СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЕЙ ЧУГУНА И ШЛАКА В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING LEVELS OF CAST-IRON AND SLAG IN BLAST FURNACE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится к способу измерения с точностью уровня жидкого металла, а также уровня плавающего на его поверхности шлака, или окалины, в горне шахтной металлургической печи, в частности, уровня чугуна и уровня шлака в доменной печи. Более конкретно, способ заключается в использовании одного или более тензометрических датчиков, установленных на наружной стенке доменной печи.
[0002] Изобретение относится также к специальному тензометрическому датчику, используемому в вышеупомянутом способе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
3
3
[0003] Как известно, доменная печь представляет собой печь с карботермическим восстановлением, предназначенную для производства чугуна из железной руды. С этой целью твердые железную руду и кокс загружают через верх печи в специальную секцию, называемую «колошник». Вдуваемый в основание печи горячий воздух (с температурой 1200°C) способствует сжиганию кокса. В результате выделяющийся из кокса углерод претерпевает окисление. Получаемый при этом оксид углерода восстанавливает оксиды железа, вследствие чего происходит выделение металлического железа. Однако по мере его схода в доменную печь это последнее заполняется углеродом, превращаясь в результате в чугун. На выходе из доменной печи извлекают в жидком состоянии, а помимо собственно чугуна, еще и окалину, называемую в данном случае шлаком, которая состоит из жильной породы руды, золы и флюсов. Благодаря тому, что их плотность меньше плотности чугуна (соответственно, 3000 кг/м против 7000 кг/м), они оказываются плавающими на поверхности чугуна. Таким образом, эти осадки рассматриваются как побочные продукты, которые следует отделить от чугуна после его вытекания через летку.
[0004] Для оптимизации процесса управления работой доменной печи и соответствующими операциями литья необходимо в каждый нужный момент знать, каковы уровни чугуна и шлака.
[0005] Известно, что для замера уровня поверхности чугуна, находящегося под слоем жидкого шлака, используют данные о различиях в электропроводности между чугуном и шлаком. Так, из патентного документа US 4413810 известно как этот принцип реализуется путем использования специального измерительного зонда, погружаемого в ванну жидкого металла. Однако при работе с подобным устройством не удается получить надежную индикацию толщины слоя шлака из-за слишком высокой температуры расплавленного металла (более 1000°C), которая может искажать получаемые показания.
[0006] В патентном документе JP-11281467 описано, как различия в электропроводности чугуна и шлака используются для замера уровня поверхности их раздела. Измерительный прибор содержит груз с объемной плотностью, меньшей, чем у чугуна. Этот груз связан через систему подвески со шкивами и с наматывающим приспособлением. Шкивы соединены с упругими элементами, перемещение которых дает возможность измерять длину подвешенного груза и, следовательно, уровень поверхности чугуна. Однако подобная технология не позволяет измерять уровень поверхности шлака.
[0007] Одно из решений этой проблемы предложено в патентном документе JP 2003-344142. Здесь описаны способ и устройство для точного замера уровня чугуна и толщины слоя шлака даже в тех случаях, когда эта толщина изменяется. В рамках этого способа используют микроволны, падающие на поверхность чугуна, на которой плавает шлак. Производят регистрацию изменения интенсивности отраженных волн во времени. Последовательно наблюдают пик А максимального отражения, а за ним пик В меньшей интенсивности. Определяют уровень поверхности чугуна путем измерения расстояния перемещения микроволн в течение периода от момента испускания волн до момента появления пика В. Что же касается толщины слой шлака, то ее определяют посредством измерения расстояния перемещения микроволн в течение периода от момента появления пика А до момента появления пика В.
[0008] Таким образом, главным препятствием для создания методов точного замера уровней жидкости является температура выше 1000°C, имеющая место в горне.
[0009] В этой связи следует упомянуть, что в патентном документе JP 06-271916 предложено использовать измерительный прибор, находящийся снаружи горна. Здесь описан способ замера верхнего уровня слоя шлака посредством использования ударных волн. Предусмотрено размещение специальных датчиков ударной волны в различных вертикальных позициях снаружи доменной печи. Осуществляют излучение ударной волны в направлении внутрь горна и с помощью датчиков волн определяют интенсивность отраженной волны. Измеряют верхний уровень шлака в момент, когда интенсивность отраженной волны меняется на высоте одного из датчиков. Однако с помощью описанного способа невозможно измерить уровень поверхности раздела «чугун-шлак», точные сведения о котором совершенно необходимы для отделения чугуна от шлака.
[0010] В патентном документе WO 2011/038875 раскрыта форма для обработки расплавленного металла, имеющая стенку, в которой установлен по меньшей мере один датчик для определения температуры и/или расширения по меньшей мере части указанной формы.
[0011] Для обеспечения возможности эффективного контроля работы формы датчик снабжен по меньшей мере одним оптическим волноводом, который помещен в углублении, выполненном в стенке формы.
[0012] Оптический волновод опирается на дно указанного углубления, причем объем этого углубления, не заполненный оптическим волноводом (по меньшей мере, большая часть этого объема), заделан специальным наполнителем. Однако использование такого устройства в доменной печи невозможно, поскольку выполнение углубления в стенке исключено из-за риска ослабления кожуха горна.
[0013] Из патентного документа JP 60110821 известна установка, состоящая из группы печей (плавильная, с шлакоудалением и пр.) для производства черновой меди. Контроль функционирования этой установки осуществляется с помощью ряда термометров и тензометрических элементов, связанных с каждой отдельной печью.
[0014] Из патентного документа JP 54130958 известна емкость для жидкого металла, в стенке которой размещены вдоль по вертикали датчики давления типа тензометрических элементов, присоединенные к вычислительному устройству. Перепады давления между взятыми попарно смежными датчиками давления вычисляют и сравнивают в специальной логической схеме на нескольких заданных значениях, что позволяет определить уровень жидкости между двумя смежными датчиками. Однако подобное измерение имеет некоторую неточность и не позволяет измерять уровень возможного шлака. Этот метод непригоден для толстых стенок доменных печей, поскольку на все тензометры будет действовать деформация.
[0015] В патентном документе US 2002/0134794 описан цилиндрический контейнер, заполняемый текучей средой под давлением и содержащий систему контроля давления, снабженную датчиком деформации, помещенным на наружной поверхности этого контейнера с целью генерации частотной характеристики давления, коррелированного с давлением текучей среды в емкости. Указанная частотная характеристика давления связана с деформацией в стенке емкости, обусловленной давлением текучей среды, посредством уравнений, которые определяют количественные значения осевого напряжения и радиального напряжения (двухосного напряжения) для заданных значений внутреннего давления и параметров, относящихся к размерам цилиндра (средний радиус, толщина стенки) и свойствам используемых материалов. Приложение этих напряжений приводит, соответственно, к осевой и радиальной деформациям в упругом материале, которые можно вычислить в соответствии с законом Гука.
ЗАДАЧИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0016] Изобретение направлено на создание способа, имеющего новое, не известное из уровня техники применение и свободного от недостатков известных решений.
[0017]В частности, задачей изобретения является создание способа, позволяющего точно измерять уровень поверхности чугуна и шлака с помощью одного или более тензометрических датчиков, находящихся снаружи доменной печи.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018] В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предложен способ измерения уровня поверхности жидкого металла и уровня поверхности шлака в горне металлургической шахтной печи, имеющем наружную стенку, снабженную стальным кожухом, и летку, при этом кожух наружной стенки расположен так, чтобы охватывать огнеупорный слой (3), контактирующий с жидким металлом, кожух снабжен на своей наружной поверхности множеством тензометрических датчиков и одним или несколькими термическими датчиками, причем указанные датчики установлены в одну линию в вертикальной плоскости по обе стороны от летки и так, что указанные два типа датчиков чередуются в этой вертикальной плоскости; предложенный способ содержит следующие этапы:
- измеряют в одной или более точках наружной стенки горна следующие переменные:
- окружную деформацию указанной наружной стенки посредством тензометрических датчиков, закрепленных на указанном кожухе;
- температуру указанной наружной стенки посредством термометрических датчиков, закрепленных на указанном кожухе;
- по необходимости измеряют давление по окружности или статическое давление горячего дутья в печи;
- вводят указанные переменные, измеренные в группе точек на наружной стенке горна, в общее уравнение, которое описывает непрерывную окружную деформацию, имеет аналитическое решение и содержит в качестве двух неизвестных величин уровень жидкого металла и общий уровень жидкого металла и шлака, с учетом следующих фиксированных параметров: геометрия шахтной печи; параметры, характеризующие природу материалов, образующих шахтную печь; толщина наружной стенки шахтной печи в каждой точке измерений; плотность жидкого металла и шлака; и
- решают указанное уравнение с получением уровня поверхности жидкого металла и уровня поверхности шлака в горне.
[0019] Некоторые виды металлургических шахтных печей, такие как электропечи или конверторы, не эксплуатируются с избыточным давлением, так что измерение давления перестает быть необходимым.
[0020] В соответствии со вторым аспектом изобретения предложена наружная стенка горна металлургической шахтной печи, содержащая стальной кожух и снабженная устройством измерения уровня поверхности жидкого металла и уровня поверхности шлака в горне печи, отличающаяся тем, что указанное измерительное устройство содержит множество тензометрических датчиков и один или более термометрических датчиков, закрепленных на указанном кожухе, причем датчики установлены в одну линию в вертикальной плоскости и так, что указанные два типа датчиков чередуются в этой вертикальной плоскости.
[0021] В соответствии с третьим аспектом изобретения предложена доменная печь, содержащая горн с наружной стенкой, причем наружная стенка содержит кожух, снабженный устройством измерения уровня поверхности чугуна и уровня поверхности шлака в горне, как описано выше.
[0022] В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления, изобретение может дополнительно характеризоваться одним из ниже перечисленных признаков или соответствующей комбинацией этих признаков:
- общее уравнение, описывающее непрерывную окружную деформацию в случае с доменной печью выглядит следующим образом:
1
2
где F и F это константы для конкретной доменной печи на каждой высоте измерений:
и
где y это горизонтальный изгиб (или смещение), измеренный и скорректированный в зависимости от измеренной температуры, х это вертикальное положение, R это средний радиус на каждой высоте, t это толщина стенки на каждой высоте, a v это коэффициент Пуассона; остальные члены зависят от давления, приложенного к стенке шахтной печи:
0
- y это изгиб или смещение на уровне фурм;
- Ψ это угол деформированной стенки на уровне фурм;
- LT это нагрузочный член, пропорциональный нагрузке, приложенной к конструкции;
х
выполняют конечное превращение по давлениям Р для учета того факта, что горн доменной печи построен с использованием материалов с разными механическими свойствами, огнеупорного материала и стальной оболочки, и с разными толщинами, различающимися в зависимости от высоты (Е - модуль Юнга материала х):
причем отношение между статическим давлением Р и уровнем h жидкого металла или шлака определяется отношением типа P=ρ.g.h где ρ это средняя плотность, a g это ускорение силы тяжести; -измерения окружной деформации и температуры осуществляют в непрерывном режиме и/или в реальном времени;
- тензометрические элементы, по меньшей мере частично, приварены к самому кожуху;
- тензометрический датчик содержит защитную крышку, которая механически закреплена на кожухе и герметичность которой относительно кожуха обеспечена посредством упругой уплотнительной прокладки.
- тензометрический датчик содержит четыре тензометрических элемента, из которых два элемента не полностью прикреплены к кожуху;
- каждый термический датчик представляет собой платиновый термометр сопротивления;
- измерительное устройство размещено между каналами канального контура охлаждения, установленного на стенке или в стенке.
[0023] Изобретение не ограничивается применением в доменной печи и может быть реализовано в любых типах печей или металлургических емкостей, заполняемых жидким металлом (электропечи, конвертеры и пр.).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0024] Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение вертикального сечения горна доменной печи.
[0025] Фиг. 2-3 представляют собой виды спереди, иллюстрирующие два варианта выполнения наружного стального кожуха горна доменной печи, снабженного измерительным устройством согласно изобретению, которые различаются типом используемой системы охлаждения.
[0026] Фиг. 4 представляет собой графическое представление результатов измерения уровня поверхности чугуна и уровня поверхности шлака во времени, полученных с использованием предлагаемого способа.
[0027] Фиг. 5 представляет собой детальный вид тензометрического датчика, закрепленного сваркой на стальном кожухе горна доменной печи, согласно настоящему изобретению.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0028] На фиг. 1 приведено схематическое изображение вертикального сечения стенки 2 горна 1 доменной печи. Эта стенка состоит из огнеупоров 3 и стального кожуха 4. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого устройства, стальной кожух наружной стенки снабжен обозначенными кружками тензометрическими датчиками 6, которые чередуются с термическими датчиками 7, которые обозначены треугольниками. На фиг. 1 приведен не имеющий ограничительного характера пример использования шести тензометрических датчиков 6 и пяти термических датчиков 7, закрепленных на наружной поверхности стального кожуха 4. Здесь же отмечено расположение летки 5.
[0029] Под действием высоких температур, имеющих место внутри горна 1, огнеупоры 3 могут размягчаться и/или подвергаться эрозии и коррозии. Без применения системы охлаждения срок их службы может быть довольно коротким. Охлаждение осуществляется посредством циркуляции воды по пластинам и трубам, встроенным в стенки доменной печи. Горн 1 доменной печи можно охлаждать либо водой, циркулирующей через охлаждающие пластины внутрь стенки горна, либо водой, вытекающей в открытое пространство по наружной стенке.
[0030] На фиг. 2 иллюстрируется система охлаждения, основанная на использовании водяных каналов 9, которые схематически обозначены вертикальными линиями.
[0031] Как показано на фиг. 3, охлаждение осуществляется водой, вытекающей в открытое пространство по наружной стенке.
[0032] На фиг. 2-3 показано, что стальной кожух 4 наружной стенки 2 горна 1 снабжен согласно изобретению, например, двумя тензометрическими датчиками 6, представленными в виде крестообразных конструкций, и одним термическим датчиком 7, представленным в виде прямоугольника. Стрелками обозначена соответствующая проводка 8, идущая к устройству для записи и хранения данных.
[0033] На фиг. 4 дано графическое представление результатов измерения в соответствии с изобретением уровня 14 поверхности шлака (верхняя кривая, демонстрирующая суммарный уровень чугуна и шлака) и уровня 13 чугуна (нижняя кривая) как функции времени, причем расстояния этих уровней измеряются относительно летки 5.
[0034] На фиг. 5 приведен детальный вид датчика на основе элементов измерения напряжения или тензометров 6, закрепленных на стальном кожухе 4 наружной стенки 2 горна 1. Датчик содержит четыре отдельных тензометрических элемента 10, обозначенных прямоугольниками. Предпочтительно, чтобы два тензометрических элемента были полностью приварены к кожуху 4, в то время как два других тензометрических элемента были приварены к стенке не полностью, так чтобы обеспечить возможность коррекции температуры (расширение датчиков). Датчик содержит крышку 11, которая закреплена на кожухе 4 системой 12 винтов и болтов. Вертикальными линиями обозначены каналы 9 системы охлаждения. Герметичность крышки 11 относительно кожуха обеспечивает упругая уплотнительная прокладка, например, из силикона (не показана). Изображенная на фигурах чертежей крестообразная форма датчика обусловлена формой крышки 11, имеющей по существу вертикальную и по существу горизонтальную крестовину для крепления крышки к кожуху. Таким образом, именно тензометрические элементы, а не крышка, жестко зафиксированы на кожухе.
[0035] Принцип предложенного способа состоит в следующем: чугун и шлак прикладывают избыточное давление на стенку огнеупоров 3 внутри горна 1, и это давление передается на кожух 4 стальной наружной стенки 2.
[0036] Изменение статического давления в доменной печи, обусловленное изменением уровней 13 поверхности чугуна и 14 поверхности шлака влечет за собой изменение деформации кожуха 4.
[0037] Непосредственные результаты измерения деформации и температуры кожуха, а также результаты измерения давления по окружности (статического давления «горячего дутья», то есть газов, циркулирующих в доменной печи) являются исходными данными для системы уравнений, аналитическое решение которых и позволит определить уровни 13, 14 поверхности чугуна и шлака в горне 1.
[0038] В системе уравнений учтены следующие фиксированные параметры:
- геометрия шахтной печи;
- природа материалов, образующих доменную печь (через использование модуля Юнга, коэффициента Пуассона и прочих параметров стали и огнеупора);
- толщина наружной стенки (включая огнеупор) доменной печи в каждой точке измерений;
- плотность жидкого металла и шлака.
[0039] Следует иметь в виду, что значения температуры, измеренные на уровне термических датчиков, установленных на наружной поверхности кожуха, позволяют выполнить температурную коррекцию деформаций, измеренных с использованием следующего уравнения:
Скорректированная Деформация = Измеренная Деформация - α.ΔТ,
где α - коэффициент теплового расширения, a ΔT - разность между измеренной температурой и эталонной температурой.
[0040] Результаты вычислений для нескольких точек измерений приведены на фиг. 4 (сплошная линия - суммарный уровень шлака и чугуна; пунктирная линия - уровень чугуна). На фиг. 4 продемонстрированы также различные этапы литья: открывание летки (начало литья), вытекание расплавленного чугуна, когда еще возможно накапливание шлака, вытекание расплавленного чугуна и шлака (поступление шлака), достижение нижнего уровня и уровня выхода газа, закупоривание летки (окончание литья).
[0041] Измерения окружной деформации и температуры проводятся предпочтительно в непрерывном режиме и/или в реальном времени.
3
[0042] В варианте осуществления, когда имеется только одна точка измерения деформации, эта точка должна находиться вблизи уровня летки (например, на расстоянии одного метра), причем с ее помощью удается вычислить только суммарный уровень чугуна и шлака. В этом случае суммарный уровень получают на основе значения статического давления в летке. Это значение получают в качестве неизвестного из уравнения, в котором измеренное тензометрическим элементом значение является функцией статического давления, давления по окружности, геометрии горна (радиус), толщины стенок (сталь, огнеупор) и соответствующих модулей Юнга (сталь, огнеупор). Для получения уровня как функции статического давления принимают значение плотности 3300 кг/м, которое является промежуточным между значениями плотности чугуна и чистого шлака. Сигнал от тензометрических элементов фильтруют для устранения среднесрочных флуктуаций, связанных с изменениями температуры. Это дает хорошую корреляцию с результатами числовых моделей.
[0043] Вторым вариантом осуществления предусмотрено использование группы тензометрических датчиков, расположенных по образующей линии печи, по обе стороны от летки, на подходящей высоте. Задача упрощена благодаря использованию метода наложения. Сформулированы три допущения: закон Гука имеет силу для всех задействованных материалов; деформации невелики по сравнению с размерами конструкции; изгиб не влияет на действие прилагаемых сил. Печь подвергается воздействию следующих нагрузок:
- давление газа на внутреннюю поверхность;
- статическое давление на внутреннюю стенку вплоть до поверхности раздела шлака и жидкого металла;
- статическое давление поверхности раздела шлака и жидкого металла на топку;
- нагрузка на донную часть;
- нагрузка на уровне фурм.
[0044] Двумя неизвестными величинами данной задачи всегда являются уровень жидкого металла и общий уровень жидкого металла и шлака. Задача решается размещением группы датчиков на одной и той же образующей линии.
[0045] Общее уравнение, описывающее непрерывную окружную деформацию наружной стенки (кожуха), учитывает непрерывность материала и зависит от изгиба в области фурм, от угла, образованного деформируемой стенкой относительно фурм, и от нагрузочного члена, которые зависят от силы, приложенной к конструкции. Эти параметры уравнения являются константами, зависящими от коэффициента Пуассона и модуля Юнга материалов стенки (стального кожуха и огнеупоров), толщины стенки на каждой высоте и среднего радиуса на каждой высоте. Учитывается также изменение толщины огнеупора с высотой (общие ссылки: Роарк «Формулы для напряжения и нагрузки»; Тимошенко С.«Сопротивление материалов»).
[0046] Если точнее, общее уравнение, описывающее непрерывную окружную деформацию наружной стенки, выглядит следующим образом:
1
2
где F и F - константы для конкретной доменной печи на каждой высоте замера:
и
где y - измеренный горизонтальный изгиб (или смещение), х - вертикальное положение, R - средний радиус на каждой высоте, t - толщина стенки на каждой высоте и v - коэффициент Пуассона.
[0047] Остальные члены зависят от давления, приложенного к стенке доменной печи:
0
y - изгиб или смещение в зоне расположения фурм;
ψ - угол, образованный деформированной стенкой на уровне фурм;
LT - нагрузочный член, пропорциональный силе, приложенной к конструкции.
х
[0048] Выполняют конечное превращение для учета того факта, что горн доменной печи построен из материалов с разными механическими свойствами (огнеупорный материал и стальная оболочка) и выполнен с разными толщинами, меняющимися в зависимости от высоты (Е - модуль Юнга материала х):
[0049] Наконец, соотношение между статическим давлением Р и уровнем h жидкого металла или шлака определяется отношением типа P=ρ.g.h, где ρ - средняя плотность и g - ускорение силы тяжести.
[0050] Назначение элементов измерения напряжения или тензометрических элементов состоит в преобразовании деформации, претерпеваемой испытуемым телом (в данном случае практически цилиндрическим телом) в изменение электрического сопротивления. Если точнее, изменение электрического сопротивления такого тензометрического элемента пропорционально его деформации (пьезорезистор). Указанная пропорциональность выражается калибровочным коэффициентом или коэффициентом тензочувствительности к согласно следующему отношению: ΔR/R=k.ΔL/L,
где k - константа, зависящая от рассчитываемых материалов и от температуры. Она характеризует чувствительность измерительного элемента.
[0051] Каждый тензометрический элемент образован группой расположенных близко друг к другу витков проволоки высокого сопротивления, изготовленной из тонкой металлической фольги, наклеенной на гибкую изоляционную подложку, получаемую фототравлением с использованием технологии, применяемой при производстве печатных плат.
[0052] Тензометрический элемент может быть выполнен из самых разнообразных материалов - легированных сталей, нержавеющих сталей, алюминия, полупроводников, иди других подобных материалов.
[0053] Различные типы тензометрических элементов и средств их установки хорошо известны специалистам в данной области, и не ограничивают объем патентных притязаний по настоящей заявке.
[0054] Согласно изобретению термические датчики предпочтительно представляют собой платиновые термометры сопротивления, более предпочтительно - датчики типа Pt100 (с сопротивлением 100 Ом при 0°C и 138,5 Ом при 100°C).
[0055] Предлагаемое устройство обладает следующими преимуществами. Простая и недорогостоящая установка. Устройство можно легко и быстро установить а, в случае необходимости, заменить, поскольку его размещают на наружной стенке доменной печи, которая не разогревается до высоких температур.
[0056] Описанная система измерений дает хорошие результаты в случае горнов, охлаждаемых как форсунками с использованием наружного воздуха типа «оросительное охлаждение» (от англ. spray cooling), так и с помощью контуров водяных каналов типа «охлаждение поливом» (от англ. channel cooling),). Однако, при осуществлении оросительного охлаждения охлаждение той части, где установлены тензометры, необходимо временно прерывать, что подразумевает временный останов доменной печи. Эта проблема отсутствует в доменных печах, где используется «охлаждение поливом», если описанное измерительное устройство установлено, например, в пространстве между двумя каналами, и установка может выполняться в течение обычной эксплуатации доменной печи.
[0057] Датчики не обязательно размещать на образующей линии с равными интервалами. При увеличении плотности датчиков вблизи летки достигается значительное увеличение точности расчетов.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 - горн доменной печи;
2 - стенка горна;
3 - огнеупоры;
4 - стальной кожух;
5 - летка;
6 - тензометрический датчик;
7 - термический датчик;
8 - проводка;
9 - каналы охлаждения;
10 - тензометрический элемент;
11 - крышка;
12 - болты;
13 - уровень поверхности чугуна;
14 - уровень поверхности шлака.