Измерение уровня жидкого металла в кристаллизаторе МНЛЗ

качестве приемника излучения в системе используется сцинтилляционный

детектор на базе кристалла NaY, размещаемый в защитном стальном

водоохлаждаемом кожухе.

При использовании аппаратуры для контроля уровня металла в квадратных

кристаллизаторах источник и приемник излучения размещаются стационарно вне

кристаллизатора. На мощных слябовых МНЛЗ источник и приемник размещаются

непосредственно в стенке кристаллизатора в специальных приливах. С помощью

термостойкого кабеля приемник излучения через соединительную коробку

соединен с измерительным прибором типа В 3118, который является

интегрирующим накопителем импульсов с последующим преобразованием сигнала

интегратора в унифицированный сигнал 0-10 В и 0-5 мА. Прибор рассчитан на

работу с потоком импульсов 450-9000 имп/с, интегратор позволяет накапливать

их с постоянной времени 0,5; I и 2 с.

Датчики инфракрасного излучения для определения уровня металла в

кристаллизаторе

Наряду с использованием радиоизотопных измерителей уровня за рубежом

ведутся интенсивные поиски новых средств контроля уровня металла в

кристаллизаторе, более простых с точки зрения размещения их в составе

оборудования и более надежных в эксплуатации. [3] Так, фирмами «concast"

("Конкаст"), Швейцария и "Clesid" ("Клесид"), Франция, разработан датчик

инфракрасного излучения для определения уровня металла в кристаллизаторе,

которой располагается на разливочной площадке и механически не связан с

кристаллизатором. Предложенный измеритель уровня по данным фирм-

разработчиков, отличается простотой и надежностью, работает независимо от

состояния поверхности ванны жидкого металла в кристаллизаторе (наличие

шлаковых смесей, выбросы пламени и т.д.). Структурная схема инфракрасного

измерителя уровня металла в кристаллизаторе приведена на рис.6. [pic]

Рис.6. Схема измерителя уровня металла в кристаллизаторе,

разработанного фирмой "Клесид", Франция:

1 - кристаллизатор; 2 - датчик уровня; 3 - шкаф электронной

аппаратуры; 4 коммутирующая панель; 5 - блок первичной обработки сигнала; 6

- сигнальное устройство;7-переключатель, используемый при изменении

размеров кристаллизатора; 8 – ПИ (пропорционально-интегральный) регулятор;

9 - усилитель мощности; 10 - переключатель; II - контрольная лампа "Наличие

питания"; 12-индикаторная лампа работы в автоматическом режиме; 13 – кнопка

установки нуля; 14 - соединительный клеммник.

Аналогичный измеритель разработан фирмой "CEDA" ("ЧЕДА"), Италия.

Измеритель также работает на основе принципа инфракрасного излучения от

ванны жидкого металла в кристаллизаторе, однако в отличие от ранее

рассмотренного, не требует перенастройки при изменении размеров

кристаллизатора. Это обуславливается тем, что работа измерителя

основывается на представляющим интерес принципе облучения покрытой шлаком

ванны жидкого металла в кристаллизаторе мощным монохроматическим излучением

в области спектра, для которой слой шлака является достаточно прозрачным и

на который посторонние источники света не влияют. Отраженный от поверхности

чистого металла поток инфракрасного излучения детектируется оптоэлектронным

датчиком. При этом изменение температуры металла, интенсивности его

свечения, а также посторонние источники света и шлак не оказывают влияния

на показания прибора. Система используется в настоящее время на ряде

сортовых МНЛЗ заводов Италии, обеспечивая точность измерения уровня ±10 мм.

Метод контроля уровня металла в кристаллизаторе основанный на использовании

вихревых токов, индуктируемых катушкой, размещенной над зеркалом жидкого

металла в кристаллизаторе.

Интересный метод контроля уровня металла в кристаллизаторе предложен

фирмой "Ниппон кокан", Япония. Метод основан на использовании вихревых

токов, индуктируемых катушкой, размещенной над зеркалом жидкого металла в

кристаллизаторе.[3] Измерительная катушка получает питание от

высокочастотного генератора (50 кГц) через усилитель с положительной

обратной связью. В зависимости от положения зеркала металла полное

сопротивление измерительной катушки, зависящее от ЭДС, наводимой в ней

вихревыми токами, также изменяется, что служит мерой положения уровня

жидкого металла в кристаллизаторе. Измерительная катушка размещена в

защитном керамическом стакане, охлаждаемым воздухом. Постоянная времени

комплекта составляет менее 0,2 с, точностью измерения ±1 мм

На рис.7 приведена структурная схема устройства

[pic]

Рис.7. Схема измерителя уровня металла в кристаллизаторе,

разработанного фирмой "Ниппон кокан", Япония:

I - усилитель обратной связи; 2 - осциллятор; 3 - детектор; 4 -

реактивная катушка; 5 - основной блок; .6 - измерителная катушка; 7 -

зеркало ванны; 8 -магнитное поле; 9 - кристаллизатор; 10 - ванна жидкого

металла; II - вихревые токи.

В СССР также ведутся работы по поиску новых методов контроля уровня

жидкого металла в кристаллизаторе. Так, в Институте проблем управления

разработан датчик уровня жидкого металла в кристаллизаторе, использующий

энергию высокочастотных частотно-модулированных колебаний.

Энергия высокочастотных колебаний подводится от генератора к

резонансному контуру, образованному струей жидкого металла, которая

охватывается кольцевым проводником с подключенным к нему высокочастотной

коаксиальной линией связи от генератора, кристаллизатором и жидким металлом

промежуточной емкости. Струя жидкого металла в этом случае играет роль

короткозамкнутого отрезка, нижний конец которого образован электрическим

замыканием струи металла и жидкого металла в кристаллизаторе.

Кольцевой проводник датчика измерительного устройства, охватывая струю

металла, поступающего в кристаллизатор, образует с ней электрическую

емкость, через которую и осуществляется бесконтактный подвод

высокочастотной энергии от генератора к отрезку контура.

При индуктивном характере входного комплексного сопротивления отрезка,

образованного струей жидкого металла, емкость связи кольцевого проводника

образует с эквивалентной индуктивностью этого отрезка последовательный

колебательный контур, подключённый в качестве нагрузки к линии связи с

генератором возбуждения. Резонансная частота контура является функцией

величины эквивалентной индуктивности и, следовательно, положения уровня

металла в кристаллизаторе.

Теперешние требования к качеству стали обусловливают необходимость высокой

точности параметров процесса непрерывного литья. Между тем, особенно при

регулировании уровня жидкого металла в кристаллизаторе применявшиеся прежде

традиционные способы при некоторых ситуациях процесса удовлетворительных

результатов не давали. Описанная ниже модульная система регулирования

уровня жидкого металла реагирует на изменения процесса быстрее и

обеспечивает постоянство поддержания уровня

ДАТЧИКИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОДДЕРЖАНИЯ УРОВНЯ МЕТАЛЛА В

КРИСТАЛЛИЗАТОРАХ МНЛЗ

Система автоматического поддержания уровня металла в кристаллизаторе

(САПУМК) МНЛЗ является одной из основных при разливке стали, определяющей

качество получаемого слитка.[4]

Типовым составом САПУМК является датчик уровня металла (ДУМ), содержащий

первичный преобразователь, преобразующий перемещение уровня металла в

электрический сигнал, и вторичный преобразователь, формирующий

нормированный выходной сигнал, микропроцессорное устройство, задающее закон

поддержания уровня и управляющие исполнительным устройством — приводом

стопорного механизма или шиберного затвора.

По физическим принципам измерения датчики уровня металла САПУМК

классифицируются:

"изотопные" ;

"электромагнитные" (токовихревые);

"тепловые" (с использованием встроенных в кристаллизатор датчиков

температуры;

"оптические";

"ультразвуковые";

"радиометрические";

"электромеханические".

Промышленно применимыми в САПУМК являются (по степени

распространенности): изотопные и электромагнитные. Остальные не нашли

широкого применения, например "тепловые", или являются "экзотическими".

Наибольшее распространение получили изотопные ДУМ, как наиболее

компактные и поддающиеся встройке в конструкцию кристаллизатора. Изотопные

ДУМ состоят из источника [pic]-из-лучения (Со60, Cz137) и точечного

приемника излучения, расположенного в стенках кристаллизатора. Изотопные

ДУМ позволяют измерить уровень металла в кристаллизаторе до 180 мм от среза

кристаллизатора при точности поддержания уровня по разным источникам: от ±5

мм до ±3 мм.

Недостатки изотопных ДУМ: радиационная опасность; относительно низкое

соотношение сигнал - шум; нелинейность характеристики; чувствительность к

шлакообразующей смеси.

Достоинства изотопных ДУМ: конструктивная и технологическая

"отработанность" приемника, излучателя и узлов встройки в кристаллизатор;

простота эксплуатации; простота калибровки, нечувствительность к

электромагнитным полям (возможно совмещение с системой перемешивания

металла в кристаллизаторе).

Основными поставщиками изотопных ДУМ в страны СНГ являются ПО

"Промавтоматика" (г. Киев) и фирма "Bertoldf, значительно укрепившая свои

позиции поставщика, после распада СССР. В настоящее время в связи

настойчивым желанием ряда металлургических комбинатов снизить количество

импортных поставок, появились разработки отечественных приемников и

источников [pic]-излучения, конструктивно повторяющие уже применяемые.

Предприятия атомной промышленности готовы поставлять источники и

производить перезарядку использованных источников. По этому пути, пошли

металлургические комбинаты: ОАО "ОЭМК" и ОАО "НТМК".

Разработка электромагнитных (токовихревых) ДУМ (ЭДУМ) была инициирована

проблемой повышения безопасности, используемого в металлургии оборудования.

Успешными разработками можно считать ЭДУМ конструкции фирмы "Ниппон

кокан" (Япония) и "Раутаруукки", устанавливаемых над зеркалом металла, а

также конструкция фирмы IRM , встраиваемая в кристаллизатор.

Конструкция ЭДУМ фирмы "Ниппон кокан" представляет собой две группы

обмоток (катушек), расположенных на магнитопроводе и защищенных от нагрева

со стороны разливочного стакана и жидкого металла керамическим кожухом.

Дополнительной защитой от нагрева является поток воздуха, подводящийся

извне от внешнего источника, и определенным образом циркулирующий вокруг

обмоток (катушек) внутри керамического кожуха. Первая группа обмоток,

включенная между собой согласно, является обмотками возбуждения, к которым

подводится питающие ЭДУМ переменное напряжение с частотой в диапазоне от

1,5 до 4 кГц. Вторая группа, являющаяся сигнальными обмотками, включена

между собой встречно. Указанный диапазон частот питающего напряжения

обеспечивает наименьшее влияние проводимости шлакообразующей смеси. Опытным

путем было получено, что при более высоких частотах питающего напряжения,

например, 20-50 кГц, ЭДУМ измеряет уровень расплавленного шлака, а не

расплавленного металла.

ЭДС, наведенная на сигнальных обмотках, зависит от расстояния между ЭДУМ

и зеркалом расплавленного металла по существенно нелинейному закону.

ЭДУМ конструкции фирмы "Ниппон кокан" закреплен на специальном штативе,

который перемещается разливщиками вручную и устанавливается при измерении

уровня металла на край кристаллизатора. Отличительной особенностью данной

конструкции является ее простота, что позволило ряду фирм, например, в

Китае и в России, повторить эту конструкцию в тех или иных вариантах.

Недостатки:

1. неудобство в работе из-за наличия кабелей связи и шланга, подводящего

охлаждающий воздух, которые в большинстве случае находятся непосредственно

на разливочной

площадке и подвержены механическим и тепловым воздействиям, а также могут

ограничивать действия разливщика;

2. неудобства в работе из-за появления дополнительных операций для

разливщика: "операции установки и снятия" ЭДУМ в начале и в конце разливки,

а также в аварийных ситуациях (дополнительно затрачивается от 5 до 15 с на

выполнение операций "снятие ЭДУМ" и

"уборка в безопасное место");

3. вариации величины коэффициента преобразования в функции "уровень — ЭДС"

при

изменение места установки ЭДУМ в плоскости зеркала металла;

4. трудоемкость калибровки ЭДУМ (возможна только косвенная калибровка из-за

разной

проводимости жидкой и закристаллизовавшейся стали);

5. необходимость подавления в сигнале ЭДУМ составляющей связанной с

периодически

ми колебаниями кристаллизатора относительно уровня металла (на частоте

качания кристаллизатора).

Также существенным недостатком рассмотренной конструкции является

значительный расход комплектующих (датчиков, кожухов, подставок, кабелей,

шлангов), особенно при низкой технологической дисциплине персонала.

В конструкции ЭДУМ фирмы "Раутаруукки" первичный преобразователь

установлен на специальном телескопическом кронштейне, выдвигающемся и

убирающимся по команде разливщика. При этом достигается:

6. сохранность датчика и комплектующих;

7. установка датчика все время в одном и том же месте над плоскостью

зеркала жидкого

металла;

8. отсутствие в полезном сигнале ЭДУМ составляющей, связанной с частотой

качания

кристаллизатора.

Данные о влиянии шлакообразующей смеси на работу ЭДУМ отсутствуют. Однако

эксплуатационные достоинства данной конструкции ЭДУМ снижаются

необходимостью:

1. определения зоны безопасности для размещения телескопического

кронштейна, что

затруднительно из-за ограниченности или отсутствия, в ряде случаев, места

на разливочной площадке;

2. требованием наличия еще одной гидравлической системы для управления

раздвижным

кронштейном.

Конструкция ЭДУМ фирмы IRM, встроенная в кристаллизатор, полностью

лишена указанных недостатков и приближается по эксплуатационным

характеристикам к изотопным датчикам. Данный ЭДУМ представляет собой

группу обмоток, размещенных в специальном водоохлаждаемом кожухе,

устанавливаемом на кристаллизатор, таким образом, что обмотки охватывают

по периметру зеркало жидкого металла. Однако при достаточно больших

размерах кристаллизатора конструкция ЭДУМ становится конструктивно

громоздкой и не эффективной из-за необходимости подведения большой

мощности питающего напряжения к обмоткам возбуждения. Оптимальными для

применения данной конструкции ЭДУМ являются кристаллизаторы с сечением не

более 500x500 мм.

Особенностью всех конструкций ЭДУМ является необходимость правильного

выбора соотношения величины питающего напряжения и величины полезного

сигнала, так как от этого зависит коэффициент усиления тракта

преобразования сигнала первичного преобразователя ЭДУМ. Величина полезной

составляющей ЭДС сигнальных обмоток, зависит от уровня металла в

кристаллизаторе и при удалении датчика от зеркала жидкого металла в

диапазоне от 50 до 150 мм составляет не более 2-5 % от полного сигнала

(зависит от геометрических размеров датчика, размеров кристаллизатора и

др.). Например, коэффициент усиления в тракте преобразования "величина

уровня металла - нормированный сигнал (4-20 мА, 0-5 В и т. д.)" для ЭДУМ,

при габаритах первичного преобразователя: длина первичного преобразователя

200 мм, диаметр обмоток 30 мм, площади зеркала жидкого металла 200x200

мм, над которым установлен первичный преобразователь, и питающем

напряжении 10-15 В, составляет несколько сотен единиц. При таких значениях

величины коэффициента усиления во вторичном преобразователе необходимо

принимать меры по подавлению внутренних шумов усилителя, а также применять

ряд полосовых фильтров, подавляющих электромагнитные помехи (в первую

очередь помехи от переменного напряжения частотой 50 Гц). Все это приводит

к снижению полосы пропускания и увеличению постоянной времени тракта

преобразования сигнала ЭДУМ. В оптимальных конструкциях ЭДУМ запаздывание

в преобразовании сигнала первичного преобразователя составляет не более 1

с. Большой коэффициент усиления в тракте преобразования сигнала ЭДУМ также

накладывает ограничения по электромагнитной совместимости с другими

электромагнитными устройствами, применяемыми на разливочной площадке.

Такими устройствами могут быть мобильные радиостанции, системы

электромагнитного перемешивания стали и т. д.

Применение вблизи ЭДУМ источника электромагнитных волн может вызвать

аварийные ситуации, например, несанкционированное открывание или

закрывание дозирующего устройства.

Для ЭДУМ характерна существенная нелинейность функции преобразования

"уровень металла — ЭДС". Различная чувствительность датчиков, зависящая от

расстояния до зеркала жидкого металла, является их методической

погрешностью ЭДУМ. Нелинейность характеристики ЭДУМ, как и других ДУМ,

приводит к переменному петлевому коэффициенту в тракте системы

автоматического регулирования — САПУМК, что приводит к различию в точности

поддержания уровня металла в требуемом по технологии рабочем диапазоне.

Добиться линеаризации характеристики ЭДУМ можно следующими способами:

калибровкой ЭДУМ во всем рабочем диапазоне и последующим использованием

полученной калибровочной характеристики;

схемотехническими решениями во вторичном электронном преобразователе,

например, путем использования устройств с нелинейной характеристикой;

алгоритмически.

Способ прямой калибровки ЭДУМ прост в исполнении, но имеет ограничения по

точности линеаризации, так как существует отличие проводимости жидкой и

закристаллизовавшейся стали, а для ЭДУМ на штативе возможно изменение

положения первичного преобразователя в плоскости зеркала жидкого металла и

относительно стенок кристаллизатора. Данный способ наиболее пригоден для

конструкций датчиков фирмы "Раутаруукки" и "IRM", в которых первичные

преобразователи устанавливаются в одно и то же положение относительно

кристаллизатора и других металлических конструкций.

Фирмой "Ниппон кокан" разработан ЭДУМ, в котором путем схемотехнических

решений во вторичном преобразователе удалось добиться квазилинейной

характеристики преобразования сигнала во всем рабочем диапазоне датчика (0-

150 мм).

Примером одного из промышленно-применимых алгоритмических способов

линеаризации характеристики преобразования ЭДУМ является способ, в котором

используется составляющая сигнала первичного преобразователя, связанная с

наличием периодических колебаний кристаллизатора относительно слитка. В

данном способе первичный преобразователь устанавливается на кристаллизатор

или встраивается в кристаллизатор. Так как амплитуда и частота качания

кристаллизатора известны и программно задаются в процессе разливки, то

величина амплитуды составляющей полного сигнала первичного преобразователя

может использоваться в качестве "пробного" воздействия для определения

крутизны ЗДУМ в каждый период качаний кристаллизатора. Выделить "пробный"

сигнал из сигнала первичного преобразователя можно путем полосовой

фильтрации сигнала первичного преобразователя на частоте качания

кристаллизатора, причем как на этапе аналоговой обработки сигнала, так и в

цифровом виде. Амплитуда сигнала, прошедшего полосовую фильтрацию,

пропорциональна амплитуде качаний кристаллизатора. Аналоговое устройство,

Страницы: 1, 2, 3, 4