УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ РАСПЛАВЛЕННОЙ СТАЛИ НА БАЗЕ ДЛИННОГО СЦИНТИЛЛЯТОРА
DEVICE FOR MEASUREMENT OF MELT STEEL LEVEL BASED ON LONG SCINTILLATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение касается устройства для измерения уровня расплавленной стали в кристаллизаторе установки непрерывной разливки стали.
Уровень техники
В устройстве для измерения уровня расплавленной стали в кристаллизаторе установки непрерывной разливки стали в качестве приемника обычно используют сцинтиллирующий кристалл (сцинтиллятор) на основе йодида натрия. Как правило, сцинтилляционный счетчик на основе йодида натрия представляет собой цилиндр с торцевым окном. В частности, цилиндрический сцинтиллятор на основе йодида натрия имеет порошок окиси магнии, нанесенный на цилиндрическую поверхность и один торец цилиндра в качестве отражающего фотоны слоя, а также металлический корпус, закрывающий цилиндрическую поверхность и один торец. На другой торец цилиндра нанесен силиконовый гель или гелевый слой, на нем в качестве выходного (т.е. торцевого) окна для излучаемых сцинтиллятором фотонов установлена стеклянная оболочка. С наружной стороны торцевого окна сцинтиллятор соединен со световодом, фотоумножителем и печатной платой, которые расположены друг за другом в корпусе приемника и образуют приемник. Обычно приемник представляет собой цилиндр, установленный в водяную камеру кристаллизатора так, что ось цилиндра направлена примерно горизонтально. Чтобы улучшить чувствительность и диапазон измерений уровня расплавленной стали в кристаллизаторе, в документе US 5564487A в качестве детектора используется большой открытый сцинтиллирующий кристалл на основе йодида натрия, продольная ось которого направлена в водяной камере кристаллизатора вертикально, причем кристалл имеет гель, нанесенный на поверхность в качестве светопроводящего и амортизирующего материала; внутренняя сторона металлического корпуса используется в качестве отражающего слоя, причем металлический корпус является частью корпуса приемника; окно для излучения фотонов также использует гель в качестве светопроводящего и амортизирующего материала. Однако имеются недостатки, в том числе следующие: внутренняя сторона металлического корпуса показывает низкую эффективность при отражении фотонов, поверхность гелевого световода легко загрязняется, а чистить ее трудно, конструкция и сборка приемника довольно сложны и, таким образом, поэтому такой приемник трудно использовать в широких пределах.
Краткое изложение сущности изобретения
Целью изобретения является предложить устройство для измерения уровня расплавленной стали в кристаллизаторе установки непрерывной разливки стали. В устройстве для измерения уровня расплавленной стали, которое без труда может быть установлено в ограниченном внутреннем пространстве водяной камеры кристаллизатора, в качестве детектора используется длинный сцинтиллятор с высокой эффективностью улавливания фотонов, это устройство может быть изготовлено и смонтировано без особого труда. В результате может быть повышена чувствительность измерений и перекрыт весь диапазон измерений уровня расплавленной стали.
Цель изобретения достигается благодаря тому, что в приемнике в качестве детектора используется длинный сцинтиллятор с торцевым окном, причем продольная ось длинного сцинтиллятора смонтирована вертикально, и длинный сцинтиллятор снабжен изогнутым световодом и отражающим слоем окиси магния.
Цель данного изобретения достигается также благодаря тому, что в приемнике в качестве детектора используется длинный сцинтиллятор с боковым окном, причем продольная ось длинного сцинтиллятора смонтирована вертикально, и длинный сцинтиллятор снабжен отражающим слоем, включающим в основном окись магния, и стеклянным окном на одной боковой стенке.
Длинный сцинтиллятор с боковым окном может быть разделен на две секции вдоль бокового окна. Для длинной секции без бокового окна и двух торцов длинного сцинтиллятора в качестве отражающего слоя применяется окись магния; для короткой секции с боковым окном в качестве отражающего слоя цилиндрической поверхности применяется фторопласт.
В соответствии с обычным подходом пространство между металлическим корпусом приемника и крупным открытым сцинтиллирующим кристаллом на основе йодида натрия, продольная ось которого установлена вертикально в водяной камере, заполнена гелевой прослойкой в качестве светопроводящего и амортизирующего материала, а внутренняя сторона металлического корпуса используется в качестве отражающего фотоны слоя. Однако внутренняя сторона металлического корпуса показывает низкую эффективность отражения фотонов, в частности в случае крупного сцинтиллирующего кристалла, в котором фотоны, прежде чем достичь выходного окна, несколько раз ударяются о внутреннюю сторону металлического корпуса. Кроме того, слой геля должен полностью покрывать крупный сцинтиллирующий кристалл на основе йодида натрия, и он должен быть объединен со световодом из того же материала, что весьма усложняет конструкцию и монтаж приемника. Вдобавок гелевые световоды имеют тенденцию к притягиванию загрязнений к поверхности, и их трудно чистить, что в свою очередь негативно влияет на пропускание света. В соответствии с изобретением основательно закрытый длинный сцинтиллятор (например, сцинтиллятор на основе йодида натрия) с торцевым окном смонтирован в качестве детектора в водяной камере кристаллизатора в направлении ее продольной оси, а в качестве отражающего слоя длинного сцинтиллятора обычно используется окись магния. Кроме того, протоны, излученные из торцевого окна, посредством изогнутого световода соединены с фотоумножителем, ось которого направлена горизонтально. К тому же печатные платы, включая схему высоковольтного источника питания, а также схему усиления и формирования, соединены друг за другом после фотоумножителя. Таким образом, общая высота приемника уменьшена, поэтому в ограниченном внутреннем пространстве водяной камеры кристаллизатора может быть помещен длинный сцинтиллятор на основе йодида натрия, перекрывающий весь диапазон измерений уровня стали в кристаллизаторе, и может быть увеличена чувствительность измерений. К тому же отражающий слой из окиси магния отражает фотоны с большей эффективностью выше, чем внутренняя сторона корпуса приемника, фотоны которого, прежде чем достичь выходного окна, должны пройти через гелевый слой, в частности в случае длинного сцинтиллятора, в котором фотонам приходится сталкиваться с боковыми стенками несколько раз. Кроме того, закрытый сцинтиллятор (например, сцинтиллятор на основе йодида натрия) с торцевым окном и окисью магния в качестве отражающего слоя нетрудно приобрести, сохранить прозрачность стеклянного торцевого окна сцинтиллятора несложно. Такой сцинтиллятор легко перевозить, хранить и монтировать в приемник. Конструкция приемника при таком типе сцинтиллятора также сравнительно проста.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения продольная ось длинного сцинтиллятора с торцевым окном смонтирована вертикально в водяной камере кристаллизатора, в качестве отражающего слоя длинного сцинтиллятора обычно используется окись магния, а стеклянное окно предусмотрено на одной боковой стенке. Окно для излучения фотонов длинного сцинтиллятора с торцевым окном соединено с фотоумножителем, ось которого направлена горизонтально. Следовательно, изогнутые световоды могут быть исключены, и общая высота приемника, смонтированного вертикально в водяной камере кристаллизатора, может быть уменьшена в еще большей степени.
Для длинной секции без бокового окна и двух торцов длинного сцинтиллятора с боковым окном в качестве отражающего слоя используется окись магния, следовательно, эффективность улавливания фотонов основной частью длинного сцинтиллятора может быть существенно повышена; для остальной части длинного сцинтиллятора в качестве отражающего слоя применяется фторопласт, который обеспечивает большую эффективность отражения фотонов, чем металлическая поверхность, а пространство между фторопластом и длинным сцинтиллятором заполнено силиконовым маслом в качестве материала для оптической связи, следовательно, для длинного сцинтиллятора может быть гарантирована более высокая общая эффективность улавливания фотонов.
Описанный выше способ сборки закрытого длинного сцинтиллятора с торцевым окном и окисью магния в качестве отражающего слоя, так же как способ сборки длинного сцинтиллятора с боковым окном, в основном с окисью магния в качестве отражающего слоя и стеклянным окном на боковой стенке, может быть применен к сцинтилляторам на основе йодида натрия, йодида цезия, ортогерманата висмута (BGO) и органических сцинтилляторов любого вида.
Краткое описание чертежей
Изобретение иллюстрируют фиг.1-3.
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее установку устройства для измерения уровня расплавленной стали в кристаллизаторе, в котором применяется длинный сцинтиллятор на основе йодида натрия с торцевым окном и изогнутый световод.
Фиг.2 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее установку устройства для измерения уровня расплавленной стали в кристаллизаторе, в котором применяется длинный сцинтиллятор на основе йодида натрия с боковым окном.
Фиг.3 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее устройство длинного сцинтиллятора на основе йодида натрия с боковым окном.
Подробное описание изобретения
Первый вариант реализации изобретения показан на фиг.1. На фиг.1 приемник 101 помещен в монтажную коробку 102 в водяной камере 107 кристаллизатора на одной из боковых сторон кристаллизатора 105. Внутри водяной камеры 107 через фланец 106 кристаллизатора 105 в монтажной коробке 104 в вертикальном положении смонтирован цилиндрический контейнер 103 источника. При функционировании устройства для измерения уровня расплавленной стали в кристаллизаторе 105 возле одной из боковых поверхностей медной трубы 108 в контейнере 103 расположен точечный источник 103а цезия-137, облучающий длинный сцинтиллятор 101f на основе йодида натрия, смонтированный в вертикальном положении в приемнике 101, расположенном возле противоположной боковой поверхности медной трубы 108а. Сцинтиллятор 101f на основе йодида натрия представляет собой закрытый длинный сцинтиллятор с торцевым окном и окисью магния в качестве отражающего слоя. Фотоны, созданные при взаимодействии гамма-лучей у из точечного источника целия-137 103а и сцинтиллятора 101f на основе йодида натрия, излучаются в изогнутый световод через слой 101g силиконового геля на торцевом окне сцинтиллятора 101f на основе йодида натрия. Слой 101g силиконового геля применяется в качестве материала для оптической связи. Изогнутый световод включает прозрачное стекло 101h и политетрафторэтиленовый (ПТФЭ) рефлектор 101i, причем каждый из этих элементов имеет наклонную поверхность, нормаль к которой образует с вертикальной линией угол 45°. Эти две наклонные поверхности соединены силиконовым маслом, используемым в качестве материала для оптической связи. Фотоны отклоняются наклонными поверхностями и через слой 101k силиконового геля, используемого в качестве материала для оптической связи, переносятся в фотоумножитель 101l, ось которого направлена горизонтально. Электронные сигналы, возбужденные фотонами в фотоумножителе 101l, усиливаются и формируются при помощи печатной платы 101n, соединенной последовательно с фотоумножителем 101l, и передаются в процессор сигналов (процессор на чертеже не показан) через штепсельные розетки 101о и 101р и сигнальный кабель 101s. Процессор сигналов обрабатывает усиленные и сформированные электронные сигналы и вырабатывает значение, соответствующее уровню 110 расплавленной стали 109. Благодаря использованию изогнутого световода 101h и 101i фотоумножитель 101l, печатная плата 101n, а также розетки 101о и 101р могут позиционироваться в приемнике 101 в горизонтальном положении. Поэтому общая высота приемника 101 уменьшена, так что в ограниченном внутреннем пространстве водяной камеры кристаллизатора может быть использован сравнительно длинный сцинтиллятор на основе йодида натрия, перекрывающий весь диапазон R измерений уровня стали в кристаллизаторе, и может быть увеличена чувствительность измерений. Основная часть корпуса приемника 101 содержит вертикальный цилиндр 101е и горизонтальный цилиндр 101q, приваренные друг к другу. Приемник 101 собирают следующим образом: вставляют выступающую часть прозрачного стекла 101h в выемку ПТФЭ-рефлектора с тем, чтобы образовать поворотный световод, наносят слои силиконового геля с использованием силиконового масла 101g и 101k на две прозрачные поверхности световода, устанавливают световод на эластичную подкладку 101j в вертикальном цилиндре 101е; помещают сцинтиллятор с демпфирующим кольцом 101с в вертикальный цилиндр 101е, навинчивают верхнюю крышку 101а с уплотнительным кольцом 101d на вертикальный цилиндр 101е после монтажа упорного подшипника 101b на сцинтилляторе 101f, чтобы предотвратить вращение сцинтиллятора 101f, и, наконец, монтируют в горизонтальном цилиндре 101q фотоумножитель 101l с демпфирующим кольцом 101m круглого сечения, печатную плату 101n, а также розетки 101о и101р вместе с кабелем 101s. Приемник 101 имеет несложную конструкцию, собрать его нетрудно. Приемник 101 позиционируется в монтажной коробке 102 при помощи рукоятки 101r. Защитный свинцовый экран 103b в цилиндрическом контейнере 103 источника экранирует точечный источник 103а цезия-137. Быстрая установка и снятие контейнера 103 источника могут быть осуществлены благодаря использованию рукоятки 103с контейнера 103, при этом также увеличивается рабочее расстояние от точечного источника 103а. При помощи рукоятки 103с контейнер 103 с источником может быть повернут в монтажной коробке 104 на 180°, таким образом, точечный источник 103а с цезием-137 помещается между свинцовым экраном 103b в контейнере 103 с источником и дополнительным экраном 111 в кристаллизаторе 105, а мощность дозы облучения, когда перед разливкой оператор протягивает руки в медную трубу кристаллизатора, уменьшается.
Второй вариант реализации изобретения показан на фиг.2. На фиг.2 приемник 201 помещен в монтажную коробку 202 в водяной камере 207 кристаллизатора на одной из боковых сторон кристаллизатора 205. Внутри водяной камеры 207 через фланец 204 кристаллизатора 205 в монтажной коробке 204 в вертикальном положении смонтирован цилиндрический контейнер 203 с источником. При функционировании устройства для измерения уровня расплавленной стали в кристаллизаторе в кристаллизаторе 205 возле одной из боковых поверхностей медной трубы 208 в контейнере 203 расположен точечный источник 203а с цезием-137, облучающий длинный сцинтиллятор 201f на основе йодида натрия, смонтированный в вертикальном положении в приемнике 201, расположенном возле противоположной боковой поверхности медной трубы 208а. Отражающий слой сцинтиллятора 201f в основном изготовлен из окиси магния, а длина сцинтиллятора 201f перекрывает весь диапазон R измерения уровня расплавленной стали. На одной из боковых стенок сцинтиллятора 201f имеется стеклянное окно для излучения фотонов. Фотоны, созданные при взаимодействии между гамма-лучом и сцинтиллятором 201f, через выходное окно и слой 201h силиконового геля излучаются в фотоумножитель 201j, ось которого направлена горизонтально. Слой 201h силиконового геля применяется в качестве материала для оптической связи. Фотоумножитель 201j оснащен демпфирующим кольцом 201i круглого сечения. Электронные сигналы, возбужденные фотонами в фотоумножителе 201j, усиливаются и формируются при помощи печатной платы 201k, соединенной последовательно с фотоумножителем 201j, затем они передаются в процессор сигналов (процессор на чертеже не показан) через штепсельные розетки 201l и 201m и сигнальный кабель 201р. Процессор сигналов обрабатывает усиленные и сформированные электронные сигналы и вырабатывает значение, соответствующее уровню 210 расплавленной стали 209. Упомянутые выше детали - от сцинтиллятора 201f до печатной платы 201k - смонтированы в корпусе приемника, которые содержит вертикальный цилиндр 201е и горизонтальный цилиндр 201n, припаянные друг к другу, уплотнительное кольцо 201d, верхнюю крышку 101а и розетку 201l; кроме того, в корпусе приемника смонтирован упорный подшипник 201b, предохраняющий от вращения сцинтиллятор 201f, демпфирующее кольцо 201с и эластичная подкладка 201g. Приемник 201 имеет несложную конструкцию, собрать его нетрудно. Приемник 201 позиционируется в монтажной коробке 202 при помощи рукоятки 201о. Защитный свинцовый экран 203b в цилиндрическом контейнере 203 с источником экранирует точечный источник 203а с цезием-137. Быстрая установка и снятие контейнера 203 с источником может быть осуществлена благодаря использованию рукоятки 203с контейнера 203, посредством этого также увеличивается рабочее расстояние от точечного источника 203а. При помощи рукоятки 203с контейнер 203 с источником может быть повернут в монтажной коробке 204 на 180°, таком образом, точечный источник 203а с цезием-237 помещается между свинцовым экраном 203b в контейнере 203 с источником и дополнительным экраном 211 в кристаллизаторе 205, а мощность дозы облучения, когда перед разливкой оператор протягивает руки в медную трубу кристаллизатора, уменьшается. В сравнении с первым вариантом второй вариант не содержит изогнутого световода, кроме того, сокращается общая высота приемника, следовательно, можно использовать более длинный сцинтиллятор на основе йодида натрия, чтобы еще больше увеличить чувствительность и расширить диапазон измерений уровня расплавленной стали в кристаллизаторе.
Предлагаемый сцинтиллятор с боковым окном изображен на фиг.3. На фиг.3 кристалл 300 ПТФЭ-кольцом 303 поделен на длинную верхнюю секцию и короткую нижнюю секцию со стеклянным боковым окном 308, кольцо обернуто вокруг цилиндрической поверхности сцинтиллятора 306 на основе йодида натрия, тем самым обеспечивая позиционирование и разделение. В верхней секции в качестве отражающего слоя применяется окись магния 302, в нижней секции в качестве отражающего слоя используется ПТФЭ-пластина 304 и ПТФЭ-труба 309. Промежуток между ПТФЭ-пластиной 304, ПТФЭ-трубой 309, стеклянным окном 308 и сцинтиллятором 306 на основе йодида натрия заполнено прозрачным силиконовым гелем 307, используемым в качестве материала для оптической связи. На участке, находящемся напротив стеклянного окна 308, поверхность сцинтиллятора 306 на основе йодида натрия отполирована, на остальных участках она отшлифована начерно. В процессе монтажа кристалла 300 стеклянное окно 308 с выступающей частью вставляется с внутренней стороны металлического корпуса 301 в отверстие в боковой стенке металлического корпуса 301 и при помощи эпоксидного клея 305 плотно крепится к металлическому корпусу 301. Выступающая часть используется для того, чтобы предотвратить отделение стеклянного окна 308 от металлического корпуса 301, если кристалл 300 расширится при высокой температуре окружающей среды. После надежного скрепления бокового окна 308 с металлическим корпусом в металлическом корпусе также монтируется ПТФЭ-пластина 304. После этого сцинтиллятор 306 на базе йодида натрия вместе с ПТФЭ-кольцом 303 помещают в металлический корпус 301 через верхний торец металлического корпуса, и осуществляется заполнение окисью магния 302. После этого на верхнем торце монтируют плоскую прокладку 311b и эластичную прокладку 310b, на металлический корпус 301 навинчивают и приклеивают верхнюю крышку 301b. Затем кристалл 300 поворачивают вверх дном, промежуток между металлическим корпусом 301, боковым стеклянным окном 308, ПТФЭ-пластиной 304 и сцинтиллятором 306 на основе йодида натрия заполняют прозрачным силиконовым гелием 307 и монтируют ПТФЭ-трубу 309. После удаления воздуха из прозрачного силиконового геля 307 и затвердевания прозрачного силиконового геля 307 под действием высокой температуры на край силиконового геля 307 наносят отражающий слой 302 окиси магния, и после монтажа плоской подкладки 311а и эластичной подкладки 310а на этом торце к металлическому корпусу 301 привинчивают и приклеивают концевую крышку 301а.
Промышленная применимость
В изобретении в качестве детектора в водяной камере кристаллизатора используется закрытый длинный сцинтиллятор с торцевым или боковым окном, сцинтиллятор имеет обычный отражающий слой окиси магния и монтируется в водяной камере вертикально в направлении ее продольной оси. Следовательно, в ограниченном пространстве внутри водяной камеры кристаллизатора можно поместить длинный сцинтиллятор на основе йодида натрия, перекрывающий весь диапазон измерений уровня стали в кристаллизаторе, и может быть увеличена чувствительность измерений.