УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОБИВАНИЯ КОРКИ, ПРЕДНАЗНАЧЕННОЕ ДЛЯ ПРОБИВАНИЯ КОРКИ, ОБРАЗОВАВШЕЙСЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ВАННЫ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА
DEVICE FOR BREAKING CRUST FORMED ON SURFACE OF LIQUID METAL BATH

ОПИСАНИЕ
Изобретение касается устройства для пробивания корки, предназначенного для пробивания корки, образовавшейся на поверхности ванны жидкого металла, которое имеет работающий на жидкой рабочей среде цилиндр двойного действия, поршневой шток которого снабжен долбежным элементом, а обе, разделенные поршнем, рабочие камеры с помощью клапанной системы могут быть обеспечены, на выбор, более высоким или более низким давлением жидкой рабочей среды.
Такие устройства для пробивания корки или же цилиндры приспособлений для пробивания корки используются, например, в плавильных печах для получения чернового алюминия с целью локального разбивания оксидного слоя, образующегося над расплавом. В этих местах производят досыпку сырья, оксида алюминия, после того как был извлечен обогащенный черновой алюминий. Этот процесс происходит приблизительно каждые две минуты. Но фактически за этот промежуток времени еще не успела образоваться корка, которую надо пробивать. Таким образом, цилиндр не должен в этих случаях прилагать максимальное усилие и может работать на более низком давлении.
Долбежный элемент или долбежное копье, которое закреплено на штоке поршня цилиндра, каждый раз при пробивании корки погружается в расплав. При этом на копье формируются настыли и осаждается оксид алюминия. Если они превысили определенную толщину, то их надо соскабливать, так как в противном случае долбежное копье будет становиться все тяжелее. Это происходит, как правило, посредством стационарно установленного стального кольца или трубы, которое соответственно окружает долбежное копье. Для этого требуется опять же более высокое усилие цилиндра, причем также и этот процесс осуществляется спорадически, то есть более высокое усилие требуется нерегулярно.
В обоих случаях, а именно при пробивании корки и/или при соскабливании отложений нельзя точно предсказать позицию вдоль траектории перемещения цилиндра, в которой понадобится более высокое усилие. Положение корки зависит от уровня наполнения плавильной ванны и может на практике колебаться в пределах 30 см. Также и место, где на долбежном копье образуются отложения, зависит от уровня наполнения плавильной ванны, поскольку копье более или менее глубоко погружается в жидкий алюминий.
У устройства для пробивания корки названного выше вида, известного из документа DE 202006002727 U1, почти вся траектория перемещения цилиндра по названным причинам будет пройдена с более высоким усилием, и лишь при достижении конечных позиций, сигналы о которых снимаются сенсорами, для уменьшения расхода воздуха происходит переключение на более низкий уровень давления. Тем не менее, давление, имеющее место во время почти всего хода поршня и рассчитанное на пробивание корки, приводит к относительно высокому потреблению воздуха или же жидкой рабочей среды, которое не в последнюю очередь обусловлено отсутствием герметичности в системе, работающей на жидкой рабочей среде.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы сократить потребление цилиндром, входящим в систему устройства для пробивания корки, жидкой рабочей среды за счет того, чтобы более высокое давление использовалось только в случае необходимости.
В соответствии с изобретением эта задача решается с помощью устройства для пробивания корки, обладающего признаками пункта 1 формулы изобретения.
Преимущества изобретения состоят, в частности, в том, что цилиндр в нормальном случае эксплуатируется с минимально необходимым рабочим давлением, так что соблюдается желаемое время выдвижения и втягивания штока поршня. Если цилиндр наталкивается на препятствие, в частности на корку, то уменьшается скорость или останавливается выдвижение штока цилиндра. Это распознается по превышению установленного отклонения заданной характеристики зависимости пути от времени или характеристики скорости. Только в этом случае подключается более высокое давление, величина которого рассчитана на проталкивание корки. Особое преимущество состоит при этом в том, что в любом месте хода поршня цилиндра можно произвести переключение на более высокий уровень давления, для чего необязательно должно быть известно расстояние устройства для пробивания корки до ванны с расплавленным металлом или же до корки. Если же с момента последней процедуры долбления не образовалась новая корка или образовалась лишь относительно тонкая корка, то установленное отклонение от заданной характеристики не превышается, а переключения на более высокий уровень давления не происходит. Все это в совокупности ведет к очень высокому эффекту экономии рабочей среды и, в частности, к эффекту экономии воздуха.
Благодаря мерам, приведенным в зависимых пунктах формулы изобретения, становятся возможными предпочтительные усовершенствованные варианты и улучшения указанного в пункте 1 формулы изобретения устройства для пробивания корки.
Поскольку в соответствии с изобретением любое препятствие может быть распознано по уменьшению скорости движения и, при необходимости, по превышению установленной величины отклонения, то это относится также и к движению обратного хода долбежного элемента, в процессе которого, в случае необходимости, при встрече с устройством соскабливания могут быть обнаружены отложения, сформировавшиеся на долбежном элементе, для ликвидации которых в зависимости от их объема требуется более высокое давление. Такое устройство соскабливания, выполненное, в частности, в форме трубы или кольца, предусмотрено, целесообразным образом, для соскабливания оставшихся на долбежном элементе фракций металла из ванны с расплавом металла.
Предпочтительным образом предусмотрено также устройство настройки давления для более низкого давления жидкой рабочей среды, задающего скорость долбежного элемента, чтобы иметь возможность регулировать эту скорость.
В целесообразной форме выполнения клапанная система состоит из первого клапана, служащего для переключения с высокого на более низкое давление жидкой рабочей среды и обратно, и из второго клапана для нагружения, по выбору, первой или второй рабочей камеры предварительно выбранным давлением жидкой рабочей среды. Таким образом, требуется лишь очень малое число клапанов, а именно, в частности, два.
Предпочтительным образом предусмотрены средства для формирования фактической скорости в качестве производной по времени сигнала перемещения с устройства замера перемещений, и они размещены, в частности, в электронном управляющем устройстве.
Устройство замера перемещений в первой форме выполнения может быть выполнено как микроволновая измерительная система в рабочей камере цилиндра для замера расстояния между поршнем и торцевой стенкой цилиндра. В последующей форме выполнения устройство замера перемещений может также иметь размещенный в штоке поршня или на нем элемент измерения сопротивления, с которого можно снимать напряжение с помощью, по меньшей мере, одного электрического токосъемного элемента. При этом, принимая во внимание возникающие высокие температуры, система замера перемещений, предпочтительным образом, выполнена в виде капсулированной системы замера перемещений.
Предпочтительным образом может быть также предусмотрена измерительная система для сбора и предварительной обработки информации о процессе погружения долбежного элемента в расплав металла, которая делает замеры электрического соединения между расплавом металла или токопроводящим резервуаром для расплава, с одной стороны, и между долбежным элементом или связанным с ним штоком поршня, с другой стороны. В связи с наличием устройства замера перемещений можно производить измерения расстояния между устройством для пробивания корки и коркой или же находящимся под ней расплавом металла.
Электронное управляющее устройство в своей компактной форме выполнения может быть также интегрировано в цилиндр или размещено на нем.
Для того чтобы достичь более высоких скоростей рабочих процессов или же движения долбежного элемента, электронное управляющее устройство имеет средства для подачи более высокого давления жидкой рабочей среды в момент начала движения поршня и для переключения на более низкое давление жидкой рабочей среды после завершения фазы ускорения.
Пример выполнения изобретения представлен на чертеже и более подробно прокомментирован в последующем описании, при этом показано:
На фиг.1 - изображение размещенного над расплавом металла устройства для пробивания корки, а также соответствующее схемное обрамление, включающее электрическую проводку и подводку жидкой рабочей среды, как пример осуществления изобретения,
на фиг.2 - схема прохождения сигналов в качестве пояснения принципа действия при достижении устройством для пробивания корки ванны с расплавом металла и при погружении его в ванну, и
на фиг.3 - соответствующая схема прохождения сигналов для выполнения перемещения в обратном направлении.
Представленное на фиг.1 устройство для пробивания корки состоит в основном из цилиндра 10 двойного действия, работающего на жидкой рабочей среде, внутренняя полость которого посредством поршня 11 разделена на две рабочие камеры 12, 13. От поршня 11 отходит шток 14 поршня, который уплотнен торцевой стенкой 15 цилиндра 10, и несет на своем свободном конце выполненный в виде долбежного копья долбежный элемент 16 для проталкивания корки 17, которая обычно образуется на ванне 18 с жидким металлом, это может быть, к примеру, ванна с расплавленным алюминием. Ванна 18 с жидким металлом находится в корпусе 19, который выполнен из металла, имеющего более высокую температуру плавления по сравнению с расплавом металла.
На торцевой стенке 15 цилиндра 10, имеющей сквозное отверстие для штока поршня, насажено или же закреплено выполненное в форме трубы устройство 20 соскабливания, в котором с незначительным зазором перемещается долбежный элемент 16. Удаленный от торцевой стенки 15 свободный конец устройства 20 соскабливания имеет соскабливающую кромку 21, с помощью которой при обратном движении долбежного элемента 16 во внутрь устройства 20 соскабливания счищаются случайно оставшиеся отложения 22 корки 17 или расплава металла. Вместо устройства 20 соскабливания, выполненного в виде трубы, может использоваться,
например, также устройство 20 соскабливания, выполненное в виде кольца.
На второй торцевой стенке 23 цилиндра 10, удаленной от первой торцевой стенки 15, по центру закреплен элемент 24 измерения сопротивления, выполненный в виде прутка, который оттуда проходит в продольный канал 25, расположенный внутри штока 14 поршня. Элемент 24 измерения сопротивления может быть выполнен из резистивного материала или покрыт им, либо на нем может быть установлен пленочный резистивный элемент. Внутри поршня 11 размещен токосъемный элемент 26 в качестве скользящего контакта для элемента 24 измерения сопротивления. При этом речь может идти о системе контактных колец или о других упругих контактных элементах. Разумеется, токосъемный элемент 26 может быть размещен также вне поршня 11. Еще один токосъемный элемент 27, находящийся в первой торцевой стенке 15 или на ней, обеспечивает электрическое соединение между электропроводящим штоком 14 поршня и электропроводящей первой торцевой стенкой 15. Величина сопротивления, снимаемая между токосъемным элементом 27, расположенным в первой торцевой стенке 15, и концевой зоной элемента 24 измерения сопротивления, размещенной на второй торцевой стенке 23, является показателем положения поршня 11 и, тем самым, долбежного элемента 16, и по проводам 28, 29 подводится к электронному управляющему устройству 30.
Образованное, существенным образом, за счет элемента 24 измерения сопротивления устройство замера перемещений может быть выполнено, например, также в соответствии с документом 29713825 U1, и тогда оно не будет требовать второго токосъемного элемента 27. Далее, вместо описанного устройства замера перемещений могут быть использованы и другие известные устройства замера перемещений. Например, измерительный элемент, имеющий возможность перемещения в штоке поршня 14 по аналогии с элементом 24 измерения сопротивления, может иметь намагниченность или прочие виды маркировки, информация о которых может считываться в цифровом формате. Такие маркировки могут быть размещены непосредственно на штоке 14 поршня, где и будет происходить съем информации о них. Далее, в рабочей камере 12 или в другой рабочей камере 13 может быть предусмотрен дистанционный измерительный прибор для измерения расстояния между поршнем 11 и соответствующей торцевой стенкой 15 или 23, работающий на основе ультразвука или микроволн. Соответственно могут найти применение также и другие известные потенциометрические устройства замера перемещений.
Для определения позиции, в которой долбежный элемент 16 осуществил пробивание корки 17, образовавшейся на ванне 18 жидкого металла, между токосъемным элементом 27 и корпусом 19 ванны включено последовательное соединение лампы 31 с источником 32 напряжения. После пробивания корки 17 долбежный элемент 16 достигает расплава металла и замыкает, таким образом, электрическую цепь, в результате чего загорается лампа 32. Естественно, что вместо лампы можно использовать и другое оптическое или акустическое сигнальное устройство. Возникающий при этом сигнал по электрической линии 29 передается назад электрическому управляющему устройству 30, так что имеющееся на данный момент измеренное значение местоположения является показателем положения устройства для пробивания корки относительно ванны 18 жидкого металла.
Разумеется, лампа 31 и внешний источник 32 напряжения могут быть также реализованы посредством соответствующего включения в соединение с электронным управляющим устройством 30, причем тогда определяется исключительно величина сопротивления между токосъемным элементом 27 и корпусом 19 ванны.
Для приведения в действие цилиндра 10 можно через имеющий электрическое управление трехходовой двухпозиционный клапан 33 попеременно задавать более низкое давление Р1 первого источника 34 давления или более высокое давление Р2 второго источника 35 давления. Рабочее давление, задаваемое положением ходового клапана 33, подводится с помощью второго пятиходового двухпозиционного клапана 36 попеременно к одной из обеих рабочих камер 12, 13, в то время как одновременно из другой рабочей камеры удаляется воздух. При этом оба ходовых клапана управляются электронным управляющим устройством 30. Более низкое давление Р1 выбирается таким образом, что поршень 11 в ненагруженном состоянии перемещается с желаемой скоростью. Для изменения этой скорости служит регулируемый дроссель 37, размещенный между первым источником 34 давления и ходовым клапаном 33. Более высокое давление Р2 выбирается таким образом, что с его помощью на поршень 11 оказывается усилие, которого достаточно для того, чтобы пробить корку 17, имеющую максимальную толщину. Также и здесь для изменения давления Р2 может быть предусмотрен соответствующий дроссель 36 или другое устройство настройки давления.
Принцип действия описанной системы пробивания корки поясняется далее на основании схем прохождения сигналов, представленных на фиг.2 и 3.
v
v
v
v
v
v
v
v
v
Для осуществления движения вперед поршня 11 или же долбежного элемента 16 по направлению к ванне 18 с жидким металлом с помощью соответствующих позиций ходовых клапанов 33, 36 происходит нагружение рабочей камеры 12 более низким давлением Р1. В результате этого долбежный элемент 16 сначала беспрепятственно перемещается вплоть до корки 17. Соответствующая характеристика зависимости пути от времени (характеристика w-t) регистрируется в электронном управляющем устройстве 30 как кривая S заданных значений. Эта кривая заданных значений имеет такое линейное продолжение, как будто на пути перемещения долбежного элемента не существует корки 17 или какого-либо другого препятствия. Вдоль этой кривой S заданных значений образуется диапазон T допуска, который представлен на фиг.2 в виде пунктирных линий. Перемещение долбежного элемента 16, а следовательно, и фактическое значение I величины перемещения, которое представлено в виде штрихпунктирной линии, следует сначала в основном за кривой S заданных значений. Если долбежный элемент 16 достигает корки 17, а усилия, вызываемого более низким давлением Р1, не хватает для того, чтобы пробить эту корку, то движение долбежного элемента 16 тормозится, а фактическое значение I величины перемещения покидает диапазон T допуска. Это распознается или же определяется в электронном управляющем устройстве 30 путем сравнения заданного и действительного значений, и тогда путем реверсирования ходового клапана 33 задается более высокое давление Р2, которое оказывается достаточным для пробивания корки 17. Если к моменту подхода долбежного элемента 16 корка еще не образовалась, или она еще настолько тонкая, что для ее проталкивания достаточно и более низкого давления Р1, то фактическое значение I величины перемещения не покидает диапазон допуска T, в результате чего не происходит переключения на более высокое давление Р2.
v
Кривая S заданных значений может, например, быть зарегистрирована в электронном управляющем устройстве 30 в рамках цикла обучения. Сравнение заданного и действительного значений может также происходить наипростейшим образом путем сравнения скоростей. Это означает, что ход кривой заданной скорости регистрируется, и во время движения происходит ее сравнение с соответствующей фактической скоростью. Фактическая скорость может регистрироваться через временную производную сигнала перемещений устройства замера перемещений.
v
r
v
r
v
r
r
r
При обратном движении долбежного элемента 16 по направлению от ванны 18 с расплавом металла на долбежном элементе 16 могут оставаться отложения 22 из расплава металла ванны 18 или из корки, которые счищаются с помощью устройства 20 соскабливания. Условия, имеющие место при обратном движении, представлены на фиг.3. Вместо кривой S заданных значений здесь появляется кривая S заданных значений, вместо диапазона T допуска появляется диапазон T допуска, и вместо фактического значения I величины перемещения появляется фактическое значение I величины перемещения. Сначала движение осуществляется опять же с помощью более низкого давления Р1, которым нагружается другая рабочая камера 13. Если случайно оставшиеся отложения 22 достигают устройства 20 соскабливания, то усилия, получаемого от более низкого давления Р1, может не хватить для проведения процесса соскабливания. В этом случае движение снова останавливается, а фактическое значение I величины перемещения уходит за пределы диапазона T допуска. Это вызывает опять же переключение на более высокое давление Р2, которого достаточно для проведения процесса соскабливания. Если же на долбежном элементе 16 нет отложений или есть только незначительные отложения, то более низкое давление Р1 может быть достаточным для проведения процесса соскабливания, и переключения на более высокое давление Р2 не произойдет.
Электронное управляющее устройство 30 дополнительно может быть оснащено дисплеем 37, для того чтобы можно было отображать значения местоположения и прочие процессы, имеющие место во время работы устройства для пробивания корки.
Представленное на фиг.1 устройство для пробивания корки имеет только один единственный цилиндр 10 с одним долбежным элементом 16. Разумеется, в случае больших ванн 18 с жидким металлом могут находить применение и устройства для пробивания корки с несколькими цилиндрами 10 и, следовательно, с несколькими долбежными элементами 16.
Вблизи ванны 18 с расплавленным металлом имеют место более высокие температуры, как следствие присутствия расплавленного металла. Поэтому термочувствительные детали и узлы конструкции, как, например, устройство замера перемещений, должны иметь соответствующее конструктивное исполнение, например быть экранированы или заключены в кожух. Ходовые клапаны 33, 36 и/или электронное управляющее устройство 30 могут быть размещены на удалении от цилиндра 10 либо интегрированы в него, либо установлены на нем, например, на торцевых стенках 15, 23 или в них.
В отличие от изложенного выше, для ускорения рабочих процессов в начале движения вперед и в начале движения назад долбежного элемента 16 рабочая камера 12 или 13 во время фазы ускорения может быть также нагружена более высоким давлением Р2, причем после достижения желаемой скорости движения происходит переключение на более низкое рабочее давление Р2.
Более низкое давление Р1 может составлять, например, от 1 до 1,5 бар, а более высокое давление, например, около 8 бар. При этом речь идет о пневматическом давлении, например о давлении воздуха. В принципе можно, разумеется, использовать и гидравлическую рабочую среду, и гидравлическую систему.