СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И МОНИТОРИНГА УРОВНЯ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ
METHOD AND DEVICE TO MEASURE AND MONITOR LEVEL OF LIQUID METAL IN CRYSTALLISER

Область техники
Предлагаемое изобретение относится к способу и устройству, обеспечивающему возможность проводить измерения уровня или высоты мениска в процессе непрерывной разливки стали в изложницы для непрерывной разливки с обеспечением высокой степени точности и надежности, а также с высокой частотностью проведения измерений.
Предлагаемое изобретение применимо ко всем тем случаям, когда жидкий металл и/или кристаллизатор допускают взаимодействие с магнитным полем, вследствие действия которого генерируются наведенные токи.
Предлагаемое изобретение позволяет также определять наличие или отсутствие жидкого металла в поле считывания устройства по предлагаемому изобретению.
Хотя при дальнейшем описании процесса непрерывной разливки стали в изложницы из соображений простоты преимущественно рассматривается стадия охлаждения и затвердевания, должно быть понятно, что предлагаемое изобретение применимо также к измерению расплава в подходящей емкости любого типа.
Предшествующий уровень техники
Известно, что в процессе непрерывной разливки определение уровня мениска выплавляемой стали и точки отделения жидкой фазы от изложницы, т.е. начала твердой внешней корочки, представляет собой одну из самых трудных проблем для эффективного и своевременного мониторинга.
Действительно, начало твердой внешней корочки, т.е. оболочки из затвердевшего металла, которая стремится увеличить свою толщину вниз по изложнице и содержит внутри себя металл, все еще находящийся в расплавленном состоянии, образуется несколько ниже упомянутого уровня и на стенках изложницы по причине принудительного охлаждения последней.
Если уровень мениска не подвергать постоянному и точному мониторингу с целью возможной коррекции потока выплавляемой стали и скорости отвода стали, то уровень поверхности расплавленной стали может также быстро меняться; такие изменения часто приводят, как известно в данной отрасли, к проламыванию твердой внешней корочки, что приводит к нарушению ее способности удерживать расплавленный металл без протечек.
В общем случае такие проламывания приводят к нежелательным последствиям, как это подробно описывается в Международной патентной заявке WO 2005/037461, принадлежащей тому же заявителю, что и настоящая патентная заявка; в упомянутой публикации имеются также ссылки на другие публикации, относящиеся к данной отрасли, в которых обсуждается эта проблема, например на публикацию JP 11304566 А2.
В публикации ЕР 0312799 А1 раскрывается устройство для измерения уровня жидкости в кристаллизаторе, в котором используется по меньшей мере одна первичная катушка (передающая катушка), получающая питание от источника электрического тока средней частоты, и по меньшей мере одна вторичная катушка (принимающая катушка). Упомянутые катушки расположены в теле изложницы и имеют электромагнитную связь со стенкой кристаллизатора и его внутренним объемом.
Принцип работы вышеозначенного устройства основан на том, что информация, касающаяся уровня жидкости в изложнице, формируется путем обработки сигналов, генерируемых упомянутой принимающей катушкой, которые зависят от средней температуры стенки кристаллизатора, что может быть, в свою очередь, использовано для корреляции уровня жидкости с помощью известных средств.
Однако это техническое решение, хотя и эффективное в некоторых условиях, имеет определенные недостатки, которые не могут быть преодолены: прежде всего, необходимо наличие по меньшей мере трех катушек, из которых одна передающая и по меньшей мере две принимающих катушки; это, естественно, влечет за собой не только удорожание устройства и усложнение конструкции используемого кристаллизатора, но также требует более сложной и поэтому менее надежной обработки сигналов, генерируемых в этих трех катушках.
Кроме того, и это является главным недостатком рассматриваемого технического решения, сигнал, генерируемый в принимающих катушках, искажается под воздействием температуры самих этих катушек, которые, хотя и защищены металлической оболочкой, во время работы приобретают температуру охлаждающей жидкости, которая никогда не является постоянной и в процессе разливки стали может изменяться, изменяя тем самым температуру катушек.
V1
V2
Поскольку разность фаз напряжения и тока в упомянутых двух катушках по существу зависит от конечного напряжения, индуцируемого на токосъемной катушке (ближайшей к медной стенке кристаллизатора), она может быть выражена либо через напряжение V наиболее удаленной катушки, либо через напряжение V наиболее близкой катушки.
По существу, фазовый сдвиг между упомянутыми двумя напряжениями, который мы обозначаем «Δφ», может быть выражен следующим образом:
V1
V2
Δφ=f(V, V).
Поэтому понятно, что при изменении омического сопротивления катушек соответствующие напряжения будут изменяться как по абсолютной величине, так и по фазе, а поскольку физическая система принципиально несимметрична, изменения напряжений в двух катушках не будут одинаковыми.
Действительно, предположив, что
V1
V1
V=Asen(wt+φV),
V2
V2
V=Bsen(wt+φV),
где А и В - соответствующие константы, разность фаз в двух катушках будет выражена как
-1
-1
V1
v2
Δφ=sen(V/A)-sen(V/B).
Поэтому понятно, что в случае несовершенной симметрии при изменении только омического сопротивления будет иметь место также изменение фазы.
Наконец, упомянутые омические сопротивления зависят от температуры соответствующей катушки, каждая из которых погружена в охлаждающую жидкость, и температура этой охлаждающей жидкости может очень быстро непредсказуемым образом меняться, из чего логически следует, что температура и, следовательно, омическое сопротивление двух катушек также изменяются, что означает, что фазовый сдвиг сигналов от этих двух катушек также изменяется, и это в конечном счете приводит к выдаче неверной информации, касающейся уровня жидкого металла при непрерывной разливке последнего.
В конце концов, поскольку асимметрия физической системы неустранима самой системой, эта асимметрия распространяется также на измерительный процесс и, поэтому, представляет собой неустранимый недостаток соответствующей измерительной методики.
Из других патентов, например US 4138888, ЕР 0192043, US 3366873, US 6517604, US 6337566, US 4647854, ЕР 0010539, ЕР 0087382, US 4441541, US 4529029, известны технические решения, в которых используются катушки, генерирующие электромагнитные поля для определения высоты уровня мениска в изложнице для непрерывной разливки, однако в системах, раскрываемых в вышеозначенных публикациях, предусматривается использование по меньшей мере двух отдельных катушек, и потому им присущи те же недостатки, которые описаны выше.
В соответствии с вышеизложенным, целью предлагаемого изобретения является создание усовершенствованного устройства для измерения уровня мениска жидкой стали в изложнице в процессе непрерывной разливки стали и соответствующий способ, свободные от вышеописанных недостатков предшествующего уровня техники.
Кроме того, устройство по предлагаемому изобретению является легким в изготовлении и может работать с материалами и компонентами, обычно доступными в данной отрасли, и потому оправдывает затраты на свое изготовление.
Эти цели достигаются, и другие особенности предлагаемого изобретения обеспечиваются с помощью устройства и способа, заявляемых в формуле изобретения.
Краткое описание прилагаемых чертежей
Предлагаемое изобретение может быть осуществлено согласно не ограничивающему его объем предпочтительному варианту, который здесь подробно описывается и иллюстрируется на не ограничивающем объем изобретения примере со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 схематично показана в продольном разрезе изложница, используемая в предлагаемом изобретении, и приведен относящийся к ней график.
На фиг.2 в увеличенном виде показана в продольном разрезе часть изложницы, снабженной устройством по предлагаемому изобретению.
На фиг.3 приведен график векторов импеданса катушки, используемой в предлагаемом изобретении, с разложением на активную и реактивную составляющие, на две различимых рабочих составляющих.
На фиг.4 приведен график векторов, изображенных на фиг.3, на который накладывается вектор импеданса, определенный при другой температуре катушки.
На фиг.5 схематично проиллюстрирована катушка, используемая в предпочтительном варианте осуществления предлагаемого изобретения.
На фиг.6 схематично изображена катушка, используемая в другом варианте осуществления предлагаемого изобретения.
На фиг.7 схематично изображена катушка, используемая еще в одном варианте осуществления предлагаемого изобретения.
Подробное описание некоторых предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретения
На фиг.1 и фиг.2 в вертикальном разрезе показана изложница, при этом использованы следующие обозначения:
1 - кристаллизатор,
2 - труба для заливания жидкой стали в кристаллизатор 1,
3 - шлак,
4 - твердая внешняя корочка,
5 - сталь в жидком состоянии,
6 - мениск,
7 - охлаждающая рубашка,
8 - охлаждающая жидкость в охлаждающей рубашке 7.
Предлагаемое изобретение базируется на явлении, которое само по себе известно и состоит в том, что высота уровня мениска заметно влияет на температуру соответствующей части кристаллизатора 1, и что на температуру кристаллизатора 1, выполненного в основном из меди, в свою очередь влияет его удельное электрическое сопротивление "r".
Поэтому изменение температуры медной стенки кристаллизатора 1 ввиду присутствия находящегося с ней в контакте жидкого металла 5 вызывает изменение удельного сопротивления "r" собственно меди.
Если на кристаллизатор 1 действует первичное электромагнитное поле, генерируемое надлежащей передающей катушкой, по которой пропущен переменный электрический ток надлежащей частоты, например в пределах 10-200 Гц, то в теле стенки кристаллизатора 1 генерируются так называемые вихревые токи или токи Фуко, природа и происхождение которых хорошо известны.
Упомянутые вихревые токи, в свою очередь, генерируют вторичное электромагнитное поле, которое распространяется согласно законам Максвелла и может восприниматься одной или более принимающими катушками, в которых естественным образом индуцируется электродвижущая сила.
Величина упомянутых вихревых токов зависит от определенных параметров, а именно:
- от величины электрического тока в передающей катушке,
- от геометрической конфигурации различных компонентов системы,
- от частоты переменного тока,
- от электропроводности материала, т.е. меди или другого электропроводного материала, из которого выполнен кристаллизатор 1.
Первые три из вышеупомянутых параметров не зависят от температуры кристаллизатора 1, в то время как четвертый параметр, т.е. электропроводность меди, напротив, от температуры кристаллизатора 1 зависит, как говорилось выше.
Поэтому вторичное электромагнитное поле, на которое влияет температура кристаллизатора 1, согласно физическим законам, легко подтверждаемым экспериментально, генерируется в соответствии с уровнем мениска и может служить показателем последнего.
Поэтому путем измерения и сравнения электродвижущих сил в принимающей катушке и параметров электрического тока в передающей катушке, который генерирует первичное электромагнитное поле, обеспечивается возможность определить электромагнитное поле, генерируемое вихревыми токами, а из него температуру кристаллизатора 1 и, в конечном счете, высоту мениска.
До сих пор характеризовался предшествующий уровень техники, описываемый, в частности, в публикации ЕР 0312799.
Согласно предлагаемому изобретению вводится передающая катушка 9, которая при подаче на нее электрического сигнала подходящей частоты, предпочтительно в диапазоне 10÷200 Гц, генерирует первичное электромагнитное поле, действующее на верхнюю часть кристаллизатора 1; как реакция на это первичное электромагнитное поле возникает вторичное электромагнитное поле, которое отличается от первичного электромагнитного поля по модулю и по фазе; эти два электромагнитных поля, первичное и вторичное, суммируются, и в передающей катушке 9 индуцируется некоторый результирующий электрический ток, который является показателем надлежащих параметров по отношению к напряжению, этот результирующий ток может быть измерен на выводах передающей катушки 9 также при действии упомянутого вторичного электромагнитного поля.
Согласно предлагаемому изобретению передающая катушка 9 имеет малый размер, прилегает только к части стенки кристаллизатора 1, имеет по существу плоскую форму, а ее главная ось по существу перпендикулярна главной оси кристаллизатора 1, которая совпадает с направлением движения жидкой стали внутри кристаллизатора 1.
На деле принимается во внимание следующее соотношение:
Z=R+jX.
Это общая формула импеданса, где R это компонента в фазе с напряжением, а X это компонента в квадратуре с напряжением.
Эта формула импеданса Z может быть применена, разумеется, также для определения полного импеданса в передающей катушке, а также от действия вторичного электромагнитного поля.
Однако учтено обстоятельство, лежащее в основе предлагаемого изобретения, т.е. тот факт, что обе компоненты импеданса Z: как компонента в фазе с напряжением (R), так и компонента в квадратуре с напряжением (X) не являются постоянными величинами, а каждая из них в определенной степени зависит от присутствия медного кристаллизатора 1.
Следует напомнить, что это свойство любого электропроводного материала, и его влияние на параметры векторов импеданса зависит от электропроводности.
По этой причине компонента импеданса, находящаяся в фазе с напряжением (R), для меди намного выше, чем для стали, с которой медь находится в контакте.
Кроме того, если материал к тому же проявляет магнитные свойства, то такой эффект усиливается величиной относительной магнитной проницаемости.
Вышеприведенное отношение может быть записано следующим образом:
DC
eq
air
Cu
Z=R+R(Cu)+j(X+X),
DC
eq
где R - это омическое сопротивление катушки 9, R(Cu) - это вклад в сопротивление от возникающего в качестве реакции вторичного электромагнитного поля; этот вклад обусловлен тем, что в катушке, на которую воздействует вторичное электромагнитное поле, генерируются поверхностные токи (так называемый «скин-эффект»), влияние которых представлено некоторым эквивалентным сопротивлением.
Строго говоря, следует также принимать во внимание реакцию фантомной катушки, расположенной зеркально относительно медной стенки, и рассматривать медь как некоторое бесконечное полупространство с бесконечной проводимостью, однако влияние этого фактора на практике с точки зрения предлагаемого изобретения пренебрежимо мало и поэтому не будет приниматься во внимание.
Зеркальное расположение получается при размещении передающей катушки 9 по существу по обе стороны от предполагаемого уровня мениска в кристаллизаторе 1, при этом передающая катушка 9 приложена с одной стороны только к части стенки кристаллизатора 1. При другом решении, когда катушка или несколько катушек охватывают стенку кристаллизатора 1 полностью по обе стороны от уровня мениска и имеют центральную ось, которая является общей с главной осью кристаллизатора 1 или параллельна ей, такое зеркальное состояние достигнуто быть не может, и, поэтому, невозможно получение точных и надежных измерений.
eq
В рассматриваемом случае упомянутое эквивалентное сопротивление R(Cu) очевидным образом зависит от вихревых токов, индуцируемых в стенке кристаллизатора 1, а следовательно - от ее удельного сопротивления, а поэтому - от ее температуры, и в конечном счете - от уровня и, разумеется, от наличия мениска жидкой стали в кристаллизаторе и в поле считывания катушки 9.
air
Сходное объяснение может быть дано для X, т.е. для реактивной составляющей, обусловленной тем, что реактивное сопротивление передающей катушки 9 тоже зависит от упомянутых поверхностных токов, тем, что фаза вторичного электромагнитного поля не совпадает с фазой первичного электромагнитного поля, и тем, что эта фаза очевидным образом зависит от упомянутых вихревых токов, и поэтому, опять же, от температуры стенки кристаллизатора 1.
Действительно, в воздухе, при отсутствии кристаллизатора 1, предыдущая формула упрощается до
DC
air
Z=R+j(X).
При углубленном экспериментировании и проведении испытательных замеров было также замечено, что обе составляющие, относящиеся к действию кристаллизатора 1, изменяются пропорционально, т.е.
eq
Cu
R(Cu)=kX,
где k - константа.
0
1
1
0
Как можно видеть на фиг.3, где это явление проиллюстрировано графически, если вектор «Z» - это импеданс катушки 9 в воздухе, а вектор «Z» - это импеданс катушки 9, обусловленный наличием кристаллизатора 1, то, как замечено, вектор «Z» практически точно накладывается на вектор «Z», т.е. имеет практически ту же фазу, хотя и отличается по модулю.
Поэтому должно быть понятно, что при измерении фазы импеданса передающей катушки 9 не обнаруживается разницы в фазе, будь то в воздухе (при отсутствии кристаллизатора 1), или в теле стенки кристаллизатора 1.
Поэтому любые испытания на возможную разницу в фазе не дали бы полезной информации.
И наконец, сравнительный анализ двух составляющих, одна из которых в фазе, а другая в квадратуре, обеспечил бы искомую информацию об удельном сопротивлении и тем самым о температуре стенки кристаллизатора 1.
DC
Однако, если температура катушки 9 изменяется, например, из-за изменения температуры охлаждающей жидкости, в которую эта катушка погружена, то изменяться будет только составляющая R, в то время как остальные три составляющие останутся неизменными.
Поэтому в этом случае картина, представленная на фиг.3, сменится картиной, представленной на фиг.4.
Т.е. возникнет разница в фазе, которая будет влиять на измерения, потому что будет измеряться фаза, которая зависит также от температуры катушки 9, а не только от уровня мениска.
DC
DC
air
Cu
Ответственность за эту проблему лежит на омической составляющей R. поэтому предлагаемое изобретение базируется на том, что путем устранения этого фактора, т.е. непринятием во внимание омической составляющей R и вычислением температуры стенки кристаллизатора 1 только на основе реактивных компонентов j(X+X) обеспечивается возможность получения требуемой информации.
Действительно, идентифицировав и выбрав указанную реактивную составляющую, будет достаточно сравнить ее с предварительно установленными величинами, которые отражают значения высоты мениска, чтобы идентифицировать простыми средствами и способами уровень (высоту) мениска в конкретной ситуации, в которой проводятся измерения.
air
Cu
Для этого будет достаточно выполнить ряд экспериментов, в которых для разных значений высоты мениска устанавливается связь с соответствующими значениями вышеозначенных реактивных составляющих j(X+X), чтобы обеспечить простую идентификацию искомой высоты мениска с требуемой точностью.
air
Cu
Очевидным образом можно использовать и другие способы установления связи высоты мениска с реактивной составляющей j(X+X), например обработку информации по подходящему алгоритму, и такие технологии хорошо известны в данной отрасли, поэтому нет необходимости их описывать.
air
Cu
Что касается определения вышеозначенной реактивной составляющей, то достаточно будет с помощью известных способов измерить полный импеданс Z и угол фазового сдвига ”f” между током и напряжением на выводах передающей катушки 9 и вычислить реактивную составляющую j(X+X), которая равна синусу полного импеданса,
air
Cu
j(X+X)=Zsin”f”.
Теперь специалистам в данной отрасли должно быть понятно, что предлагаемое изобретение отличается от всех технических решений, известных из предшествующего уровня техники также в том отношении, что в то время как на предшествующем уровне техники используется по меньшей мере две катушки, одна передающая и одна принимающая, в предлагаемом изобретении используется только одна катушка.
Кроме того, рабочий режим предлагаемого изобретения полностью отличается от того, что имеет место в предшествующем уровне техники, потому что согласно предлагаемому изобретению температура стенки кристаллизатора 1 находится в корреляции с реактивной составляющей импеданса единственной катушки 9, а не от соотношения между фазами двух катушек, как это имеет место в предшествующем уровне техники.
Как показано на фиг.5, в наиболее предпочтительном варианте форма передающей катушки 9 должна быть как можно более плоской, при таком техническом решении обеспечивается максимальная чувствительность, потому что, и это очевидно, чем более удалены витки, тем меньше влияние на них вторичного электромагнитного поля, и поэтому желательно, чтобы все витки были как можно ближе к кристаллизатору 1.
Представляется предпочтительным также, чтобы высота "h" (см. фиг.6) катушки 9 приблизительно равнялась возможной вариации высоты уровня мениска 6, потому что измеряться должна температура именно этой части стенки кристаллизатора 1, поэтому большая величина высоты катушки 9 привела бы к потере чувствительности.
Наконец, на фиг.7 показана желательная геометрическая форма катушки 9, при этом из соображений обеспечения максимальной интенсивности сигнала и улучшения отношения «сигнал: шум» представляется желательным, чтобы ее высота была больше 30 мм, а длина больше 50 мм.
В качестве дополнительного усовершенствования предлагаемого изобретения для определения присутствия или отсутствия жидкого металла в поле считывания катушки 9 может быть использован алгоритм.
На деле вариация температуры стенки кристаллизатора 1 может быть вызвана нежелательными включениями твердого шлака или смачивающего порошка, попавшими в зону контакта со стенкой кристаллизатора 1, а не ее контактом с жидким металлом.
В таком случае катушка 9 будет детектировать вариацию температурного поля, которая не соответствует реальной вариации на уровне высоты мениска.
Для устранения этого потенциального недостатка в предлагаемом изобретении используется та особенность, что во время обычного процесса разливки стали кристаллизатору 1 придают колебания с фиксированной частотой вдоль его вертикальной оси, с тем чтобы облегчить выход жидкой стали из кристаллизатора 1.
Катушка 9 жестко скреплена с кристаллизатором 1, поэтому она совершает те же движения, что и кристаллизатор 1, то есть колеблется вместе с ним, но и жидкая сталь внутри кристаллизатора 1 также подвергается колебаниям. Таким образом, мы имеем электропроводное тело (жидкую сталь), совершающее движение вблизи катушки 9, и на катушке 9 присутствует электрическое напряжение, которое складывается из первичного напряжения от источника питания и вторичного напряжения, обусловленного движением жидкой стали, при этом это вторичное напряжение имеет частоту, соответствующую частоте колебаний.
Эта осциллирующая составляющая суммарного напряжения присутствует на катушке 9 только тогда, когда жидкий металл реально присутствует в кристаллизаторе 1, благодаря чему обеспечивается распознавание присутствия или отсутствия жидкого металла в кристаллизаторе 1, в результате чего удается избежать ошибки распознавания в случае отсутствия контакта стенки кристаллизатора 1 с жидким металлом, но при наличии в контакте с ней нежелательных включений твердого шлака или смачивающего порошка, попавших в зону контакта.