УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ШЛАКА В ПОТОКЕ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА
DEVICE FOR DETECTION OF SLAG CONTENT IN MOLTEN METAL STREAM

Область техники
Изобретение имеет отношение к технике обнаружения содержания шлака в потоке жидкого металла, в частности к устройствам обнаружения содержания шлака в потоке жидкого металла через выход плавильной печи или ковша во время процесса непрерывной разливки.
Уровень техники
Во время процесса непрерывной разливки некоторое количество шлака вытекает вместе с жидким металлом на последнем этапе розлива жидкого металла через выход плавильной печи или ковша. Для того чтобы поддерживать чистоту жидкого металла, необходимо использовать чувствительный элемент (сенсор) на выходе плавильной печи или ковша для обнаружения и управления содержанием шлака. Чувствительный элемент (или сенсор) - ключевой элемент устройства для обнаружения содержания шлака в потоке жидкого металла. Обычно это кольцевой электромагнитный сенсор, который окружает жидкий металлический поток. Так как сенсор находится при высокой температуре окружающей среды, изоляция между обмотками - ключевая задача, которая должна быть решена во время его изготовления. В патенте DE 3722795 в качестве изоляции между обмотками используется керамический наполнитель таким образом, что обмотки, керамический материал и рукав из нержавеющей стали образуют защитный кабель. Преимущество этого патента заключается в простоте производственного процесса. Неудобства состоят в следующем: во-первых, защитный кабель толст, а количество витков, которое должно быть в пределах ограниченного пространства в чувствительном элементе, ограничено (приблизительно 10 витков), что вызывает индуктивное сопротивление, приводящее к снижению мощности электромагнитной индукции обмотки (меньше чем 0.3 Ом), таким образом чувствительность сенсора ограничена; во-вторых, так как внутреннее пространство в защитном кабеле является узким, используемые провода с сердечником достаточно тонкие, его сопротивление постоянного тока (обмотка возбуждения - приблизительно 50 Ом, а измерительная обмотка - приблизительно 150 Ом) значительно превышает индуктивное сопротивление обмотки, поэтому большая часть возбуждающей мощности потребляется обмоткой возбуждения, излучающей теплоту. При этом для электромагнитного возбуждения используется менее 0.6% всей мощности, что также ограничивает чувствительность сенсора. Для такой более низкой чувствительности амплитуда сигнала чувствительного элемента должна быть в значительной степени увеличена, что приводит к ухудшению стабильности системы. В патенте ZL 01255085.Х для решения задачи изоляции в горячей зоне используется изолирующая керамическая труба, которая устанавливается поверх обмотки, вокруг которой заполняется изолирующий материал. Однако процесс изготовления в этом решении усложняется, с одной стороны, а, с другой стороны, в этом решении обмотка должна быть выполнена в виде единой кольцевой структуры, потому что изолирующие труба и материал занимают большую часть пространства в пределах чувствительного элемента, таким образом, чувствительность и стабильность чувствительного элемента сильно ограничены. До настоящего времени это решение не было доведено до практического применения.
Другая ключевая задача, требующая решения, это задача понижения фонового интерференционного сигнала в чувствительном элементе (изменение фонового сигнала, излучаемого в измерительной обмотке обмоткой возбуждения, и дрейфовой составляющей сигнала, вызванной изменением температуры подложки плавильной печи или конвертера). В патенте DE 3722795 дрейфовую составляющую сигнала в чувствительном элементе понижают за счет локального электромагнитного экрана, а также за счет подачи нескольких токов различных частот на обмотку возбуждения. Для этого обмотка возбуждения и измерительная обмотка монтируются в той же самой небольшой камере в корпусе чувствительного элемента (фактически обмотка возбуждения и измерительная обмотка монтируются в защитном кабеле в той же самом рукаве из нержавеющей стали), а эталонная обмотка монтируется в другой камере в корпусе чувствительного элемента или вне корпуса чувствительного элемента, а некоторый электрический сигнал используется для моделирования эталонной обмотки для того, чтобы электромагнитный материал экрана мог быть дополнительно интегрирован в различные части в корпусе чувствительного элемента. Это решение делает расстояние между измерительной обмоткой и обмоткой возбуждения короче, таким образом, коэффициент взаимной индукции и его температурный коэффициент увеличиваются, при этом увеличивается фоновый сигнал измерительной обмотки и расхождения фонового сигнала как функции температуры, величина дрейфовой составляющей сигнала, вызванная изменением температуры самого чувствительного элемента, превышает сигнал, вызванный изменением температуры подложки. Это непосредственно воздействует на стабильность чувствительного элемента. За счет использования электромагнитного материала экрана, особенно при перемещении эталонной обмотки вне чувствительного элемента, эталонная обмотка и измерительная обмотка расположены в различных окружающих средах; в этом случае трудно противодействовать интерференционному сигналу в измерительной обмотке эталонной обмоткой и током, возбужденным дополнительной частотой.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является разработка чувствительного, устойчивого и достоверного устройства обнаружения содержания шлака в струе жидкого металла, которое будет простым в промышленном изготовлении.
Эта задача решается созданием устройства обнаружения содержания шлака в струе жидкого металла, которое включает чувствительный элемент, окружающий указанный поток, сигнальный кабель и сигнальный процессор. Указанный чувствительный элемент имеет кольцевой металлический корпус, слои обмоток в пределах чувствительного элемента, при этом каждый из них намотан в спиральном пазу, который находится на слое изоляции.
Изоляционный слой состоит из изоляционных листов с пазом. Листы изоляции с пазом, будучи кольцеобразно расположенными, смещены один за другим в осевом направлении кольцевого чувствительного элемента таким образом, что каждый лист смещен на шаг окружности в осевом направлении кольцевого чувствительного элемента, который смонтирован в цельной окружности. Поэтому паз в листе изоляции - спиральный паз, который может использоваться для проветривания обмотки.
Внутри чувствительного элемента по настоящему изобретению от внутреннего кольца до внешнего кольца последовательно и соответственно расположены измерительная обмотка, заполняющийся слой, обмотка возбуждения и компенсационная обмотка. Сигналы в компенсационной и измерительной обмотках накладываются в противофазе в процессоре для обработки сигналов.
Заполняющийся слой в настоящем изобретении состоит из заполняющей изоляции, блокированной пазами.
В изобретении, вне компенсационной обмотки имеется скрепляющая обмотка, которая намотана в изоляционном слое со спиральным пазом.
В чувствительном элементе настоящего изобретения листы изоляции с пазом могут улучшить изоляцию между каждым слоем обмотки и изоляцию между каждым витком в том же самом слое, и таким образом производственный процесс упрощается; стоимость материала снижается, а производственный период сокращается. Особенно важно то, что обмотки, намотанные вдоль пазов, могут быть намотаны несколькими витками и иметь большой диаметр, таким образом, индуктивное сопротивление обмотки возбуждения увеличивается, в то время как сопротивление постоянного тока в этой обмотке уменьшается. Поэтому, в конце концов, ток возбуждения в обмотке возбуждения увеличивается, особенно усиливается излучательная часть электромагнитной энергии, что повышает чувствительность сенсора.
В изобретении заполняющийся слой, включенный в чувствительный элемент для обнаружения шлака, приводит к тому, что обмотки в сенсоре смонтированы неравномерно, таким образом, что обмотка возбуждения размещена вдали от измерительной обмотки и ближе к компенсационной обмотке. Таким образом, фоновый сигнал, выделяемый в измерительной обмотке обмоткой возбуждения, понижен. Это можно нейтрализовать за счет небольшого числа витков компенсационной обмотки. Кроме того, включение заполняющегося слоя увеличивает расстояние между компенсационной обмоткой и потоком жидкого металла, при этом наведенный сигнал, выделяемый вихревым током в компенсационной обмотке, которая имеет небольшое количеством витков и расположена далеко от потока, будет намного меньше, чем наведенный вихревым током сигнал в измерительной обмотке, которая имеет большое количество витков и также расположена далеко от потока металла. Когда наведенный сигнал в компенсационной обмотке противодействует фоновому сигналу, произведенному в измерительной обмотке от обмотки возбуждения, полезный сигнал, произведенный в измерительной обмотке вихревым током в жидком металлическом потоке, немного понижается. Кроме того, электромагнитный конструкционный материал, типа подложки, используемый как излучающее тело вторичных электромагнитных волн около компенсационной обмотки с малым количеством витков и расположенный вдали от измерительной обмотки с большим количеством витков, полезен для предохранения чувствительного элемента от скачков напряжения сигнала, вызванного электромагнитным материалом. В результате этого заполняющийся слой эффективно улучшает отношение сигнал-шум кольцевого чувствительного элемента для обнаружения потока шлака. Дифференциальная структура измерительной и компенсационной обмоток, удивительное отношение сигнал-шум и большой ток возбуждения чувствительного элемента в соответствии с настоящим изобретением гарантируют, что средства обнаружения содержания шлака в жидком металле имеют высокую чувствительность, стабильность и надежность.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение иллюстрируется с помощью Фиг.1 и 2A-2D.
Фиг.1 - схема устройства обнаружения шлака;
Фиг.2А - вид спереди сенсора для обнаружения шлака;
Фиг.2В - вид сверху сенсора для обнаружения шлака;
Фиг.2С - увеличенный вид вдоль линии А-А на Фиг.2В; и
Фиг.2D - увеличенный вид части Фиг.2В.
Примеры осуществления изобретения
Изобретение будет описано более детально со ссылками на чертежи и различные варианты.
На Фиг.1 показана схема устройства для обнаружения содержания шлака в потоке жидкого металла, вытекающего из ковша. На Фиг.1 жидкий металл 16 находится в ковше 17, на дне которого имеется выпускное отверстие 18, а поток жидкого металла 19 течет в разливочный желоб через выпускное отверстие 18, сквозь апертуру ползуна 20. Чувствительный элемент электромагнитного типа 22 для обнаружения шлака устанавливается вокруг потока жидкого металла 19 и выпускного отверстия 18, подложка сосуда 23 прилегает к внешней кольцевой стороне чувствительного элемента 22, выше сенсора расположена кирпичная опора ковша 24, а ниже сенсора расположена посадочная поверхность вспомогательных салазок 25. Сигнал от чувствительного элемента 22 передается на процессор обработки сигналов 27 через кабель 26. Когда содержание шлака в струе жидкого металла 19 превышает заданное значение, процессор обработки сигналов 27 дает тревожный сигнал и посылает сигнал на закрытие ползуна 20 для того, чтобы предотвратить проникновение потока жидкого металла, содержащего чрезмерное количество шлака, в разливочное устройство 21.
На Фиг.2А и 2D показан принцип и структура чувствительного элемента для обнаружения шлака 22. Сенсор 22 имеет кольцевую форму с металлическим корпусом 1. Внутри корпуса 1, от внутреннего кольца к внешнему кольцу, расположены последовательно и соответственно: измерительная обмотка 2, обмотка возбуждения 3 и компенсационная обмотка 4. Два слоя измерительной обмотки намотаны на два спиральных паза двух изоляционных слоев. Между измерительной обмоткой 2 и обмоткой возбуждения 3 расположен заполняющийся изоляционный слой 6 с пазами. Четыре слоя обмотки возбуждения 3 намотаны по спиральным пазам заполняющегося изоляционного слоя 6 и трем изоляционным слоям 7 соответственно. Один слой компенсационной обмотки 4 намотан на спиральный паз одного изоляционного слоя 8. Вне компенсационного слоя 4 расположен один слой обмотки, используемый как ускоряющий слой 9, который намотан на спиральный паз изоляционного слоя 10 таким образом, чтобы сохранить форму и положение измерительной обмотки 2, обмотки возбуждения 3, компенсационной обмотки 4, изоляционного слоя 5, заполняющегося слоя 6, изоляционного слоя 7 и 8 внутри чувствительного элемента 22. Изоляционные слои 5, 7, 8 и 10 состоят из нескольких изоляционных листов с пазами 11, 13, 14, и 15 соответственно, а заполняющийся изоляционный слой состоит из заполняющегося изоляционного блока с пазом 12. Будучи вертикально и послойно смонтированными в кольцевой форме внутри чувствительного элемента 22, расположенного горизонтально, изоляционные листы с пазами 11, 13, 14, 15, каждый из которых вместе с заполняющимся изоляционным блоком 12 с пазами смещается вдоль осевого направления кольцевого сенсора равномерно один за другим, таким образом, что изоляционные листы с пазами 11, 13, 14 и 15 и заполняющийся изоляционный блок 12 смещаются на шаг витка с накоплением в осевом направлении кольцевого сенсора 22, когда они смонтированы в виде замкнутой окружности и образуют изоляционные слои 5, 7, 8, 10 и заполняющийся слой 6. В этом случае пазы изоляционных слоев 5, 7, 8, 10 и заполняющегося слоя 6 образуют спиральный паз, на который может наматываться обмотка. Обычно периметр внутренней обмотки сенсора 22 значительно превышает ширину изоляционных листов 11, 13, 14, 15 и заполняющегося блока 12, а радиус кривизны паза изоляционных листов 11, 13, 14, 15 и заполняющегося блока 12 немного больше радиуса провода, намотанного на нем, чтобы гарантировать равномерную намотку обмотки в спиральном пазу. Изоляционные листы 11, 13, 14, 15 и заполняющийся изоляционный блок 12 изготовлены из керамического материала с высокой температуроустойчивостью.
Переменный ток, генерируемый процессором обработки сигналов 27, подается на обмотку возбуждения 3 по кабелю 26 для индуцирования вихревого тока в потоке жидкого металла 19, а вихревой ток индуцирует сигналы в измерительной обмотке 2 и в компенсационной обмотке 4 соответственно. Эти два индуцированных сигнала поступают в процессор обработки сигналов 27 по кабелю 26, где они накладываются в противофазе, так, что фоновые сигналы в измерительной обмотке 2 и компенсационной обмотке 4 взаимно противодействуют с помощью обмотки возбуждения. Использование заполняющегося слоя 6 увеличивает расстояние между двумя обмотками и уменьшает фоновый сигнал в измерительной обмотке 3, вызываемый обмоткой возбуждения 2. Таким образом, компенсационная обмотка 4 с малым числом витков может противодействовать фоновому сигналу в измерительной обмотке 2 с большим количеством витков, который излучает обмотка возбуждения. В сравнении с компенсационной обмоткой 4 измерительная обмотка 2 имеет большое количество витков и расположена рядом с потоком жидкого металла 19. Вихревой ток в потоке жидкого металла 19, выделяемый обмоткой возбуждения 3, индуцирует сигнал в измерительной обмотке 2, который значительно превышает сигнал, производимый вихревым током в компенсационной обмотке 4, которая имеет малое количество витков и располагается вдали от потока. Таким образом, во время наложения этих двух сигналов в противофазе в процессоре обработки сигналов 27 остается основная часть сигнала в измерительной обмотке 2, произведенная вихревым током в потоке жидкого металла 19. В дополнение к фоновому сигналу в измерительной обмотке 2, произведенному обмоткой возбуждения 3, вихревой ток, произведенный током обмоткой возбуждения 3 в среде электромагнитного материала, такого как подложка 23 ковша и установочное основание верхних салазок 25 и т.п., является ключевым фактором, вызывающим дрейф сигнала в чувствительном элементе 22. На Фиг.1 металлические материалы, такие как подложка 23 и установочное основание верхних салазок 25 и т.п., расположены рядом с компенсационной обмоткой 4 с малым числом витков, которая расположена на расстоянии от измерительной обмотки 2 с большим количеством витков. Такой монтаж существенно снижает помехи в чувствительном элементе, вызванными температурными изменениями в электромагнитном материале, окружающем чувствительный элемент 22.