ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ НАД ПОВЕРХНОСТЬЮ ШИХТЫ В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ, СНАБЖЕННАЯ ИМ ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ СПОСОБ
MEASUREMENT DEVICE FOR DETERMINATION OF GAS MEDIUM TEMPERATURE DISTRIBUTION ABOVE CHARGE SURFACE IN BLAST FURNACE, BLAST FURNACE EQUIPPED WITH IT AND APPROPRIATE METHOD

Настоящее изобретение относится к измерительному устройству и способу проведения измерений в доменной печи, а также к доменной печи с подобным измерительным устройством. Устройство для исследования профиля поверхности загруженной в печь шихты с признаками, указанными в ограничительной части п.1 формулы изобретения, известно, например, из DE 4027975 C2.
Для исследования профиля или рельефа поверхности загруженной в доменную печь шихты известны различные измерительные системы. Так, например, для определения рельефа поверхности засыпанной в доменную печь шихты используются радиолокационные зонды. Один из подобных радиолокационных зондов известен из указанной выше публикации DE 4027975 C2 и имеет несколько антенн, благодаря чему обеспечивается возможность двухмерного сканирования поверхности шихты. Однако такие зонды с составными антеннами имеют высокую стоимость и требуют применения сложной электроники для контроля за сдвигом фаз и управления сдвигом фаз отдельных антенн. Другие радиолокационные зонды, с помощью которых измеряют расстояние до поверхности шихты, известны из DE 3715762 A1, DE 4027962 A1, DE 4027973 A1, DE 4238704 A1, ЕР 0012311 B1, ЕР 0017664 В1 и US 4219814.
На практике известно далее применение радиолокационных зондов в виде измерительных копий или выдвижных измерительных зондов, которые точечно вводят в доменную печь и затем вновь извлекают из нее либо которые стационарно встроены в печь. Пример подобного радиолокационного копья также известен из указанной выше публикации DE 3715762 A1. Такие копья из-за особенностей их конструкции подвержены интенсивному износу под действием движущегося материала в печи и под воздействием высокой термической нагрузки. Поэтому такие радиолокационные зонды обладают неудовлетворительно коротким сроком службы. То же самое относится и к высоким затратам на обслуживание. На практике известно также применение называемого профилометром радиолокационного зонда, который позволяет графически регистрировать рельеф поверхности шихты в доменной печи. Однако такой зонд можно вдвигать в доменную печь только после загрузки в нее шихты для последующего исследования профиля ее поверхности. Перед загрузкой шихты такое копье необходимо вновь извлекать из печи, поскольку куски шихты, падающие при ее загрузке в печь, повредили бы зонд.
В US 3099744 и US 3123712 описаны измерительные системы для исследования рельефа поверхности загруженной в доменную печь шихты с помощью радиоактивного излучения. Подобные измерительные системы из-за использования радиоактивного излучения сложны в практическом применении и требуют соблюдения повышенных мер безопасности.
К другим известным системам для определения профиля поверхности загруженной в доменную печь шихты относятся оптические измерительные системы, сканирующие поверхность загруженной в доменную печь шихты лазерными лучами. Профиль поверхности шихты определяется при этом на основании углов проецирования лазерных лучей, соответственно углов приема отраженных лазерных лучей путем триангуляции. Основанные на принципе триангуляции измерительные системы требуют размещения излучателя и приемника на максимально возможном удалении друг от друга, для чего в стенке печи необходимо предусматривать два окошка из прозрачного для лазерного излучения материала. Более совершенными по сравнению с такими оптическими системами являются оптические измерительные системы, в которых измерение расстояний основано на принципе сравнения фаз излученного и отраженного лучей. Примеры оптических измерительных систем, используемых в конструкции доменных печей, описаны в DE 3321287 C2, ЕР 0071426 В1, ЕР 0134772 А1, ЕР 0014626 А1 и WO 88/08546. Оптические измерительные системы лишь условно пригодны для применения в доменных печах, поскольку оптическое излучение практически не проникает сквозь преобладающую в доменной печи мутную атмосферу и рассеивается на присутствующих в ней частицах.
Для определения распределения тепла у поверхности шихты, загруженной в доменную печь, известно применение тепловизоров, которые описаны в DE 1940104, DE 2709548, US 4463437 и US 2006/00502147 A1. Для определения температурного профиля и профиля поверхности шихты в доменной печи известны комбинированные измерительные системы, в которых оптический дальномер, например, в виде лазерного зонда, используется в сочетании с инфракрасной камерой. Примеры таких систем описаны в DE 1583443, DE 2948295 С2 и DE 3015006 С2.
Рассмотренные выше измерительные системы отчасти лишь условно пригодны для применения в доменных печах, обладают сравнительно низким разрешением по положению и/или сложны с конструктивной точки зрения и с точки зрения техники автоматического управления и при этом подвержены быстрому износу.
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать измерительное устройство для доменной печи, которое обладало бы длительным сроком службы при сравнительно низких затратах на техническое обслуживание, а также разработать соответствующий способ измерений. Задача изобретения состояла далее в том, чтобы предложить доменную печь с подобным измерительным устройством, а также поворотное приспособление для по меньшей мере одного измерительного зонда, которое обеспечивало бы возможность простого сканирования поверхности шихты в доменной печи.
Указанная задача в отношении измерительного устройства решается с помощью объекта, заявленного в п.1 формулы изобретения, в отношении способа измерений решается с помощью объекта, заявленного в п.17 формулы изобретения, в отношении доменной печи решается с помощью объекта, заявленного в п.15 формулы изобретения.
Основная идея изобретения заключается в том, чтобы предложить измерительное устройство для доменной печи, имеющее по меньшей мере один первый измерительный зонд для излучения и приема электромагнитных волн. Согласно изобретению такое измерительное устройство имеет по меньшей мере один второй измерительный зонд для излучения и приема акустических волн, при этом первый и второй измерительные зонды соединены с процессором для обработки результатов измерений с возможностью выявления при этом обусловленного температурой расхождения между результатами измерений, полученными первым и вторым измерительными зондами, для определения распределения температур газа на поверхности шихты в доменной печи. Применительно к способу измерений основная идея изобретения заключается в том, чтобы с использованием по меньшей мере двух измерительных зондов сканировать поверхность шихты, с одной стороны, электромагнитными волнами, а с другой стороны, акустическими волнами и выявлять обусловленное температурой расхождение между результатами измерений, полученными разными измерительными зондами, для определения распределения температур газа на поверхности шихты в доменной печи.
В соответствии со сказанным выше в изобретении предлагается комбинировать между собой, соответственно использовать во взаимосвязи между собой два разных измерительных устройства, работа которых основана на разных физических принципах, соответственно два разных метода измерений, основанных на разных физических принципах. При этом одно из измерительных устройств, соответственно один из методов измерений предполагает работу с электромагнитными волнами, на которые не влияет температура газа. Другое же измерительное устройство, соответственно другой метод измерений предполагает работу с акустическими волнами, на скорость распространения которых непосредственно влияет температура газа. При измерении расстояния до поверхности шихты разными измерительными зондами, соответственно разными методами измерений возникает обусловленное температурой расхождение между результатами измерений, полученными разными измерительными системами, соответственно разными методами измерений. Если говорить более конкретно, то на отражающиеся от поверхности шихты акустические волны влияет температура газовой среды, через которую проходят эти волны, тогда как отражающиеся от поверхности шихты электромагнитные волны не подвержены такому влиянию температуры газовой среды. Возникающее в результате этого расхождение между измеренными разными измерительными зондами значениями соответствует характерной для распределения температур газа на поверхности шихты величине, на основании которой можно сделать вывод о температуре, соответственно о распределении температур на поверхности шихты. Тем самым в изобретении используется известный для акустических измерительных систем недостаток, проявляющийся во влиянии температуры газовой среды на измерительный сигнал вследствие зависимости скорости распространения акустических волн от этой температуры. Сочетание акустического, зависящего от температуры метода измерений с другим, не зависящим от температуры методом измерений, прежде всего основанным на применении электромагнитных волн, позволяет использовать не зависящий от температуры измерительный сигнал в качестве опорного сигнала, отклонение акустического измерительного сигнала от которого представляет собой измеряемую величину, которую можно соотнести с температурой.
В целом изобретение принципиально допускает возможность использования в сочетании между собой разных методов измерений, соответственно разных измерительных устройств, при условии, что излучаемые при этом измерительные сигналы, с одной стороны, не зависят, а с другой стороны, зависят от температуры.
Преимущество изобретения состоит в возможности замены известных выдвижных измерительных копий на один или несколько измерительных зондов, располагаемых в верхней зоне доменной печи. В этом случае такие измерительные зонды более непосредственно не подвержены абразивному воздействию загружаемого в печь сверху материала и горячего газового потока и в отличие от известных измерительных копий, позволяющих выполнять лишь точечные измерения, обеспечивают возможность исследования большего по площади участка поверхности шихты, прежде всего всей ее поверхности, а также возможность непрерывного определения измеряемых значений.
Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
В одном из таких предпочтительных вариантов процессор выполнен с возможностью определения профиля поверхности шихты на основании переданных в него от первого измерительного зонда и/или второго измерительного зонда результатов измерений. Связанное с этим преимущество состоит в возможности дополнительно определять также рельеф поверхности шихты с помощью предназначенных для определения распределения тепла измерительных зондов, прежде всего с помощью первого измерительного зонда, работа которого основана на использовании электромагнитных волн.
В еще одном предпочтительном варианте первый измерительный зонд представляет собой радиолокационный зонд, микроволновый зонд или оптический зонд. Измерительные сигналы таких зондов в основном не зависят от температуры и могут использоваться в качестве опорного сигнала. Второй же измерительный зонд может представлять собой акустический зонд или ультразвуковой зонд. Измерительные сигналы подобных зондов зависят от температуры и поэтому во взаимосвязи с опорным сигналом позволяют получать информацию о температуре в исследуемом месте.
В следующем предпочтительном варианте с процессором соединен по меньшей мере один третий измерительный зонд для измерения средней температуры газовой среды над шихтой. С увеличением расстояния до поверхности шихты различия между температурами газовой среды в разных ее зонах постепенно уменьшаются, и поэтому устанавливается некоторая средняя температура. Назначение третьего измерительного зонда как раз и состоит в регистрации этой средней температуры газовой среды над шихтой. Среднюю температуру можно учитывать при определении абсолютных значений температуры газовой среды в зоне вблизи поверхности шихты. Более конкретно сказанное означает, что при акустическом измерении расстояния до поверхности шихты в результате измерения учитывается влияние средней температуры газовой среды в ее удаленной от поверхности шихты зоне на акустический измерительный сигнал. Для измерения средней температуры газа можно использовать более одного измерительного зонда с целью повысить тем самым точность определения распределения температур газовой среды в ее удаленной от поверхности шихты зоне.
Измерительные зонды для сканирования поверхности шихты могут быть установлены подвижно таким образом, чтобы обеспечивалась возможность непрерывного представления анализируемого профиля поверхности шихты. Благодаря этому доменщик получает возможность непрерывного наблюдения за поверхностью шихты в доменной печи и может своевременно распознать, следует ли изменить материальный поток в доменной печи или газопроницаемость находящейся в ней шихты. В этом случае появляется возможность заблаговременного принятия соответствующих ответных мер.
Измерительные зонды предпочтительно располагать в верхней зоне доменной печи. Измерительные зонды можно при этом располагать в верхней зоне доменной печи стационарно, что делает излишним применение механизмов перемещения известных измерительных копий. Тем самым существенно упрощается уплотнение измерительных зондов в стенке доменной печи. Для получения трехмерной картины исследуемого профиля поверхности шихты стационарно установленные измерительные зонды можно выполнить поворачивающимися и/или вращающимися. Возможно также использование неподвижных измерительных зондов, при применении которых поверхность шихты сканируется управляемыми антенными решетками.
Другие варианты выполнения предлагаемого в изобретении измерительного устройства, соответственно варианты осуществления предлагаемого в изобретении способа измерений более детально рассмотрены ниже в подробном описании изобретения.
Предлагаемое в изобретении измерительное устройство также может содержать поворотное устройство для по меньшей мере одного измерительного зонда, которое преимущественно используется в устройстве для исследования поверхности шихты с целью механического поворота одного или нескольких описанных выше применительно к измерительному устройству измерительных зондов. Такое поворотное устройство можно также использовать независимо от подобного измерительного устройства в иных прикладных областях, прежде всего в измерительной технике, в конструкции доменных печей, соответственно в целом в условиях, при которых большое значение придается выносливости оборудования, которое должно выдерживать воздействие высоких температур и агрессивных сред.
В соответствии с этим основная идея изобретения заключается далее в том, чтобы предложить поворотное устройство, прежде всего для по меньшей мере одного измерительного зонда, имеющее составной корпус, который по меньшей мере на отдельных участках выполнен вращательно-симметричным и который состоит из неподвижно расположенной первой части и по меньшей мере двух вращаемых друг относительно друга второй и третьей частей. Вторая и третья части корпуса образуют проходящую наклонно к продольной оси первой части корпуса первую плоскость вращения. При этом вторая часть корпуса и/или третья часть корпуса выполнены/выполнена приводимыми/приводимой во вращение, а измерительный зонд шарнирно установлен между первой частью корпуса и его дном. Неподвижно расположенной первой частью корпуса поворотное устройство может быть неподвижно соединено со стенкой корпуса доменной печи и герметично отделено от этой стенки корпуса доменной печи. Поворотное движение измерительного зонда обеспечивается за счет относительного вращения второй и третьей частей корпуса, которые образуют проходящую наклонно к продольной оси первой части корпуса первую плоскость вращения. Для совершения такого относительного вращательного движения вторая часть корпуса и/или третья часть корпуса выполнены/выполнена приводимыми/приводимой во вращение. Обеспечить относительное вращение между обеими указанными частями корпуса можно несколькими различными путями. Так, например, обе части корпуса можно по отдельности приводить во вращение во взаимно противоположных направлениях. В другом варианте можно также выполнить одну из указанных частей корпуса неподвижной, а другую - приводимой во вращение. Поскольку первая плоскость вращения между второй и третьей частями корпуса проходит наклонно к продольной оси первой части корпуса, третья часть корпуса при своем вращении относительно второй части корпуса совершает также поворотное или качательное движение по соответствующей траектории. Измерительный зонд шарнирно установлен между первой частью корпуса и его дном и поэтому может, следуя за таким поворотным или качательным движением третьей части корпуса, сканировать поверхность материала в доменной печи.
Преимущество изобретения состоит в возможности обеспечить простое радиальное уплотнение в зоне плоскости вращения. При этом на протяжении всего поворотного движения одни и те же части и детали устройства остаются закрытыми, что исключает возможность проникновения прилипающих частиц пыли и грязи через уплотнение в плоскости вращения.
В одном из особенно предпочтительных вариантов осуществления изобретения вторая и третья части корпуса выполнены конической формы. Выполнение обеих, вращаемых относительно друг друга частей корпуса конической формы предоставляет простую возможность реализовать кольцевое опорно-поворотное соединение между ними, расположенное в наклонной первой плоскости вращения.
В еще одном предпочтительном варианте первая часть корпуса и вторая часть корпуса соединены между собой с возможностью вращения относительно друг друга и образуют вторую плоскость вращения, которая проходит перпендикулярно продольной оси первой части корпуса, прежде всего проходит горизонтально в собранном состоянии поворотного устройства. Образование второй плоскости вращения позволяет повысить гибкость поворотного устройства с точки зрения возможных положений, в которые можно поворачивать измерительный зонд, поскольку его можно приводить в поворотное движение не только за счет вращения в наклонной первой плоскости вращения, но и за счет вращения во второй плоскости вращения, проходящей перпендикулярно продольной оси первой части корпуса, прежде всего в горизонтальной плоскости вращения. Тем самым обеспечивается возможность приведения измерительного зонда в комбинированное поворотное движение, позволяющее сканировать практически всю поверхность находящегося в доменной печи материала или по меньшей мере большую часть его поверхности.
В следующем предпочтительном варианте дно корпуса и его третья часть соединены между собой с возможностью вращения относительно друг друга и образуют третью плоскость вращения, которая проходит параллельно дну. Этот вариант наиболее предпочтительно использовать в сочетании с еще одним вариантом, в котором по меньшей мере один измерительный зонд, с одной стороны, без возможности вращения соединен с дном корпуса, а с другой стороны, без возможности вращения соединен с первой частью корпуса упором против проворачивания. Такой упор против проворачивания допускает возможность поворотного движения измерительного зонда и соединяет дно корпуса с его неподвижно расположенной первой частью без возможности их вращения относительно друг друга. Сказанное означает, что дно корпуса и шарнирно установленный между дном корпуса и его первой частью измерительный зонд не вращается при относительном вращении второй и третьей частей корпуса. Более того, пространственное перемещение измерительного зонда происходит в результате поворотных движений упора против проворачивания. Поскольку измерительный зонд только поворачивается и не вращается вместе со второй частью корпуса и/или третьей частью корпуса, электрические соединения, ведущие к измерительному зонду, можно сравнительно просто реализовать с помощью гибких кабелей. Благодаря этому упрощается конструкция, прежде всего подсоединение измерительного зонда к блоку обработки.
Для приведения во вращение второй части корпуса можно использовать соединенный с первой частью корпуса первый двигатель, прежде всего редукторный двигатель. Сказанное означает, что первый редукторный двигатель опирается на первую часть корпуса и через приемлемую кинематическую цепь соединен со второй частью корпуса.
Для приведения во вращение третьей части корпуса можно использовать соединенный с дном корпуса второй двигатель, прежде всего редукторный двигатель. Этот вариант наиболее предпочтительно использовать в сочетании с вариантом, в котором между дном корпуса и его третьей частью предусмотрено опорно-поворотное соединение, а дно корпуса соединено с первой частью корпуса без возможности вращения относительно нее. При этом дно корпуса служит опорой для редукторного двигателя, который через приемлемую кинематическую цепь соединен с третьей частью корпуса.
Корпус поворотного устройства может иметь по меньшей мере одно продувочное подсоединение для подвода газа для охлаждения и/или уплотнения корпуса. Такое продувочное подсоединение позволяет, например, путем подачи азота отделять имеющееся в корпусе пространство вокруг измерительного зонда, соответственно вокруг измерительных зондов от преобладающей в доменной печи атмосферы. Одновременно с этим азот или иной приемлемый газ охлаждает чувствительные электронные компоненты, не допуская их перегрева. При этом можно предусмотреть перепуск подаваемого в корпус газа, прежде всего азота, во внутреннее пространство печи через соответствующее выпускное отверстие, которое должно располагаться таким образом, чтобы выступающие из корпуса поворотного устройства во внутреннее пространство доменной печи элементы зонда, прежде всего антенны, обдувались выходящим из корпуса поворотного устройства газом. Таким путем обеспечивается очистка антенн.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию схематичные чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - функциональная схема выполненного по одному из вариантов предлагаемого в изобретении измерительного устройства,
на фиг.2 - вид в разрезе верхней зоны доменной печи с выполненным по одному из вариантов осуществления изобретения поворотным устройством,
на фиг.3 - вид в разрезе поворотного устройства, изображенного на фиг.2, и
на фиг.4 - увеличенный вид фрагмента самоуплотняющегося подшипника поворотного устройства, изображенного на фиг.3.
На фиг.1 показана функциональная схема выполненного по одному из вариантов предлагаемого в изобретении измерительного устройства для доменной печи. Такое измерительное устройство, соответственно такая измерительная система используется для определения профиля (топографии) поверхности шихты, а также распределения тепла на ее поверхности и обеспечивает возможность непрерывного контроля за поверхностью шихты. Для этого показанное на фиг.1 измерительное устройство имеет по меньшей мере два измерительных зонда 10, 11, работа которых основана на разных методах измерений. В показанном на фиг.1 варианте первый измерительный зонд 10 представляет собой радиолокационный зонд, т.е. зонд, работа которого основана на электромагнитных волнах. Второй измерительный зонд 11 представляет собой ультразвуковой зонд, работа которого основана на акустических волнах. Изобретение не ограничено применением только двух измерительных зондов, а предполагает также возможность использования более двух измерительных зондов, например трех, четырех, пяти и более пяти измерительных зондов, работа которых по меньшей мере частично основана на разных физических принципах и которые связаны между собой для обработки их сигналов. Каждый из используемых согласно изобретению измерительных зондов обычно содержит объединенные в одном зонде излучатель и приемник. Однако возможно также использование измерительных зондов с раздельно расположенными излучателем и приемником.
Различные измерительные зонды 10, 11 могут быть интегрированы в сдвоенный датчик, при объединении в который оба измерительных зонда перемещаются общим сервомеханизмом. Возможно также раздельное размещение обоих измерительных зондов 10, 11 и перемещение каждого из них собственным сервомеханизмом. При использовании более двух измерительных зондов их можно объединять в один универсальный или комбинированный датчик либо располагать раздельно в виде отдельных датчиков. В принципе, для реализации изобретения пригодны все те измерительные зонды, которые рассчитаны на работу в доменной печи, при условии их использования в сочетании с одним или несколькими другими измерительными зондами, работа которых основана на другом физическом принципе, соответственно на ином методе измерений.
Как показано на фиг.1, оба измерительных зонда 10, 11 соединены с процессором 12 для обработки измерительных сигналов. Между процессором 12 и каждым из двух измерительных зондов 10, 11 расположено по измерительному усилителю 19.
Процессор (ЦП) 12 предназначен для сравнения между собой результатов измерений, полученных обоими измерительными зондами 10, 11, и для определения расхождения, прежде всего обусловленного температурой расхождения, между результатами измерений, полученными первым измерительным зондом 10, и результатами измерений, полученными вторым измерительным зондом 11. На основании величины такого расхождения процессор 12 аналитическим методом определяет скорость распространения звука и тем самым распределение температур газа на поверхности шихты. Такое распределение температур примерно соответствует температурному профилю на поверхности шихты, поскольку вдуваемый воздухонагревателями в доменную печь газ проходит через нее по противоточному принципу и выходит на поверхности шихты. Для определения приповерхностного распределения температур газа используют обычно применяемые в измерительной технике аналитические методы, которые в настоящем описании подробно не рассматриваются. Более того, в показанном на фиг.1 варианте важное значение имеет то, что измерения с получением соответствующих результатов измерений проводят разными методами, благодаря чему создаются условия для определения приповерхностного температурного профиля газа, соответственно температурного профиля на поверхности шихты в доменной печи исходя из величины обусловленного температурой расхождения между результатами измерений.
Процессор 12 выполнен далее с возможностью определения профиля поверхности шихты на основании переданных в процессор 12 от первого и/или второго измерительного зонда 10, 11 данных измерений. Для этого целесообразно использовать не зависящие от температуры данные измерений, полученные первым измерительным зондом 10, работа которого основана на электромагнитных волнах.
Процессор 12 соединен с обозначенными позицией 20 системой визуализации и системой управления. Система 20 визуализации позволяет воспроизводить в виде двухмерного или трехмерного изображения профиль поверхности шихты и распределение тепла.
Для управления измерительными зондами 10, 11 они механически соединены с исполнительным устройством 21, которое выполнено с возможностью поворота двумя серводвигателями 22а, 22b в трех пространственных направлениях. Изобретение не ограничено применением какой-либо специальной сервосистемы, а предусматривает принципиальную возможность использования всех сервосистем, позволяющих сканировать поверхность шихты, благодаря чему обеспечивается возможность непрерывного визуального отображения профиля поверхности и распределения тепла. В предпочтительном варианте исполнительное устройство 21 позволяет приводить оба измерительных зонда 10, 11 в поворотное или качательное движение. В одном из особенно предпочтительных вариантов исполнительное устройство 21 выполнено в виде поворотного устройства 18, которое более подробно описано ниже со ссылкой на фиг.2 и 3.
Как показано на фиг.1, оба измерительных зонда 10, 11 могут перемещаться общим исполнительным устройством 21. Возможно также раздельное перемещение измерительных зондов 10, 11 отдельными исполнительными устройствами.
Каждый из серводвигателей 22а, 22b датчиком 23 фактического положения соединен с процессором 12. Датчик 23 фактического положения может быть выполнен, например, в виде датчика угла поворота. Для управления обоими серводвигателями 22а, 22b они соединены с процессором 12 через усилитель 24 управляющих сигналов.
Оба измерительных зонда 10, 11 для их охлаждения и отделения от преобладающей в доменной печи атмосферы могут быть снабжены системой 25 обдува газом, прежде всего азотом, которая в предпочтительном варианте используется также для обдува, охлаждения и очистки подвергающихся воздействию преобладающей в доменной печи атмосферы деталей и элементов зондов, прежде всего их антенн.
Показанное на фиг.1 измерительное устройство помимо этого может иметь не изображенный на чертеже третий измерительный зонд, который соединен с процессором 12 и предназначен для измерения средней температуры газовой среды над шихтой. Для измерения средней температуры газа, соответственно в целом для измерения температуры газа в верхней зоне доменной печи может быть предусмотрен один или несколько измерительных зондов.
Показанное на фиг.1 измерительное устройство работает в соответствии со следующим способом измерений.
Оба измерительных зонда 10, 11 излучают в сторону поверхности шихты, с одной стороны, электромагнитные волны (первый измерительный зонд 10), а с другой стороны, акустические волны (второй измерительный зонд 11). Благодаря установочному движению, обеспечиваемому серводвигателями 22а, 22b, вся поверхность шихты сканируется обоими измерительными зондами 10, 11, а получаемые при этом данные измерений передаются в процессор 12. Сказанное означает, что каждым из обоих измерительных зондов 10, 11 выполняются разные измерения расстояния до шихты в доменной печи, для чего при этом используются не зависящие от температуры электромагнитные волны и зависящие от температуры акустические волны. Поскольку температура газа непосредственно влияет на скорость распространения акустических волн, по причине разного распределения температур газа прежде всего на поверхности шихты возникает расхождение между результатами измерений, выявляемое путем радиолокационного измерения, служащего помимо прочего в качестве измерения отклонений от номинальных значений и выполняемого первым измерительным зондом 10. На основании величины такого расхождения аналитическим методом определяется скорость распространения акустических волн и тем самым температура. Путем сканирования всей поверхности шихты комбинированным методом с использованием поворотных радиолокационных и акустических зондов в результате получают информацию, во-первых, о профиле поверхности, а во-вторых, температурном профиле шихты в доменной печи.
Поскольку с увеличением расстояния до поверхности шихты распределение температур газа выравнивается, возможно измерение средней температуры газовой среды в верхней зоне доменной печи, что позволяет при определении приповерхностного распределения температур газа учитывать влияние газовой среды в верхней зоне доменной печи на акустический измерительный сигнал. Распределение температур газа над шихтой можно определять с использованием более чем одного дополнительного измерительного зонда для получения еще более точного результата определения приповерхностного распределения температур газа.
Измерение средней температуры газовой среды в верхней зоне доменной печи является предпочтительным, но не строго обязательным для определения приповерхностного распределения температур газа. Распределение температур газа вблизи поверхности шихты как раз соответствует отклонению от оказывающей характеристическое влияние на акустический сигнал средней температуры газовой среды на удалении от поверхности шихты. Таким образом, согласно изобретению важное значение имеет лишь то, что акустический измерительный сигнал проходит через газовую среду и отражается от поверхности шихты, что используется для определения влияния температуры на акустический сигнал. Выполняемые с помощью предлагаемого в изобретении устройства, соответственно предлагаемым в изобретении способом измерения позволяют тем самым определять относительное распределение температур газа, которое является достаточным для контроля за работой доменной печи или которое, в свою очередь, можно определять во взаимосвязи с другими методами измерений для получения абсолютных значений температуры.
На основании результатов измерения распределения температур газа на поверхности шихты можно также сделать вывод о температуре на поверхности шихты. Вместе с тем измерение приповерхностного распределения температур газа обладает тем преимуществом, что температура газа является собственно представляющей интерес при работе доменной печи измеряемой величиной. Помимо этого поверхность шихты охлаждается при завалке в зоне загруженных в печь сравнительно более холодных шихтовых материалов. По этой причине хотя и оказывается влияние также на температуру газа в этой зоне, однако в существенно меньшей мере, чем на температуру поверхности шихты.
Очевидно, что при сканировании поверхности шихты перемещения обоих измерительных зондов 10, 11 должны быть скоординированы таким образом, чтобы между собой сравнивались данные измерений из одной и той же анализируемой зоны на поверхности шихты, сканируемой, с одной стороны, электромагнитными волнами, а с другой стороны, акустическими волнами.
Преимущество, связанное с использованием радиолокационных зондов и ультразвуковых зондов, состоит в том, что их можно размещать в верхней части рабочего пространства печи и тем самым стационарно устанавливать в не подвергающейся абразивному воздействию зоне доменной печи. Пример подобного размещения по меньшей мере одного измерительного зонда представлен на фиг.2. Второй измерительный зонд на фиг.2 не показан. На фиг.2 показано расположение поворотного устройства 18 для по меньшей мере одного измерительного зонда, который показан в двух разных положениях измерения. На фиг.2 наглядно показано, как измерительный луч измерительного зонда 10 “скользит” по поверхности шихты и таким путем сканирует профиль ее поверхности. На фиг.2 показано далее, что измерительное устройство, соответственно поворотное устройство 18 для него расположено на верхней стороне печи рядом с приводами загрузочного спускного желоба 26 над его выходом, а также над газоотводами 27 колошника в положении, в котором зонд, соответственно измерительная система в целом находится вне пределов непосредственного потока материала.
Конструкция поворотного устройства 18 показана на фиг.3.
1
1
Поворотное устройство 18 имеет составной корпус 13, который по меньшей мере на отдельных участках выполнен вращательно-симметричным, соответственно осесимметричным. Корпус 13 имеет первую, неподвижно расположенную часть 14а, которая по типу крышки закрывает корпус 13 сверху. Первая часть 14а корпуса соединена со стенкой печи. Корпус 13 имеет далее вторую и третью части 14b, 14с, установленные с возможностью вращения относительно друг друга. Для этого вторая и третья части 14b, 14с корпуса образуют наклонно проходящую относительно продольной оси L первой части 14а корпуса первую плоскость D вращения.
1
1
Плоскость разъема вращающихся относительно друг друга половин корпуса, соответственно его второй и третьей частей 14b, 14с лежит в наклонной первой плоскости D вращения. Опорно-поворотное соединение между второй и третьей частями 14b, 14с корпуса реализовано с использованием первого подшипника 28 качения, который расположен в наклонной первой плоскости D вращения. Такой подшипник качения представляет собой шарикоподшипник. Вместо шарикоподшипника возможно применение и подшипников качения иных типов.
Подшипник 28 качения выполнен самоуплотняющимся. Конструкция такого самоуплотняющегося подшипника 28 качения более подробно поясняется ниже со ссылкой на фиг.4. На этом чертеже, однако, в разрезе показан фрагмент второго подшипника 31 качения, соединяющего между собой первую и вторую части 14а, 14b корпуса. Первый же подшипник 28 качения имеет в основном аналогичное исполнение. Подшипник 31, соответственно 28, качения имеет внутреннее кольцо 44а и наружное кольцо 44b. Внутреннее кольцо 44а выполнено с внутренним зубчатым венцом 32, который не предусмотрен у первого подшипника 28 качения. Как показано на фиг.4, внутреннее кольцо 44а и наружное кольцо 44b в осевом направлении выступают за пределы друг друга. При этом внутреннее кольцо 44а выступает за торцевую поверхность наружного кольца 44b. Наружное же кольцо 44b выступает за расположенную с противоположной стороны подшипника 31, соответственно 28 качения торцевую поверхность внутреннего кольца 44а. В результате образуется смещенное расположение внутреннего кольца 44а и наружного кольца 44b друг относительно друга, как это показано на фиг.4. Каждая из выступающих частей внутреннего кольца 44а и наружного кольца 44b обозначена позицией 45. При этом выступающая часть 45 наружного кольца 44b обращена радиально внутрь, а выступающая часть 45 внутреннего кольца 44а - радиально наружу. На каждой из обращенных радиально внутрь, соответственно радиально наружу поверхностей выступающих частей 45 предусмотрено по уплотнению 46, которое уплотняет торцевую поверхность внутреннего кольца 44а, соответственно наружного кольца 44b. Если говорить более конкретно, то предусмотренное на внутреннем кольце 44а уплотнение 46 уплотняет торцевую поверхность наружного кольца 44b, а предусмотренное на наружном кольце 44b уплотнение 46 уплотняет торцевую поверхность внутреннего кольца 44а.
Наружное кольцо 44b непосредственно соединено со стенкой первой части 14а корпуса, прежде всего привинчено к этой стенке. Наружное кольцо 44b окружено изолирующим кожухом 43, который заходит на торцевую поверхность наружного кольца 44b и доходит практически до уплотнения 46 на внутреннем кольце 44а. Изолирующий кожух 43 перекрывает предусмотренное для крепления наружного кольца 44b к первой части 14а корпуса отверстие 47. Внутреннее кольцо 44а соединено с крепежным кольцом 29с, прежде всего привинчено к нему. Крепежное кольцо 29с соединено с изолирующим кожухом 43, который закрывает предусмотренное для соединения отверстие 48. На фиг.4 виден далее наклонно расположенный участок 30а стенки корпуса, соответственно конический участок 30а стенки корпуса, который для образования места установки первого подшипника 28 качения проходит наклонно радиально внутрь.
Третий подшипник 35 качения, который соединяет дно 15 с третьей частью 14с корпуса, выполнен аналогично второму подшипнику 31 качения, подробно показанному на фиг.4.
В отличие от второго подшипника 31 качения, подробно показанного на фиг.4, самоуплотняющийся первый подшипник 28 качения не имеет внутреннего зубчатого венца, а соединен с двумя крепежными кольцами 29а, 29b, прежде всего привинчен к ним, которые, с одной стороны, соединены с внутренним кольцом 44а, а с другой стороны, - с наружным кольцом 44b.
Возможно использование самоуплотняющихся подшипников качения, соответственно шарикоподшипников и иных типов. Вместо самоуплотняющегося подшипника качения можно также использовать подшипник качения с дополнительным уплотнением, например, в виде уплотнительного кольца V-образного сечения.
Для установки первого подшипника 28 качения, обеспечивающего опорно-поворотное соединение между второй и третьей частями 14b, 14с корпуса, его внутренние стенки выполнены конической формы. Конические участки стенки корпуса обозначены позициями 30а, 30b и образуют две расположенные против друг друга кольцевые опорные поверхности, между которыми расположен, соответственно удерживается подшипник 28 качения. В этом отношении корпус по меньшей мере на отдельных участках, т.е. по меньшей мере в зоне кольцевых опорных поверхностей, выполнен вращательно-симметричным. При этом конический участок 30а стенки второй части 14b корпуса в смонтированном положении сужается книзу. Конический участок 30b стенки третьей части 14с корпуса в смонтированном положении и в показанном на фиг.3 нейтральном положении сужается кверху. В соответствии с этим обе части 14а, 14b корпуса выполнены и расположены по типу двойного конуса. Наружные стенки второй и третьей частей 14b, 14с корпуса по меньшей мере на отдельных участках имеют цилиндрическую форму.
Места установки первого подшипника 28 качения могут быть образованы различным образом. Так, например, для этого можно, как уже указывалось выше, предусмотреть комплементарные (дополняющие друг друга по форме) конические участки 30а, 30b стенки корпуса, которые обращены внутрь корпуса и совместно с расположенной напротив стенкой корпуса образуют кольцевую опорную поверхность. Наружная стенка второй и третьей частей 14b, 14с корпуса может быть выполнена цилиндрической формы. Стенку корпуса можно выполнять и иной геометрической формы, например в форме усеченного конуса, прежде всего косого усеченного конуса, ось которого проходит под углом к его основанию.
2
1
2
Вторая часть 14b корпуса соединена с его первой, неподвижно расположенной частью 14а с возможностью поворота относительно нее. Для этого первая часть 14а корпуса и вторая часть 14b корпуса совместно образуют вторую плоскость D вращения, которая проходит перпендикулярно продольной оси L первой части 14а корпуса. В смонтированном состоянии вторая плоскость D вращения расположена горизонтально. Корпус 13 снабжен охватывающим его выступающую во внутреннее пространство доменной печи часть изолирующим кожухом 43.
2
Для опорно-поворотного соединения между собой второй части 14b корпуса и первой части 14а корпуса предусмотрен второй подшипник 31 качения с внутренним зубчатым венцом 32. Этот второй подшипник 31 качения находится во второй плоскости D вращения и расположен в основном горизонтально. Второй подшипник 31 качения выполнен самоуплотняющимся и имеет крепежное кольцо 29с, расположенное с внутренней, обращенной к ограниченному корпусом пространству стороны второго подшипника 31 качения. Для второго подшипника 31 качения можно использовать иные уплотнения.
Для приведения второй части 14b корпуса во вращение предусмотрен первый двигатель 17а, прежде всего редукторный двигатель, который соединен с первой частью 14а корпуса и имеет шестерню 33, зацепляющуюся с внутренним зубчатым венцом 32 второго подшипника 31 качения. Первый двигатель 17а расположен эксцентрично в первой части 14а корпуса и установлен в основном вертикально на выступающей радиально внутрь опорной стенке 34 первой части 14а корпуса. Возможно и иное расположение первого двигателя 17а.
3
3
3
1
3
3
1
2
Корпус 13 имеет дно 15, которым он оканчивается с обращенной от своей первой части 14а стороны. Между дном 15 и первой частью 14а корпуса расположены его вторая и третья части 14b, 14с. Дно 15 корпуса 13 и его третья часть 14с соединены между собой с возможностью поворота относительно друг друга и образуют третью плоскость D вращения. Эта третья плоскость D вращения расположена параллельно дну 15, соответственно перпендикулярно продольной оси L третьей части 14с корпуса. В показанном на фиг.3 нейтральном положении продольная ось L неподвижно расположенной первой части 14а корпуса и продольная ось L третьей части 14с корпуса совпадают, соответственно образуют одну прямую линию. В нейтральном положении дно 15 расположено перпендикулярно к этой линии, соответственно в целом расположено горизонтально. В показанном же на фиг.2 повернутом положении продольная ось L третьей части 14с корпуса проходит под углом к продольным осям L, L.
3
Для опорно-поворотного соединения между собой дна 15 и третьей части 14с корпуса предусмотрен третий подшипник 35 качения, находящийся в третьей плоскости D вращения. Этот третий подшипник 35 качения имеет внутренний зубчатый венец 36 и выполнен в виде самоуплотняющегося подшипника. В показанном на фиг.3 варианте третий подшипник качения выполнен в виде шарикоподшипника. Третий подшипник 35 качения соединен с крепежным кольцом 29d, расположенным с внутренней, обращенной к ограниченному корпусом пространству стороны третьего подшипника 35 качения.
Для приведения третьей части 14с корпуса во вращательное движение предусмотрен второй двигатель 17b, прежде всего редукторный двигатель, который опирается на дно 15 и имеет шестерню 37, зацепляющуюся с внутренним зубчатым венцом 36 третьего подшипника 35 качения.
Дно 15 соединено с неподвижной первой частью 14а корпуса без возможности вращения относительно нее. Сказанное означает, что дно 15 не совершает никакое вращательное движение, а остается неподвижным относительно первой части 14а корпуса и не вращается относительно нее. Благодаря этому обеспечивается возможность передачи приводного момента от второго двигателя 17b на третью часть 14с корпуса. Второй двигатель расположен эксцентрично на дне 15.
Соединение между дном 15 и неподвижно расположенной первой частью 14а корпуса обеспечивается через упор 16 против проворачивания, выполненный в виде цепи против проворачивания, которая с одной стороны неподвижно соединена с первой частью 14а корпуса, а с другой стороны - с дном 15. Такой упор 16 против проворачивания является крутильно-жестким и фиксирует дно 15, которое поэтому не совершает никакое вращательное движение.
Упор 16 против проворачивания выполняет также функцию опоры для измерительного зонда 10, 11. Для этого упор 16 против проворачивания выполнен в виде поворотного шарнира, прежде всего крутильно-жесткого поворотного шарнира, который обеспечивает шарнирное крепление измерительного зонда 10, 11 между первой частью 14а корпуса и дном 15. Упор 16 против проворачивания образует при этом своего рода карданный шарнир, который допускает возможность поворота в трех пространственных направлениях. Для этого упор 16 против проворачивания имеет первую крепежную деталь 38а П-образного в поперечном сечении профиля и вторую крепежную деталь 38b также П-образного в поперечном сечении профиля, открытые стороны которых обращены друг к другу. Между обеими крепежными деталями 38а, 38b расположен поворотный шарнир 39, который шарнирно соединен с открытыми сторонами каждой из П-образных крепежных деталей 38а, 38b. Схематично показанное на фиг.3 шарнирное соединение выполнено при этом таким образом, что обе крепежные детали 38а, 38b могут совершать относительно друг друга поворотное движение во всех пространственных направлениях. Если говорить более конкретно, то верхняя крепежная деталь 38а неподвижно соединена с неподвижной первой частью 14а корпуса. Нижняя крепежная деталь 38b неподвижно соединена с измерительной головкой измерительного зонда 10, а также с дном 15. Измерительная головка 40, в свою очередь, соединена с антенной, соответственно раструбовидной насадкой 41 измерительного зонда, которая через предусмотренное в дне 15 отверстие 42 выступает из корпуса 13. Отверстие 42 уплотнено уплотнительной пластиной 43 относительно преобладающей в доменной печи атмосферы.
Показанное на фиг.3 поворотное устройство 18 представлено лишь в качестве примера. Возможно использование и иных поворотных шарниров, следующих за поворотным или качательным движением дна 15. Обе функции, выполняемые упором 16 против проворачивания, а именно крутильно-жесткое соединение между собой дна 15 и первой части 14а корпуса и шарнирное крепление измерительного зонда 10, 11, можно также реализовать раздельно. Сказанное означает, что в этом случае дно 15 соединено с первой частью 14а корпуса крутильно-жестким поворотным шарниром, а измерительный зонд 10 отдельно от него закреплен на дне 15.
Преимущество крутильно-жесткого соединения между собой первой части 14а корпуса и дна 15 состоит в том, что измерительный зонд 10 не вращается, а совершает лишь поворотные, соответственно качательные движения. Поэтому электрические соединения между зондом и блоком обработки, соответственно процессором 12 можно сравнительно просто реализовать с использованием гибких кабелей, которые не показаны на чертеже. Если же отказаться от преимущества, связанного с установкой измерительного зонда без возможности вращения, а электрическое подсоединение измерительного зонда выполнить таким образом, чтобы обеспечивалась возможность его вращения, то дно 15 и третью часть 14с корпуса можно выполнить за одно целое, а привод третьей части 14с корпуса реализовать по-иному.
Показанное на фиг.3 поворотное устройство работает следующим образом.
2
1
2
1
3
1
3
При включенном верхнем двигателе 17а вторая часть 14b корпуса вращается вокруг своей продольной оси L, которая совпадает с продольной осью L неподвижно расположенной первой части корпуса. На вращательное движение второй части 14b корпуса, совершаемое во второй плоскости D вращения, накладывается вращательное движение третьей части 14с корпуса, совершаемое в первой плоскости D вращения. Для этого третья часть 14с корпуса приводится во вращение нижним двигателем 17b и совершает тем самым вращение вокруг (поворачивающейся) продольной оси L. В результате этого происходит относительное вращательное движение между второй частью 14b корпуса и третьей частью 14с корпуса, которое из-за наклонного расположения первой плоскости D вращения приводит к качательному движению дна 15. Поскольку дно 15 соединено с первой частью 14а корпуса без возможности вращения относительно него, дно 15 совершает исключительно качательное движение и не совершает вращательное движение вокруг продольной оси L. Обе - вторая и третья - части 14b, 14с корпуса приводятся во вращение обоими двигателями 17а, 17b во взаимно противоположных направлениях. Обе - вторую и третью - части 14b, 14с корпуса можно также приводить во вращение в одинаковом направлении, прежде всего с разными скоростями вращения. В целом же возможности управления можно программировать произвольно, что путем соответствующего управления двигателями позволяет приводить поворотное устройство в поворотные, соответственно качательные движения по различным законам.
1
1
2
1
1
1
2
При расположении первой плоскости D вращения, например, под углом 30° к продольным осям L, L измерительный зонд 10 можно за счет относительного движения между обеими частями 14b, 14с корпуса поворачивать на угол 60°. Первую плоскость D вращения можно располагать и под иными углами наклона. Плоскость D вращения можно, в частности, располагать с наклоном к продольным осям L, L под углом в пределах от более 0 до менее 90°.
1
2
3
1
2
3
1
1
2
3
1
Корпус 13 имеет, таким образом, по меньшей мере три вращающихся относительно друг друга части, т.е. вторую и третью части 14b, 14с, а также дно 15, которые соединены между собой с возможностью вращения в трех плоскостях D, D, D вращения. В нейтральном положении, т.е. в положении, в котором измерительный зонд 10 не повернут, а продольные оси L, L, L совпадают, вторая и третья плоскости вращения расположены параллельно друг другу, прежде всего горизонтально. Вторая и третья плоскости вращения расположены при этом на внешнем в осевом направлении конце второй и третьей частей 14b, 14с корпуса соответственно. Расположенная между ними первая плоскость D вращения проходит наклонно к продольной оси L, соответственно ко второй плоскости D вращения. При вращении второй и третьей частей 14b, 14с корпуса относительно друг друга третья плоскость D вращения поворачивается в соответствии с углом наклона первой плоскости D вращения. Повернутое положение измерительного зонда обозначено на фиг.2 в виде показанного штрихпунктирной линией измерительного луча.
В показанном на фиг.3 варианте на поворотном устройстве расположен один измерительный зонд 10. В принципе, однако, на поворотном устройстве 18 можно также располагать два или более измерительных зондов. Тем самым поворотное устройство 18 пригодно для применения в качестве исполнительного механизма или сервомеханизма для обоих измерительных зондов 10, 11 показанного на фиг.1 измерительного устройства, которые выполнены в виде радиолокационного зонда и ультразвукового зонда соответственно. Оба измерительных зонда 10, 11 могут располагаться в показанном на фиг.3 корпусе 13 рядом друг с другом и крепиться одним и тем же упором 16 против проворачивания. Возможно и иное размещение обоих измерительных зондов 10, 11 в корпусе 13.
Опорно-поворотные соединения поворотного устройства 18 обеспечивают возможность простого радиального уплотнения в плоскостях вращения. При этом на протяжении всего поворотного движения одни и те же части и детали устройства остаются закрытыми, что исключает возможность проникновения прилипающих частиц пыли и грязи через уплотнения в плоскостях вращения. Благодаря этому пространство вокруг измерительной головки, соответственно головки 40 измерительного зонда, соответственно вокруг головок измерительных зондов можно заполнять газом, например азотом, и таким путем отделять от преобладающей в доменной печи атмосферы. Одновременно с этим азот охлаждает чувствительные электронные компоненты, не допуская их перегрева, и может через отверстия в раструбовидной насадке измерительного зонда (не показана) перетекать во внутреннее пространство доменной печи для защиты находящихся в нем антенн от пыли.
Поворотное устройство 18 является объектом изобретения во взаимосвязи со всеми отличительными особенностями измерительного устройства в той части, в которой они являются новыми. Поскольку поворотное устройство 18 можно использовать и для других, например обычных, измерительных зондов, поворотное устройство 18 в той части, в которой оно является новым, составляет также самостоятельный объект изобретения независимо от показанного на фиг.1 измерительного устройства.