способ контроля уровня жидкой металлической или шлаковой ванны в кристаллизаторе и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измерения уровня жидкой металлической или шлаковой ванны в кристаллизаторе, включающий направление потока излучения от радиоактивного источника на жидкую ванну в зоне формирования металлической заготовки, измерение величины потока излучения и определение уровня металлической или шлаковой ванны по изменению потока излучения, отличающийся тем, что измеряют величину потока излучения, отраженного зоной формирования металлической заготовки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют величину потока излучения, отраженного зоной формирования металлической заготовки, расположенной внутри телесного угла, вершиной которого является радиоактивный источник излучения, при этом измерение осуществляют с внешней стороны телесного угла.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что выбирают точку контроля излучения так, чтобы разность значений потока излучения, отраженного жидким шлаком и формируемой металлической заготовкой, при высшем и низшем положении жидкой ванны превышала диапазон колебаний фонового излучения, которое попадает в точку контроля излучения, минуя жидкий шлак и формируемую металлическую заготовку.

4. Устройство для измерения уровня жидкой металлической или шлаковой ванны в кристаллизаторе, формирующем металлическую заготовку, содержащее радиоактивный источник излучения и по крайней мере один приемник излучения, отличающееся тем, что приемник излучения выполнен с возможностью измерения величины потока излучения, отраженного зоной формирования металлической заготовки, расположенной внутри телесного угла, вершиной которого является радиоактивный источник излучения, и установлен с внешней стороны упомянутого телесного угла.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что радиоактивный источник и приемник излучения расположены на одном уровне.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно снабжено вторым приемником излучения, который своим выходом вместе с выходом первого приемника подключен к блоку сравнения, причем второй приемник расположен от источника на расстоянии или экранирован таким образом, что излучение радиоактивного источника, принимаемое вторым приемником, ниже его порога чувствительности.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что приемник излучения помещен в охлаждаемый кожух.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что радиоактивный источник излучения и приемник излучения установлены относительно зоны кристаллизатора с формируемой заготовкой или жидкой ванной на расстоянии, при котором отраженное от них излучение радиоактивного источника превышает порог чувствительности приемника излучения.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к электрометаллургии, а именно к контролю уровня жидкого металла или шлака в металлургических установках, в частности, в установках электрошлакового переплава.

Задача контроля уровня жидкого металла в кристаллизаторе актуальна, поскольку она непосредственно связана с управлением процесса формирования слитка и изменением скорости наплавления, и, как следствие, с качеством выплавляемого слитка.

Известны способы контроля уровня жидкого металла в ванне рудно-термической печи (пат. РФ № 2376540, МПК F27B 3/08, пр. от 08/04/2008 г.). В данном способе уровень расплава определяют по изменению фазного напряжения и тока электрода в соответствии с формулой H=KU_пс, где Н - уровень расплава, мм, U_пс - значение постоянной составляющей фазного напряжения, мВ, K - коэффициент, зависящий от величины фазного напряжения, мм/мВ. Такой способ не обеспечивает необходимую точность.

Индукционный бесконтактный датчик уровня жидких металлов основан на измерении электромагнитного сигнала, возникающего в зоне контроля в связи с изменением уровня жидкого металла (А.С. СССР № 494615, МПК G01F 23/26, пр. от 23.07.73 г.). Датчик выполнен в виде съемной головки, внутри которого размещены рабочая и измерительные обмотки. При подходе электропроводной жидкости к датчику на выходе появляется сигнал, пропорциональный эдс, индуцируемых в измерительных обмотках, который поступает в систему регулирования уровня металла.

Индукционный датчик не обеспечивает необходимой чувствительности по уровню металлической ванны, так как при установке его в глухом отверстии, выполненном в стенке медного кристаллизатора, датчик экранируется медью, обладающей значительно большей электропроводностью, чем металлическая ванна. Установка датчика в сквозном отверстии в стенке кристаллизатора приводит к резкому снижению надежности. Определить уровень шлаковой ванны индукционным датчиком еще сложнее, чем уровень металла. В электрошлаковых печах датчики этого типа не получили распространения.

Известны способы измерения уровня расплава при электрошлаковом переплаве по величине теплового излучения от боковой поверхности металлической ванны или сформированного слитка (А.С. СССР № 496813, МПК С21С 5/56, пр. от 16.09.74 г.). По изменению величины сигнала контролируют уровень металлической ванны.

Для реализации этого способа известны устройства, т.н. тепломеры, для контроля уровня металлической ванны, содержащие датчик теплового потока, помещенный в корпус, встраиваемый в стенку кристаллизатора (А.С. СССР № 496813, МПК C21C 5/56, пр. от 16.09.74 г., А.С. СССР № 513555, МПК C21C 5/56, пр. от 10.02.75 г.).

Использование тепломера для определения уровня жидкой ванны по тепловому потоку через стенку кристаллизатора не обеспечивает достаточную надежность. Во-первых, профиль теплового потока по высоте кристаллизатора имеет, как правило, два максимума, величина и характер которых по ходу плавки подвержены изменениям. В связи с этим, надежно идентифицировать положение жидкой металлической ванны на практике не удается. Во-вторых, из-за высокой теплопроводности стенки медного кристаллизатора происходит выравнивание профиля теплового потока по высоте кристаллизатора, вследствие чего для обеспечения необходимой чувствительности тепломер устанавливают в сквозном отверстии в стенке кристаллизатора. Как и в предыдущем случае, это приводит к резкому снижению надежности из-за возможности прорыва металла или шлака через сквозное отверстие в стенке кристаллизатора.

В качестве наиболее близкого аналога заявляемого способа принят способ контроля уровня жидкой металлической или шлаковой ванны в кристаллизаторе, при котором направляют поток излучения от радиоактивного источника на жидкую ванну в зоне формирования металлической заготовки, контролируют величину излучения и по ее изменению определяют уровень ванны (Пат. GB № 1521257, МПК B22D 23/06, пр. от 27.09.74 г.).

В качестве наиболее близкого аналога заявляемого устройства для измерения уровня жидкой металлической или шлаковой ванны принято устройство для измерения уровня жидкой металлической или шлаковой ванны в кристаллизаторе, формирующем заготовку, включающее радиоактивный источник излучения и, по крайней мере, один приемник излучения (Пат. GВ № 1521257, МПК B22D 23/06, пр. от 27.09.74 г.). В данном устройстве источник и приемник размещены так, что между ними находится выплавляемый слиток, либо жидкая ванна, либо шлаковая ванна.

При этом приемник воспринимает проникающее слиток излучение от источника. Величина сигнала от источника зависит от расстояния до приемника. С увеличением поперечных размеров выплавляемого слитка сигнал от источника должен быть увеличен. Однако такое увеличение должно быть согласовано с санитарными нормами, ограничивающими его величину. При этом снижается точность измерения.

Технической задачей заявляемых изобретений является создание способа и устройства контроля уровня жидкой металлической или шлаковой ванны в кристаллизаторе, позволяющих достичь высокой точности измерения в пределах санитарной нормы излучения.

Задача решается тем, что в способе контроля уровня жидкой металлической или шлаковой ванны в кристаллизаторе, при котором направляют поток излучения от радиоактивного источника на жидкую ванну в зоне формирования металлической заготовки, контролируют величину излучения и по ее изменению определяют уровень ванны, в качестве контролируемой величины рассматривают величину излучения, отраженного этой зоной.

Задача решается также тем, что величину отраженного излучения контролируют с внешней стороны телесного угла, вершиной которого является источник, а поверхность касается формируемой заготовки, находящейся внутри телесного угла.

Задача решается также тем, что точку контроля излучения выбирают так, чтобы разность значений отраженного жидким шлаком и формирующейся металлической заготовкой при высшем и низшем положении жидкой ванны превышала диапазон колебаний фонового излучения, которое попадает в точку контроля излучения, минуя жидкий шлак и формирующуюся металлическую заготовку.

Задача решается также созданием устройства для измерения уровня жидкой металлической или шлаковой ванны в кристаллизаторе, формирующем заготовку, которое содержит радиоактивный источник излучения и, по крайней мере, один приемник излучения, расположенный с внешней стороны телесного угла, вершиной которого является радиоактивный источник, а поверхность касается формируемой заготовки, находящейся внутри телесного угла, при этом радиоактивный источник и приемник излучения могут быть расположены на одном уровне.

Задача решается также тем, что устройство для измерения уровня жидкой металлической или шлаковой ванны снабжено вторым приемником излучения, который своим выходом вместе с выходом первого приемника подключен к блоку сравнения, причем второй приемник расположен от источника на расстоянии, при котором излучение радиоактивного источника, принимаемое вторым приемником, ниже его порога чувствительности или заэкранирован. Кроме того, приемник излучения может быть помещен в охлаждаемый кожух.

Задача решается также тем, что радиоактивный источник излучения и приемник излучения установлены относительно боковой поверхности формируемой заготовки или жидкой ванны на расстоянии, при котором отраженное от них излучение радиоактивного источника превышает порог чувствительности приемника излучения.

Изобретения поясняются чертежами. На Фиг.1 изображено направление потока излучения на зону формирования металлической заготовки. На Фиг.2 изображено размещение источника и приемника излучения относительно зоны формирования металлической заготовки. На Фиг.3 показан продольный разрез кристаллизатора. На Фиг.4 показан поперечный разрез кристаллизатора с источником и двумя приемниками излучения. На Фиг.5 представлена зависимость выходного сигнала приемника излучения от уровня жидкой металлической ванны.

Фиг.1 поясняет способ контроля уровня 1 жидкой металлической 2 или уровня 3 шлаковой 4 ванны в кристаллизаторе 5, при котором направляют поток излучения от радиоактивного источника 6 на жидкую ванну 2, 4 в зоне 7 формирования металлической заготовки 8, контролируют величину излучения 9, отраженного этой зоной, и по ее изменению определяют уровень 1 или 3 ванны 2 или 4.

Величину отраженного излучения 9 контролируют с внешней стороны телесного угла 10, вершиной которого является источник 6, а поверхность 11 (на фиг.1 показана лучами) касается формируемой заготовки 8, находящейся внутри телесного угла 10. Линия 12, по которой поверхность 11 телесного угла 10 касается формируемой заготовки 8, включающей жидкую часть 2, является границей поверхности (как части поверхности заготовки 8), стягивающей телесный угол 10.

На фиг.2 показано, что приемник регистрирует отраженное излучение как от поверхности материала, уровень которого определяют, так и отраженное излучение от его внутренних слоев, то есть рассеянное излучение. Поскольку интенсивность излучения, рассеянного материалом, который находится внутри кристаллизатора, зависит от плотности, то при повышении уровня жидкой металлической ванны металл вытесняет менее плотный шлак в зоне контроля. При этом интенсивность рассеянного (отраженного) излучения возрастает, что и фиксируется как пересечение контрольного уровня поверхностью жидкой металлической ванны.

В случае, когда контролируют уровень 3 шлаковой 4 ванны, изменение интенсивности отраженного (рассеянного) сигнала свидетельствует о пересечении поверхностью шлака контрольного уровня шлаковой ванны.

На фиг.1 стягивающая телесный угол 10 поверхность выделена жирной линией. Там же показано расположение точки 13 контроля излучения (местоположение приемника излучения). При этом разность значений излучения 9, отраженного жидким шлаком 4 и формирующейся металлической заготовкой 2, 8 при высшем и низшем положении жидкой ванны, превышает диапазон колебаний фонового излучения 14. Фоновое излучение 14, снижающее точность измерения, попадает в точку 13 контроля излучения по прямой траектории от радиоактивного источника 6, либо из окружающего пространства, минуя жидкий шлак 4 и формирующуюся металлическую заготовку 2, 8.

Фиг.3 и 4 поясняют устройство для измерения уровня 1 жидкой металлической 2 или уровня 3 шлаковой 4 ванны в кристаллизаторе 5. Конструкция описана применительно к контролю жидкой металлической ванны 2, для случая контроля уровня 3 жидкой шлаковой ванны 4 устройство аналогично. Радиоактивный источник 6 излучения, помещенный в контейнер 15, расположен в глухом отверстии 16, которое выполнено в боковой стенке кристаллизатора 5. Приемник излучения 13 также установлен в глухом отверстии 17, которое выполнено в боковой стенке кристаллизатора 5. Приемник излучения 13 расположен с внешней стороны телесного угла 11, вершиной которого является радиоактивный источник 6, а поверхность 11 касается формируемой заготовки 2, 8, находящейся внутри кристаллизатора 5 и соответственно внутри телесного угла 11.

В данном примере радиоактивный источник 6 и приемник 13 излучения расположены в отверстиях 16 и 17, которые, как это видно из фиг.3, выполнены на одном уровне.

На фиг.4 показан вариант исполнения устройства, снабженного вторым приемником 18 излучения, который своим выходом 19 вместе с выходом 20 первого приемника 13 подключен к блоку 20 сравнения. Разностный сигнал с блока сравнения 20 используется для подачи на вход 21 системы 22 контроля уровня жидкой ванны. Второй приемник 18 может быть защищен экраном 23 либо расположен на таком расстоянии от источника 6, при котором излучение 24 радиоактивного источника 6, принимаемое вторым приемником 18, ниже его порога чувствительности.

Приемник излучения 13 помещен в кожух 25 (см. фиг.2), охлаждаемый водой 26.

Для обеспечения требуемой чувствительности приемник 13 излучения и радиоактивный источник 6 излучения установлены относительно боковой поверхности 26 формируемой заготовки 8 или жидкой ванны 2 или 4 на расстоянии соответственно 27 и 28, при котором отраженное от них излучение 9 радиоактивного источника 6 превышает порог чувствительности приемника 13 излучения.

Устройство работает следующим образом.

В водоохлаждаемом кристаллизаторе 5, изготовленном, как правило, из меди, выполняют электрошлаковый переплав расходуемого электрода 29. При этом расходуемый электрод 29 поддерживают погруженным в расплавленный шлак 4. Электрод 29 под действием протекающего по нему электрического тока оплавляется. Капли расплавленного металла падают через шлак 4 в жидкую металлическую ванну 2 формирующейся заготовки 8. Шлаковый гарниссаж 30, застывший на внутренней поверхности кристаллизатора 5, обеспечивает тепловую защиту кристаллизатора.

В начале плавки в кристаллизаторе 5 наводят ванну жидкого шлака, уровень которой может быть ниже уровня расположения 32 радиоактивного источника и приемника излучения. Отраженное (рассеянное) излучение при этом имеет минимальное значение. При достижении уровня поверхности шлака уровня 32 отраженное (рассеянное) излучение 9 увеличивается. Соответственно повышается сигнал на выходе 20 приемника 13, что определяет уровень шлаковой ванны. По мере плавления расходуемого электрода 29 уровень металлической ванны 1 повышается от низшего положения 31 и при достижении уровня 32 происходит дальнейшее увеличение отраженного (рассеянного) излучения 9 и сигнала на выходе 20 приемника 13, что позволяет определить уровень металлической ванны. Во избежание превышения высшего уровня 32 жидкой металлической ванны, скорость вытягивания формируемой металлической заготовки 8 из кристаллизатора 5 регулируют так, чтобы уровень металлической ванны имел минимальные отклонения от заданного значения.

Рассмотрим пример реализации заявленного изобретения на печи электрошлакового переплава с подвижным коротким кристаллизатором, имеющим верхнюю уширенную часть для шлаковой ванны и нижнюю часть меньшего диаметра (как на фиг.1, 3), формирующую выплавляемую заготовку цилиндрической формы. В стенке медного водоохлаждаемого кристаллизатора с внутренним диаметром 250 мм, а именно в его формирующей выплавляемую заготовку части, выполнены два глухих отверстия (16, 17 на фиг.3) на уровне 7 расчетного положения жидкой металлической ванны. Толщина стенки кристаллизатора от дна глухих отверстий до внутренней поверхности кристаллизатора принята 7 мм. Расстояние между излучателем и приемником - 160 мм. Активность используемого радиоактивного источника с изотопом Na22 излучения составляет 800 950 кБк, что в соответствии с СанПиН 2.6.1.1015-01 для РИП 1-й группы не превышает 1000 кБк.

Поток гамма-излучения от излучателя отражается (рассеивается) контролируемым материалом и регистрируется приемником, представляющим собой кристалл, который при попадании на него ионизирующего излучения выдает электрические импульсы. Средняя частота следования импульсов пропорциональна плотности потока, воспринимаемого приемником излучения. Далее частота импульсов преобразуется в аналоговый сигнал 4-20 мА. По мере повышения уровня жидкой металлической ванны возрастает плотность материала в контролируемой зоне и, соответственно, возрастает выходной токовый сигнал.

На фиг.5 приведена экспериментально снятая зависимость (ряд 1) выходного сигнала (мА) приемника излучения от высоты (мм) уровня металлической ванны. Уровень 0 мм соответствует расчетному положению поверхности металлической ванны. Положительные значения соответствуют повышению уровня, а отрицательные - его понижению. По приведенной на фиг.5 зависимости в соответствии с измеренным током определяют уровень металлической ванны.

Чувствительность и точность определения уровня жидкой ванны дополнительно повышается до +/-5 мм за счет использования разностного сигнала двух одинаковых приемников 13 и 18. Второй приемник защищен от излучения источника 6 свинцовым экраном толщиной 80 мм. Использование данного решения позволяет исключить влияние колебаний (в интервале от 7 до 15 мкР/ч) фонового излучения на показания системы 22 контроля уровня жидкой ванны.

В отличие от известного способа и устройства контроля уровня жидкой металлической и шлаковой ванны, основанных на контроле излучения, проходящего через ванну, в данном способе и устройстве используется сигнал с приемника 13, фиксирующего отраженное (рассеянное) излучение 9 радиоактивного источника 6. При большой толщине формируемой металлической заготовки в прототипе требуется мощный радиоактивный источник, излучение 33 которого значительно превышает санитарные нормы. В заявленном способе и устройстве установлен маломощный радиоактивный источник, например с использованием изотопа Na22, излучение 33 которого не превышает санитарных норм, что открывает возможность широкого промышленного использования данного изобретения. Сохраняется целостность внутренней поверхности кристаллизатора, благодаря чему обеспечивается высокая надежность.

Изобретения найдут широкое применение в электрометаллургических установках, в частности, в установках электрошлакового переплава.