УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ РАСПЛАВЛЕННОГО ЖИДКОГО МЕТАЛЛА
DEVICE AND METHOD FOR MEASURING MOLTEN METAL LEVEL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к измерению уровня расплавленного жидкого металла, такого как расплавленная сталь, и к способу измерения уровня расплавленного металла с помощью указанного устройства.
Уровень техники
В процессах непрерывного литья расплавленного металла, для того чтобы предотвратить рассеяние теплоты и окисление расплавленного металла, необходимо покрыть расплавленный металл надлежащим количеством порошкового шлака, который образует слой флюсового шлака. Однако во многих процессах уровень жидкого металла также является существенным фактором. Например, уровень жидкой стали в разливочном устройстве (промежуточном ковше) играет некоторую роль в определении момента времени окончания разливки, предотвращающего попадание флюсового шлака в биллет/слябовую заготовку и улучшающего величину «melt-to-shop». Уровень жидкой стали трудно точно измерить, поскольку поверхность жидкой стали покрыта слоем шлака и толщина слоя шлака является неопределенной.
Используемым в качестве традиционного способа измерения уровня жидкого металла, например уровня жидкой стали, хорошо известным средством является метод взвешивания, в котором вычисление и определение уровня жидкой стали основано на взвешивании общей массы разливочного устройства и расплавленной стали (включая слой шлака) и использовании некоторых известных параметров, таких как вес и объем разливочного устройства, плотность жидкой стали и т.п. В таком способе, однако, зачастую нельзя было избежать неточности вычисления уровня жидкости, поскольку в измеренную величину уровня жидкой стали была также включена толщина слоя шлака вследствие точно неизвестного веса шлака. Кроме того, погрешность измерения уровня жидкой стали также является неизбежной, так как футеровка разливочного устройства может быть дюйм за дюймом эродирована расплавленной сталью, что приводит к непредсказуемому изменению величины емкости разливочного устройства. То есть почти невозможно установить точно соответствие между изменением общего веса разливочного устройства и уровнем жидкой стали, и поэтому уровень расплавленной стали, вряд ли, можно вычислить точно.
Способ измерения уровня расплавленной стали в разливочных ковшах был раскрыт в патентном документе DE 2945251 A1 под названием «Измерение уровня жидкой стали в ковшах и т.п. - с помощью лазерного луча, направленного на поверхность под углом к оси системы формирования изображения». В соответствии с указанным патентным документом лазерный луч падает на поверхность слоя шлака, плавающего поверх расплавленной стали так, что на ней образуется яркое лазерное пятно. Положение яркого лазерного луча по высоте определяют с помощью системы формирования изображения, как измеренный уровень расплавленной жидкой стали, а перемещение лазерного пятна в вертикальном направлении показывает изменение уровня жидкой стали. В известном способе, однако, еще остаются проблемы, которые заключаются в том, что измеренная величина уровня расплавленной стали является неточной, поскольку эта измеренная величина точно также включает в себя неопределенную толщину слоя шлака. Кроме того, измеренная величина содержит некоторую ошибку вследствие неровной поверхности слоя шлака.
Вышеупомянутые аналоги не могут обеспечить определение значений толщины слоя шлака, плавающего поверх расплавленного металла. Таким образом, существует острая необходимость в создании способа и устройства для точного измерения толщины слоя шлака и, кроме того, измерения уровня расплавленного металла, например расплавленной стали.
Раскрытие изобретения
Одна из задач настоящего изобретения заключается в том, чтобы решить проблемы, существующие в вышеупомянутых известных методах, и обеспечить устройство для измерения уровня расплавленного жидкого металла, с помощью которого толщина слоя шлака, плавающего поверх расплавленного металла, и уровень жидкого металла, например жидкой стали, могут быть измерены со стабильным результатом и точно.
Для решения поставленной выше задачи в соответствии с настоящим изобретением обеспечивается устройство для измерения уровня расплавленного жидкого металла, которое содержит прибор для измерения изображений, измерительный зонд, подъемный механизм, датчик перемещения, систему обработки данных и указатель для коррекции. Подъемный механизм монтируют на емкости с расплавленным металлом или устанавливают независимо от емкости с расплавленным металлом. Прибор для измерения изображений устанавливают на подъемном механизме или независимо от подъемного механизма, при этом оптическую ось прибора для измерения изображений устанавливают под углом относительно геометрической оси измерительного зонда. Измерительный зонд монтируют на подъемном механизме или независимо от подъемного механизма, при этом измерительный зонд размещают в пределах поля обзора прибора для измерения изображений. Прибор для измерения изображения, подъемный механизм и датчик перемещения соединены с системой обработки данных соответственно.
Предпочтительное техническое решение характеризуется тем, что подъемный механизм содержит привод для подъема, зубчатую передачу для подъема, соединенную с указанными средствами привода, консоль, соединенную с зубчатой передачей для подъема, и фиксатор, неподвижно закрепленный на указанной консоли, с помощью которого измерительный зонд удерживается в вертикальном положении.
2
3
2
3
Предпочтительное техническое решение характеризуется тем, что измерительный зонд изготовлен из высокотемпературных огнеупорных материалов, таких как MgO-C, или AlO-C, или AlO-C-Zr, или MgO-C-Zr, или металл с температурой плавления выше 800°C, и выполнен в виде стержня или трубки, или полоски, при этом общая длина измерительного зонда более чем на 100 мм превышает толщину слоя шлака.
Предпочтительное техническое решение характеризуется тем, что измерительный зонд представляет собой трубку с измерителем температуры, используемую в качестве датчика температуры при функционировании устройства, которую используют одновременно для постоянного измерения температуры и измерения уровня жидкой стали в разливочном устройстве.
2
3
2
3
Предпочтительное техническое решение характеризуется тем, что указатель для коррекции представляет собой кольцеобразный элемент, толщина которого составляет более чем 1 мм, но менее чем 50 мм, а высота составляет более 1 мм, но менее 100 мм, или представляет собой булавовидный, или трубчатый, или удлиненный объект длиной более 10 мм, но менее 1500 мм, и эквивалентным диаметром более 2 мм, но менее 200 мм, выполненный из жаропрочных материалов, таких как AlO-C, или MgO-C, или AlO-C-Zr, или MgO-C-Zr, или из металла, имеющего температуру плавления более 500°C. Указатель коррекции свисает с консоли подъемного механизма, или его прикрепляют к не погруженной в расплав части измерительного зонда, или устанавливают на крышке, или на внутренней стенке емкости с расплавленным металлом, или в подходящем месте независимо от емкости с расплавленным металлом и/или устройства для измерения уровня жидкости, там, где этот указатель может быть опознан и его местонахождение может быть определено с помощью прибора для измерения изображения.
Предпочтительное техническое решение характеризуется тем, что датчик перемещения соединен с подъемным механизмом; датчик перемещения представляет собой работающий на растяжение стержень, или тяговый трос, или датчик резистивного типа, или фотоэлектрический датчик положения, или датчик перемещения изображения.
Предпочтительное техническое решение характеризуется тем, что оптическая ось прибора для измерения изображений установлена под углом в интервале от 15° до 70° относительно геометрической оси измерительного зонда.
Предпочтительное техническое решение характеризуется тем, что прибор для измерения изображений может представлять собой камеру с линейной матрицей или плоской (или объемной) матрицей, камеру со сканированием точечной области или тепловизор.
Предпочтительное техническое решение характеризуется тем, что прибор для измерения изображений размещен в сборе внутри охлаждающей рубашки, а на его переднем торце установлен пыленепроницаемый защитный кожух.
Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить способ точного измерения толщины слоя шлака, плавающего поверх расплавленного металла и, кроме того, уровня расплавленного жидкого металла.
Для решения вышеупомянутых задач в соответствии с настоящим изобретением обеспечивается способ измерения уровня расплавленного металла, включающий следующие стадии:
(1) В соответствии со способом согласно настоящему изобретению обеспечивается устройство для измерения уровня расплавленного жидкого металла, которое содержит прибор для измерения изображений, измерительный зонд, подъемный механизм, датчик перемещения, систему обработки данных и указатель для коррекции. Подъемный механизм прикреплен к емкости с расплавленным металлом или установлен независимо от емкости с расплавленным металлом. Прибор для измерения изображений установлен на подъемном механизме или независимо от подъемного механизма. Оптическая ось прибора для измерения изображения установлена под углом относительно геометрической оси измерительного зонда. Измерительный зонд устанавливают на подъемном механизме или независимо от подъемного механизма, при этом измерительный зонд размещают в пределах поля обзора прибора для измерения изображений. Прибор для измерения изображений, подъемный механизм и датчик перемещения соединены с системой обработки данных.
(2) В процессе работы устройства подъемный механизм перемещает измерительный зонд вниз, погружая его в расплавленный металл, и, когда температура измерительного зонда достигает или приближается к тепловому равновесию с расплавленным металлом и слоем шлака, измерительный зонд с помощью подъемного механизма быстро поднимают вверх, при этом высота подъема превышает толщину слоя шлака, после чего устройство для измерения изображения фиксирует (запечетлевает) тепловые изображения поднятой части измерительного зонда. Тепловые изображения затем передают в систему обработки данных, с помощью которой полученные изображения обрабатывают, анализируют и производят вычисления. И на основе характерного наличия максимального локального градиента температуры на поверхности раздела воздух-шлак и поверхности раздела шлак-расплавленный металл с помощью системы обработки данных могут быть получены значения высоты уровня этих двух поверхностей раздела фаз. Разность полученных значений высот уровней двух указанных поверхностей раздела фаз является как раз толщиной слоя шлака.
(3) Перед началом работы устройства необходимо определить относительную высоту днища емкости с расплавленным металлом в устройстве для измерения уровня жидкого металла, что может быть произведено путем непосредственного измерения уровня расположения днища резервуара, или посредством измерения высоты опускания измерительного зонда, перемещаемого вниз до контакта с днищем резервуара, или искомая высота может быть известна заранее.
(4) В погруженном состоянии измерительного зонда прибор для измерения изображений непрерывно фиксирует полученные изображения в точке пересечения поверхности слоя шлака и измерительного зонда или на пересечении поверхности слоя шлака и внутренней стенки емкости с расплавленным металлом, и затем высота расположения уровня пересечения может быть получена с помощью системы обработки данных посредством обработки изображений, анализа и вычислений.
(5) Уровень расплавленного жидкого металла может быть получен исходя из высоты уровня расположения точки пересечения и толщины слоя шлака, полученных на описанных выше стадиях (4) и (2), или исходя из высот расположения уровней двух поверхностей раздела фаз, измеренных на вышеупомянутой стадии (2), и высоты поднятия измерительного зонда, приводимого в движение подъемным механизмом, которую измеряют с помощью перемещения датчика, и полученные данные вводят в систему обработки данных.
Предпочтительное техническое решение характеризуется тем, что оптическую ось прибора для измерения изображений устанавливают под углом в интервале 15°-70° относительно геометрической оси измерительного зонда.
Предпочтительное техническое решение характеризуется тем, что для измерения толщины слоя шлака на стадии (2) и высоты уровня поверхности слоя шлака на стадии (4) может быть использован один и тот же прибор для измерения изображений или могут быть использованы различные приборы для измерения изображений.
В соответствии с настоящим изобретением измерение уровня жидкости для расплавленного металла включает следующие процессы.
Измерительный зонд, приводимый в движение подъемным механизмом, перемещается вниз и вертикально входит в измеряемый расплавленный металл через поверхность раздела шлак-металл, при этом прибор для измерения изображений фиксирует изображения поверхности слоя шлака вокруг измерительного зонда и тепловые изображения поднятой части измерительного зонда. И в то время как измерительный зонд достигает или приближается к тепловому равновесию с расплавленным металлом и слоем шлака, его быстро поднимают, причем высота поднятия превышает толщину слоя шлака, и прибор для измерения изображения фиксирует тепловые изображения поднятой части измерительного зонда. После этого подъемный механизм перемещает измерительный зонд вниз, вводя его в расплавленный металл и ожидая момента времени следующего подъема. Информацию относительно вышеуказанных изображений передают в систему для обработки данных, где обрабатывают, анализируют и производят вычисления, и исходя из характерного наличия локального градиента температуры на поверхности раздела фаз воздух-шлак и на поверхности раздела фаз шлак-расплавленный металл могут быть получены значения высот расположения уровней двух этих граничных поверхностей. Разность двух указанных высот расположения уровней является как раз толщиной слоя шлака. Уровень расплавленного металла может быть получен путем вычисления в соответствии с полученными значениями высот уровней двух указанных поверхностей раздела фаз, высоты поднятия измерительного зонда, а также уровня нахождения поверхности шлака.
Обычно измерительный зонд находится в состоянии погружения в расплавленный металл. В течение этого времени прибор для измерения изображений может непрерывно фиксировать изображения верхней поверхности слоя шлака вокруг измерительного зонда, а система обработки данных может определять высоту нахождения уровня поверхности слоя шлака. Таким образом, уровень расплавленного металла также может быть получен с использованием величины уровня поверхности шлака и вышеупомянутой полученной толщины слоя шлака.
Для точного измерения уровня жидкого металла с помощью устройства для измерения уровня жидкости до начала его функционирования необходимо определить относительную высоту расположения днища емкости с расплавленным металлом, что может быть произведено за счет непосредственного измерения уровня расположения днища резервуара или путем измерения высоты опускания измерительного зонда, который перемещают вниз до контакта с днищем резервуара, или искомая высота может быть известна заранее.
В предпочтительном воплощении способа согласно настоящему изобретению используемым прибором для измерения изображений является видеокамера. Угол между оптической осью этой камеры и геометрической осью измерительного зонда оказывает большое влияние на разрешающую способность камеры. Чем меньше этот угол, тем меньше разрешающая способность. Наоборот, чем больше угол, тем выше разрешающая способность, но меньше отображенный участок измерительного зонда. Оптимальный интервал указанного угла составляет от 15° до 70°.
Для того чтобы обеспечить стабильность работы прибора для измерения изображения и возможность его функционирования в тяжелых внешних условиях, существующих в месте нахождения прибора, его в собранном состоянии размещают внутри охлаждающей рубашки, а на переднем торце устанавливают пыленепроницаемый кожух.
2
3
2
3
Коэффициент теплопроводности материалов, из которых изготовлен измерительный зонд, и геометрические размеры зонда определяют быстродействие по температуре измерительного зонда, введенного в расплавленный металл, и скорость термодиффузии для зонда в поднятом положении. Чем ниже быстродействие измерительного зонда по температуре, тем продолжительнее время проведения измерений, но тем быстрее скорость исчезновения границ с градиентом температуры в двух указанных позициях поверхностей раздела фаз, когда измерительный зонд поднят, с тем чтобы он уже не мог измерять уровень жидкого металла. И при этом измерительный зонд в соответствии с настоящим изобретением изготовлен из высокотемпературных огнеупорных материалов с подходящей величиной коэффициента теплопроводности, таких как AlO-C, или MgO-C, или AlO-C-Zr, или MgO-C-Zr, или металл с температурой плавления выше 800°C, и выполнен в виде стержня, или трубки, или полоски, при этом общая длина измерительного зонда более чем на 100 мм превышает толщину слоя шлака.
Указатель для коррекции имеет один или несколько характерных опознавательных признаков, свешивается с консоли подъемного механизма или прикреплен к не погруженной в жидкий металл части измерительного зонда, или к крышке емкости с расплавленным металлом, или к его внутренней стенке выше уровня расплавленного металла, или в месте, расположенном независимо от емкости с расплавленным металлом, и/или в устройстве для измерения уровня жидкости, где он может быть опознан, и его место нахождения может быть определено прибором для измерения изображения. Указатель для коррекции предназначен для использования с целью коррекции ошибки измерения, обусловленной изменением относительного положения прибора для измерения изображения и измерительного зонда. При функционировании устройства возможно, что взаимное расположение прибора для измерения изображения и измерительного зонда отклоняется от предварительно заданного взаимного расположения вследствие некоторых причин, таких как вибрация и/или механическая деформация подъемного механизма в условиях высокой температуры, что приведет к изменению положения и/или формы указателя для коррекции на экране для воспроизведения изображений камеры или тепловизора, и без проведения коррекции измеренной величины уровня жидкого металла имеет место некоторая ошибка. Когда такое случайное событие происходит при функционировании устройства, предварительно заданное относительное расположение средства измерения изображения и измерительного зонда может быть вычислено в соответствии с изменением положения и формы указателя для коррекции, например изменением координат расположения, дугообразной кривизны, направления или размеров, и в результате ошибка в измерении уровня жидкости будет скорректирована.
Краткое описание чертежей
Более глубокое понимание настоящего изобретения и многие из его достигаемых преимуществ будут легко понятны из нижеследующего подробного описания предпочтительных примеров воплощений, рассматриваемого со ссылками на сопровождающие чертежи. Однако следует понимать, что настоящее изобретение никоим образом такими примерами не ограничивается.
Фиг.1 - схематическое изображение конструкции одного воплощения устройства для измерения уровня жидкости согласно настоящему изобретению.
Фиг.2 - схематическое изображение конструкции другого воплощения устройства для измерения уровня жидкости согласно настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
Воплощение 1
Как показано на фиг.1, устройство для измерения уровня расплавленной жидкой стали содержит прибор 5 для измерения изображений, измерительный зонд 6, подъемный механизм 1, датчик 11 перемещения, систему 4 обработки данных и указатель 7 для коррекции, который представляет собой металлическое кольцо, прикрепленное к непогруженной части измерительного зонда 6, и используется для коррекции изменения относительного расположения прибора 5 для измерения изображений и измерительного зонда 6. Подъемный механизм 1 прикреплен к внешней стенке разливочного устройства 10 (емкости с расплавленной сталью), предназначенного для непрерывной разливки стали. Измерительный зонд 6 подвешен вертикально на консоли 2 подъемного механизма 1 с помощью фиксатора 3 и может перемещаться вверх и вниз вместе с консолью 2 с помощью приводного электродвигателя для погружения в расплавленную сталь 9 или поднятия из расплавленной стали вверх. Датчик 11 перемещения используют для измерения высоты подъема измерительного зонда 6 и подачи соответствующего сигнала в систему 4 обработки данных. Прибор 5 для измерения изображений также установлен на консоли подъемного механизма 1, и поднятая из расплавленного металла 9 часть измерительного зонда 6 и кольцеобразный указатель 7 для коррекции располагаются в пределах поля обзора прибора 5 для измерения изображения.
В соответствии с настоящим изобретением осуществляют следующие действия по измерению уровня жидкой стали.
Измерительный зонд 6, приводимый в движение подъемным механизмом 1, перемещается вниз и вертикально входит в измеряемую расплавленную сталь 9, находящуюся в разливочном устройстве 10, до предварительно заданной глубины, проходя через поверхность, разделяющую слой 8 шлака и жидкую сталь 9, при этом прибор 5 для измерения изображений фиксирует изображения поверхности слоя 8 шлака вокруг измерительного зонда 6. И когда измерительный зонд 6 достигает или приближается к тепловому равновесию с жидкой сталью 9 и слоем 8 шлака, измерительный зонд 6 быстро поднимают, при этом высота поднятия превышает толщину слоя 8 шлака, и высоту поднятия измеряют с помощью датчика 11 перемещения, а полученные данные передают в систему 4 обработки данных. Одновременно прибор 5 для измерения изображений фиксирует тепловые изображения поднятой части измерительного зонда 6, и затем измерительный зонд 6 вновь вводят в расплавленную сталь 9. Вышеупомянутые изображения передают в систему 4 обработки данных, обрабатывают, анализируют и производят вычисления. В результате могут быть определены высоты уровней поверхности раздела фаз шлак-сталь и поверхности раздела фаз воздух-шлак, и после этого получают толщину слоя шлака. В то время как измерительный зонд 6 находится в состоянии погружения в расплавленную сталь 9, прибор 5 для измерения изображений может непрерывно фиксировать изображения верхней поверхности слоя 8 шлака вокруг измерительного зонда 6, и система обработки данных может определить высоту уровня поверхности слоя шлака. Таким образом, уровень жидкой стали также может быть получен непрерывно исходя из величины уровня поверхности шлака и вышеуказанной полученной толщины слоя шлака или высот уровней указанных двух поверхностей раздела фаз.
В рассматриваемом воплощении прибор 5 для измерения изображений включает в себя ПЗС-детектор с плоской матрицей и оптическую систему (не показана), оптическая ось которой установлена под углом, равным 21°46' относительно геометрической оси измерительного зонда 6. Прибор 5 для измерения изображений размещен в сборе внутри охлаждающей рубашки, и на его переднем торце размещен пыленепроницаемый кожух, с тем чтобы обеспечить надежное функционирование прибора в неблагоприятных условиях высокой температуры и густого слоя пыли.
В рассматриваемом воплощении датчик 11 перемещения представляет собой датчик перемещения с растянутым стержнем, который установлен в подъемном механизме 1. В другом предпочтительном воплощении настоящего изобретения датчик 11 перемещения представляет собой фотоэлектрический кодовый датчик перемещения.
Настоящее изобретение использует трубку для измерения температуры расплавленной стали (такую, как описана в патенте Китая №00120354.1) в качестве измерительного зонда 6, с тем чтобы измерять температуру и уровень жидкой стали в разливочном устройстве. Указанная трубка образована из двойных втулок, имеющих закрытый торец на одном конце и открытый торец на другом конце, причем внутренняя и внешняя втулки изготовлены из керамических материалов, включающих соединение оксида алюминия и углерода, имеющее величину коэффициента теплопроводности 8,7 Вт/м·K и внешний диаметр 85 мм.
В другом предпочтительном воплощении настоящего изобретения измерительный зонд 6 выполнен из соединения магния и углерода и имеет форму стержня с конусообразным нижним концом и диаметр 40 мм.
Воплощение 2
В воплощении 2 настоящего изобретения подъемный механизм 1 установлен на крышке емкости с расплавленным металлом, например разливочного устройства 10, что является предпочтительным при отсутствии условий для его установки на боковой стенке указанной емкости с расплавленным металлом. Прибор 5 для измерения изображений представляет собой камеру со сканированием точечной области, оптическая ось которой установлена под углом 15° относительно геометрической оси измерительного зонда 6. Указатель 7 для коррекции представляет собой кольцеобразный элемент, толщина которого составляет более чем 1 мм и менее чем 50 мм, а высота - более 1 мм и менее 10 мм. Остальные элементы такие же, что и в воплощении 1.
Воплощение 3
В воплощении 3 настоящего изобретения подъемный механизм размещают в подходящем месте независимо от емкости 10 с расплавленным металлом, что является предпочтительным при отсутствии условий для монтажа подъемного механизма в емкости с расплавленным металлом. Прибор 5 для измерения изображений представляет собой камеру с линейным сканированием, оптическая ось которой установлена под углом 70° относительно геометрической оси измерительного зонда 6. Указатель 7 для коррекции представляет собой булавовидный, или трубчатый, или удлиненный элемент, длина которого составляет более 10 мм, но менее 1500 мм, а эквивалентный диаметр составляет более 2 мм, но менее 200 мм. Остальные элементы выполнены такими же, что и в воплощении 1.
Воплощение 4
В воплощении 4 настоящего изобретения, показанном на фиг.2, указатель 7 для коррекции представляет собой грузик отвеса, свисающий с консоли 2 подъемного механизма 1, находящийся в поле обзора прибора 5 для измерения изображения. В качестве прибора 5 для измерения изображения используют тепловизор.
В этом воплощении расплавленным металлом 9 является расплавленная сталь, слой шлака образован из порошкового шлака и покровного флюса, а металлическая емкость 10 представляет собой разливочное устройство. Остальные элементы выполнены такими же, что и в воплощении 1.
Благоприятный положительный эффект настоящего изобретения заключается в следующем. Поскольку изобретение использует измерительный зонд 6, который вводят в расплавленный металл 9 через слой шлака, то при поднятии указанного измерительного зонда 6 из расплавленного металла 9 тепловое изображение дает информацию относительно толщины слоя шлака и, следовательно, позволяет точно определить толщину слоя шлака и обеспечить точное измерение уровня расплавленного металла.
Очевидно, что в свете вышеизложенного описания возможны многочисленные модификации и варианты настоящего изобретения. Следовательно, необходимо понимать, что в объеме приложенных пунктов формулы настоящее изобретение может быть практически осуществлено иным образом, чем описано здесь для конкретных случаев воплощения.