КОНСТРУКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ НА ОСНОВЕ КЕРАМИЧЕСКОЙ МАССЫ
STRUCTURAL ELEMENT BASED ON CERAMIC MASS

Изобретение относится к конструктивному элементу на основе керамической массы, которая является в значительной степени стабильной при повышенных температурах, прежде всего при температурах выше 800°С (это означает, что конструктивный элемент при такой температуре может выполнять свою обусловленную применением задачу). Конструктивный элемент может быть необожженным. Химические/керамические реакции для достижения термостойкости (вплоть до огнеупорности) проистекают затем, например, лишь при применении конструктивного элемента. Таким образом, изобретение включает в себя конструктивные элементы с термостойкостью также более 900°С, >1000°С, но также и >1100°С, >1200°С, >1300°С и, наконец, продукты для высокотемпературных применений свыше 1400°С. Конструктивный элемент может также быть отожженным или обожженным. Названная последней группа включает в себя конструктивные элементы, которые имеют термостойкость (огнеупорность) в вышеуказанной области.
Конструктивный элемент может состоять из монолитной массы: прежде всего, речь идет о формованном конструктивном элементе. Примерами для формованного огнеупорного конструктивного элемента указанного типа являются:
- кирпичи любой формы и размера, например, для огнеупорной футеровки промышленной печи, например литейного ковша, промежуточного разливочного устройства, стекловаренной ванной печи, конвертера, вращающейся трубчатой цементной печи, шахтной печи, мусоросжигательной установки или подобного,
- плиты, включая шиберные плиты для шиберных затворов, такие как применяются для регулировки/управления выпуском расплава металла на металлургических тигелях,
- конусы и усеченные конусы, включая конусы для подачи и диспергирования продуваемого газа (пористые керамические плиты для подачи и диспергирования продуваемого газа), такие как применяются для подвода газов, в основном инертных газов, в расплавы металлов. К этой группе также относятся пористые керамические плиты для подачи и диспергирования продуваемого газа с другой геометрией,
- другие формы, например, желоба, по которым направляется расплав металла, пробки для регулирования количества вытекающего расплава из металлургического тигеля, гильзы, фасонные кирпичи с отверстием для выпуска металла (well nozzle, well block) и многие другие.
2
3
2
2
2
Указанные конструктивные элементы могут быть изготовлены из различных материалов, например, из щелочной смеси на основе MgO или нещелочного материала на основе AlO, TiO, ZrO и/или SiO. Изобретение может быть применено для всех систем материалов. Конструктивные элементы могут отливаться, набиваться, прессоваться или обрабатываться как-либо иначе. Их система связей не подлежит ограничениям. Вследствие этого изобретение включает в себя, например, керамически или гидравлически связанные конструктивные элементы.
Все конструктивные элементы подвергаются износу. Как из технологических, так и из финансовых соображений существует желание оптимизировать долговечность (срок использования) конструктивного элемента. Однако зачастую это невозможно, так как отсутствует информация о состоянии (степени износа) конструктивного элемента. Это действительно, прежде всего, во время эксплуатации, так как высокие рабочие температуры затрудняют или делают невозможным контроль.
В WO 03/080274 А1 предлагается способ для эксплуатации шиберного затвора, у которого в области огнеупорных шиберных плит определяются и обрабатываются один или несколько из следующих параметров: размеры системы шиберного затвора, температуры в области шиберного затвора, давления цилиндров и пружин, которые воздействуют на шиберные плиты. Все это является косвенными величинами, которые не дают надежного представления о степени износа конструктивного элемента.
Задача изобретения заключается в осуществлении возможности идентификации и суждений о состоянии или же сроке службы конструктивного элемента до, во время и после эксплуатации.
В основе изобретения лежит следующее утверждение: регистрация различных характеристических величин вокруг собственного конструктивного элемента, как в уровне техники, не способствуют достижению цели. Так, плита шиберного затвора собирается в основном в механике из металла. Пористая керамическая плита для подачи и диспергирования продуваемого газа часто расположена в фасонном кирпиче с отверстием для выпуска металла или сливное отверстие (наконечник) окружено огнеупорными кирпичами или огнеупорной массой. Зачастую конструктивный элемент находится в контакте с горячим расплавом или продуктом обжига. Проверен должен быть, напротив, сам конструктивный элемент. Непосредственные оптические способы распознавания исключаются. Это относится также для непосредственного (физического) подключения измерительных и контрольных устройств.
Изобретение идет совершенно другим путем. Оно предлагает интегрировать в конструктивный элемент один или несколько датчиков (например, 1, 2, 3, 4 или более), чтобы таким образом регистрировать по меньшей мере один из следующих информационных параметров (также) во время эксплуатации конструктивного элемента и переносить ее на устройство обработки данных:
- информация по идентификации конструктивного элемента. К этому относятся, например, следующие данные: тип продукта, сорта материалов, реквизиты изготовителя, дата изготовления, поставки и ввода в эксплуатацию и т.д.,
- данные о физических свойствах конструктивного элемента. К этому относится, например, температура конструктивного элемента, механические (термомеханические) напряжения в конструктивном элементе и т.д.,
- данные о месте и перемещениях конструктивного элемента. Эта информация имеет, прежде всего, значение для конструктивных элементов, которые перемещаются во время эксплуатации, например шиберные плиты, заглушки, а также перемещаемые по высоте пористые керамические плиты для подачи и диспергирования продуваемого газа, трубки для ввода кислорода или подобное. Также может определяться место, на котором конструктивный элемент находится в устройстве.
- данные о сроке службы конструктивного элемента: при этом, например, регистрируется измерение температуры, как долго шиберная плита была «в работе», то есть как долго расплав металла протекал через отверстие шиберной плиты.
«Интегрировать» означает, что датчик расположен в конструктивном элементе или на конструктивном элементе.
Вышеназванная информация (данные) могут быть существенны как отдельности, так и в любых сочетаниях для определения состояния, например степени износа конструктивного элемента. При этом информационные параметры регулярно регистрируется и обрабатывается не дискретно, а в зависимости от времени. При наличии нескольких датчиков данные могу регистрироваться на различных местах конструктивного элемента. Тем самым возможно, например, определение температурного градиента в конструктивном элементе. Точно также могут быть предусмотрены несколько датчиков в нескольких элементах. Тем самым могут быть получены и обработаны информационные параметры с различных мест. На примере шиберной плиты это должно быть пояснено более подробно:
До настоящего времени обслуживающий персонал эмпирическим путем решал, может ли использованная шиберная пластина быть использована еще раз или нет. Данные о длительности и температурной нагрузке шиберной плиты при существовавшей до сих пор эксплуатации отсутствуют. Обслуживающий персонал не имеет надежной информации о том, возникали ли в прошлом механические напряжения на продукте или нет. Если шиберная плита используется вновь, существует риск, что она больше не выдержит без повреждения необходимый дальнейший срок использования. В экстремальном случае это может привести к прорывам расплава металла с катастрофическими последствиями.
Этих недостатков можно избежать с помощью конструктивного элемента согласно изобретению. Переданные датчиком данные регистрируются и обрабатываются в устройстве обработки данных. Фактические данные или выводимые из них характеристические величины сравниваются с заданными данными. Если затем следует, например, что шиберная плита уже достигла 90% своего расчетного максимального срока эксплуатации или при предыдущем использовании в плите появились механические напряжения выше заданного предельного значения, то плита заменяется. Для предотвращения большего ущерба датчики могут заранее извещать посредством измерения температуры и/или напряжения о выходе металла.
Следующие примеры применения: встраивание датчика или конструктивного элемента с датчиком в дно или стенку литейного ковша или другого металлургического плавильного сосуда для контроля высыхания керамической огнеупорной массы для футеровки. Например, масса должна нагреваться до минимальной температуры, чтобы достичь полного высыхания.
У конструктивных элементов с продувкой газом в случае измерения температуры посредством датчиков можно делать вывод о степени износа конструктивного элемента. Точно также посредством измерения температуры можно получать информацию о количестве расхода газа. Чем холоднее протекающий газ, тем ниже измеренная температура.
Датчики могут служить также для того, чтобы определять или показывать местные перегревы в конструктивном элементе при достижении уровня температуры, при котором можно ожидать физической/химической реакции, такой как фазовое превращение.
В своей самой общей форме осуществления изобретение относится к конструктивному элементу на основе керамической массы, которая является в значительной степени стабильной при температурах свыше 800°С, при этом в конструктивном элементе интегрирован по меньшей мере один датчик, с помощью которого во время эксплуатации конструктивного элемента предусмотрена возможность регистрации и передачи на устройство обработки данных по меньшей мере одного из следующих информационных параметров: идентификация конструктивного элемента, физические свойства конструктивного элемента, перемещения конструктивного элемента, срок использования конструктивного элемента, место конструктивного элемента.
Обычно датчик изготавливается в оболочке, чтобы защитить его от чрезмерной температурной нагрузки, загрязнения и поломки. Оболочка может состоять, например, из стеклокерамики.
Для целей изобретения принципиально подходит любой датчик, который может регистрировать и передавать данные вышеуказанного типа. Например, могут применяться полупроводниковые приемопередатчики, на которые ток через индуктивную связь подается от блока обработки результатов.
Согласно одной форме осуществления датчик является пассивным датчиком. Этот пассивный датчик соединяется посредством радиосвязи с передающим и принимающим устройством. Опрашивающий сигнал посылается по радиолинии на пассивный датчик. Посредством взаимодействия с датчиком вырабатывается ответный сигнал, который посылается обратно на устройство опроса, которое теперь служит в качестве приемного устройства.
Чтобы в приемном устройстве отделить сигнал, посылаемый обратно датчиком от сигнала, выдаваемого на датчик, требуется разделительный механизм. Это происходит, например, посредством того, что выдаваемый датчиком сигнал имеет другую частоту, чем подаваемый на датчик сигнал. Дополнительно или альтернативно к изменению частоты, может быть принято во внимание временное смещение между сигналами.
Если конструктивный элемент находится в состоянии покоя, то обратно посылается специфический, воспроизводимый сигнал. Посредством давления, температуры, напряжения и т.д., которые действуют на конструктивный элемент или в конструктивном элементе, сигнал изменяется снова с возможностью воспроизводства.
Поэтому согласно одной форме осуществления датчик содержит устройство для преобразования электромагнитных волн в механические волны и наоборот. Для этого датчик может быть выполнен с антенной для беспроводного приема и для беспроводной передачи радиосигналов. В одном варианте датчик посредством кабеля соединен с антенной, которая передает сигналы непосредственно на приемное устройство или наоборот принимает их от него. Для предотвращения негативных эффектов при передаче данных, которые могут возникнуть, например, вследствие воздействия экранирования от металлических частей на радиолинии, соотнесенная с датчиком антенна располагается таким образом, что на радиолинии к передающему/приемному устройству отсутствуют какие-либо металлические части.
Одна форма осуществления изобретения предусматривает, что датчик выполнен в виде ПАВ-конструктивного элемента (ПАВ - surface accoustic waves (SAW)). На датчике происходит возбуждение механических поверхностных волн, поведение которых изменяется посредством воздействия таких физических величин, как давление, температура, напряжение. Это разъясняется на примере:
ПАВ-конструктивный элемент состоит из пьезоэлектрического кристалла-подложки, на который наносятся металлические структуры (рефлекторы). ПАВ-датчик посредством антенны соединяется по радиосвязи с передающим и считывающим устройством. Передающее и считывающее устройство посылает электромагнитный сигнал, который принимается датчиком-антенной. Этот сигнал посредством специального преобразователя, находящегося на ПАВ-датчике, преобразуется в механические колебания. Получающиеся в результате волны распространяются на поверхности пьезоэлектрического кристалла. На вышеназванных рефлекторах поверхностные волны частично отражаются. Затем эти поверхностные волны снова преобразуется в электромагнитные волны. Так как в зависимости от таких физических величин, как, например, температура, давление, напряжение, кристалл расширяется или сжимается, это приводит к изменению времени пробега сигнала.
Из радиоцентра к датчику посылается электромагнитный высокочастотный импульс. Этот импульс принимается антенной датчика и с помощью преобразователя (например, встречно-штыревого преобразователя) преобразовывается в распространяющуюся механическую поверхностную волну. В ходе лучей этих механических волн на поверхности датчика лежат отражательные (частично отражательные) структуры, которые сконструированы там в индивидуальной, характерной последовательности. Из отдельного посылаемого импульса возникает множество специфических импульсов, которые отражаются обратно к преобразователю. Там они снова преобразовываются в электромагнитные волны и посылаются антенной датчика в качестве ответного сигнала обратно к радиоцентру. Ответный сигнал содержит желаемые информационные параметры о количестве и положении рефлекторов, их отражающего коэффициента, а также скорости распространения акустической волны. Эта информационные параметры является непосредственными информационными параметрами для идентификации конструктивного элемента, физических свойств конструктивного элемента, места и перемещений конструктивного элемента и/или срока использования конструктивного элемента. Посредством соответствующей калибровки в соотнесенном устройстве обработки данных можно вычислить желаемые данные.
Скорость распространения акустических волн обычно составляет лишь несколько 1000 м/с, например 3500 м/с. Таким образом, создается возможность сохранения высокочастотного импульса на маленьком чипе (датчике) так долго, пока электромагнитные эхо-сигналы от окружающих предметов не затухнут. Датчик может состоять из пьезоэлектрического кристалла или пьезоэлектрической системы слоев. Названные структуры наносятся путем осаждения пара или иным путем.
Конструктивные элементы указанного типа частично собираются в металлической оболочке или имеют металлический кожух. Например, шиберные плиты расположены в металлических кассетах и размещены в металлическом шиберном механизме. Металлические элементы вызывают экранирование по отношению к электромагнитным лучам. В этом случае при радиопередаче данных от датчика к антенне изобретение предусматривает выполнение соответствующей металлической части (металлического кожуха), смежной с антенной датчика, с выемкой для пропускания радиосигналов. Следующая особенность заключается в расположении датчика в краевой области конструктивного элемента для того, чтобы сделать возможным оптимальную передачу по радио. «Краевая область» означает, например, «холодная сторона конструктивного элемента». Под этим понимается участок конструктивного элемента, который при эксплуатации нагревается меньше всего. Например, у шиберной плиты это краевая область плиты, в то время как вокруг области сливного отверстия преобладают наивысшие температуры.
У футеровочного кирпича для ковша это будет сторона кирпича, смежная с наружной стороной металлической оболочки. У пористых керамических плит для подачи и диспергирования продуваемого газа датчик расположен, предпочтительно, на конце со стороны подачи газа.
В вышеуказанном варианте с кабельным соединением между датчиком и антенной количество конструктивных элементов сокращается, так как становится возможным прямая передача данных от антенны с датчиком к приемно-передающей станции, поскольку антенна расположена на месте, которое позволяет осуществлять передачу без помех на приемно-передающую станцию. Кабель может быть гибким высокочастотным кабелем, например, из меди (Cu) с политетрафторэтиленом (PTFE) или керамики в качестве диэлектрика, вследствие чего улучшается термостойкость.
Датчик по меньшей мере частично может состоять из антикоррозионной стали, например, стали марки 1.4845. Уплотнения для указанных применений состоят из жаропрочных материалов, например фтороэластомера.
Изготовитель огнеупорного конструктивного элемента располагает данными калибровки, из которых можно рассчитать, какая температура на определенном месте конструктивного элемента соответствует какой температуре на других местах конструктивного элемента. Так, например, для определенного материала при измеренной температуре Х°С в краевой области шиберной плиты можно сделать вывод о температуре Y°C в области протекания.
Отраженные механические волны или же возникающие из них ответные сигналы делают возможным, как описано, оценку желаемых информационных параметров, включая такие физические данные, как напряжения в конструктивном элементе, а также время эксплуатации при тепловой нагрузке и т.д.
Посредством плавающего («незакрепленного») монтажа датчика возможно точное измерение температуры. Посредством монтажа датчика с жестким соединением в конструктивном элементе (то есть, конструктивный элемент и датчик жестко соединены) можно регистрировать другие характеристические величины, такие как механические напряжения. Измеряемые величины могут быть установлены раздельно.
Относящийся к этому способ контроля имеет в самой общей форме осуществления следующие этапы:
- посылка из радиоцентра на датчик радиосигнала,
- получение радиосигнала посредством датчика,
- обработка, преобразование и/или кодирование сигнала посредством датчика или в датчике,
- посылка ответного радиосигнала от датчика в радиоцентр,
- обработка радиосигналов и переданных с ними информационных параметров, а также согласование полученных из этого характеристических величин с заданными данными в устройстве обработки данных.
Другие признаки способа были описаны ранее на основании задачи и принципа действия датчика и вытекают из признаков зависимых признаков формулы изобретения и нижеследующих примеров. Описанные в них признаки могут быть существенными для применения изобретения по отдельности или в различных комбинациях.
Далее изобретение поясняется с помощью различных примеров осуществления, при этом фигуры изображены очень схематично. При этом показано на:
Фиг.1: вид в перспективе пьезоэлектрического кристалла-датчика,
Фиг.2: вид в перспективе огнеупорного конструктивного элемента в форме кирпича,
Фиг.3: вид сверху на собранную в металлической оболочке шиберную плиту,
Фиг.4: вид шиберного механизма с установленной шиберной плитой внутри системы наблюдения и контроля.
Одинаковые или же одинаковые по функциональному назначению детали представлены на фигурах одними и теми же ссылочными обозначениями.
На фиг.1 показан прямоугольный пьезоэлектрический кристалл (изображен без своей стеклокерамической оболочки). На одной его поверхности нанесены частично отражающие структуры 12, а именно, с характерным (специфическим для датчика) расположением. Далее можно распознать встречно-штыревой преобразователь 14. Электрические контакты выведены из кристалла для соединения, таким образом, сборных шины встречно-штыревого преобразователя с антенной 16. Кристалл со своими структурами 12 и преобразователем 14 образует датчик 10.
Посылаемый устройством управления (60 на фиг.4) электромагнитный высокочастотный импульс (изображен схематически стрелкой 18) достигает датчика 10, принимается антенной 16 и посредством преобразователя 14 преобразовывается в распространяющуюся механическую поверхностную волну. Из опрашивающего сигнала возникает множество поверхностных волн, которые в соответствие с расположением структур 12 к моменту измерения отражаются обратно в преобразователь 14 и через преобразователь 14 преобразуются обратно в электромагнитный сигнал (стрелка 20). Этот сигнал принимается устройством 60 управления с предвключенной антенной 50 и передается далее на устройство 70 обработки данных (фиг.4) и там обрабатывается.
Датчик 10 согласно фиг.1 может, например, быть установлен в углубление 25 прямоугольного огнеупорного магнезитового кирпича 26 (фиг.2) и быть залит там строительным раствором.
На фиг.3 показано расположение датчика 10 в шиберной плите 30, которая зацементирована в подвижную металлическую оболочку 32 (заполненный раствором шов 31). Литник шиберной плиты 30 обозначен позицией 34. На краю 36 шиберной плиты 30 в керамический материал шиберной плиты 30 вмонтирован (зацементирован) датчик 10. С помощью датчика 10 в данном случае должен идентифицироваться конструктивный элемент (специальная шиберная плита) и его температура. Для защиты датчик 10 расположен в оболочке из стеклокерамики. Антенна 16 выступает над кристаллом. Соседний соответствующий участок металлической оболочки 32 (изображен на фиг.3 углом α) имеет напротив антенны 16 (неразличимую) выполненную в форме прорези выемку для возможности подвода электромагнитных волн 18, 20 снаружи к антенне 16 и отвода их от нее.
На фиг.4 показана соответствующая часть шиберного механизма 40 для приема кассеты 32 и шиберной плиты 30. Шиберная система регулирует поток стали от ковша в расположенное далее промежуточное разливочное устройство.
Датчик 10 с антенной 16 изображен схематично. Выполненное в форме прорези отверстие в кассете 32 обозначено позицией 38. Непосредственно напротив антенны 16 датчика (чипа) 10 находится следующая антенна 42, которая посредством термостойкого коаксиального кабеля 44 соединена с третьей антенной 46, которая по линии радиосвязи 48 находится в соединении с вышеуказанной антенной 50. Передача сигналов (высокочастотный сигнал) происходит от управляющего устройства 60 через антенну 50 к антенне 46 (беспроводно) и оттуда (по проводам) к антенне 42 и снова беспроводно к антенне 16 датчика 10. На обратном пути отраженный датчиком 10 сигнал попадает в устройство 60 управления. Датчик 10 способен посылать сигнал, который содержит информацию о фактической температуре, а также заранее присвоенную идентификационную кодировку. При этом датчик 10 получает электромагнитный импульс (в гигагерцевом диапазоне частот), обрабатывает его и посылает назад серию характеристических электромагнитных импульсов. Из временных интервалов этих импульсов можно декодировать идентификацию и температуру. Датчик базируется на ПАВ-технологии и оснащен антенной для 16 для передачи по радио.
Шиберный механизм 40 состоит из металла. Поэтому необходимо электромагнитный сигнал из шиберного механизма 40 выводить по кабелю. Для этого напротив антенны 16 неподвижно (жестко) устанавливается антенна 42. Подключенная по кабелю 44 антенна 46 устанавливается снаружи на шиберном механизме 40.
При эксплуатации устройство 60 управления посылает электромагнитные сигналы (импульсы) от антенны 50 на антенну 46. От антенны 46 каждый сигнал передается по коаксиальному кабелю 44 на антенну 42, которая через антенну 16 передает сигнал по радио на датчик 10. Датчик 10 преобразовывает сигнал в поверхностную волну, которая после отражения на структурах 12 содержит информационные параметры о температуре датчика или же идентификацию конструктивного элемента 30. Эта серия импульсов передается датчиком 10 по антеннам на устройство 60 управления. Устройство 60 управления вычисляет идентификацию и температуру из количества импульсов и их временных интервалов. Вычисленные данные передаются на устройство 70 обработки данных.
Устройство 70 обработки данных может извлекать или же рассчитывать из отправленных датчиком данных следующие информационные параметры:
Функция идентификации:
- Идентификация шиберной плиты 30 перед эксплуатацией.
- Идентификация шиберной плиты 30 во время эксплуатации.
- Идентификация шиберной плиты 30 после эксплуатации.
На основе идентификации состояние шиберной плиты 30 может быть соотнесено с данными сталеплавильного завода.
Измерение температуры:
- Определение продолжительности литья и срока службы посредством оценки температур в определенные моменты времени.
- Количество тепловых ударов посредством измерения температур в определенные моменты времени.
- Превышение, падение или достижение критических диапазонов температур, например, температуры фазового превращения оксида циркония в шиберной плите 30 при температуре 1050°С до 950°С.
- Раннее выявление неполадок, например пробоев.
Все посланные/полученные сигналы регистрируются и обрабатываются посредством подключенного устройства 70 обработки данных.
Пример согласно фиг.4 может быть изменен следующим образом. Вместо датчика 10 с радиосвязью с антенной 3 применяется стержневой датчик, который соединен с антенной по кабелю. При этом датчик находится в шиберной плите, то есть на «горячей стороне», антенна - на расстоянии от него, в области, где преобладают более низкие температуры. Шунтирование металлической кассеты шиберной пластины происходит с помощью кабеля. Антенна расположена так, что возникает работающая без помех радиосвязь с антенной 50 устройства 60 управления. При такой форме осуществления антенны, обозначенные на фиг.4 позициями 42 и 46, являются излишними.