиолокационного приемо-передающего устройства 22 до конечного поперечного сечения 18 на телескопическую длину Т. Это означает, что если телескопическая длина Τ приблизительно соответствует высоте h фрагмента 25 электрода 14, то, несмотря на неподвижное расположение радиолокационного приемо-передающего устройства 22, возможно поддерживать волноводный контакт между радиолокационным приемо-передающим устройством 22 и концом 31 волноводной трубы 20 в конечном поперечном сечении 18 электрода 14.
На фиг. 5 изображен сегментный соединитель 34, расположенный, соответственно, как показано на фиг. 3, между двумя волноводными сегментами 32, 33 волноводной трубы 20 для непрерывного соединения волноводных сегментов 32, 33. Как подробно показано на фиг. 5, сегментный соединитель 34 по существу представляет собой адаптер 35 поперечного сечения, который имеет внутренний диаметр d, соответствующий волноводным сегментам 32, 33. Соединение адаптера 35 поперечного сечения с волноводными сегментами 32, 33 происходит, соответственно, через трубное резьбовое соединение 36.