ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ РАСПЛАВА В АГРЕГАТЕ Российский патент 1995 года по МПК B22D11/16 

Непрерывная разливка расплавов металлов неуклонно расширяется в металлургическом производстве, вызывая необходимость совершенствования соответствующего оборудования. Важным элементом его являются уровнемеры расплавов, в первую очередь - измеритель уровня жидкого металла в кристаллизаторе.

До настоящего времени измерение уровня расплава осуществлялось радиоизотопными датчиками. Ужесточение экологических требований к оборудованию исключает использование таких уровнемеров в дальнейшем. Требуется разработка экологически чистых измерителей.

Разрешающая способность измерителя уровня расплава для кристаллизаторов должна быть не хуже 1 мм; кристаллизатор представляет собой, как правило, водоохлаждаемую конструкцию из меди или ее сплавов.

Целью изобретения является создание уровнемера расплава с разрешающей способностью не хуже 1 мм, работающего в условиях высокой температуры, достаточно надежного и долговечного.

Анализ условий работы уровнемера (высокая температура, агрессивная среда, наличие слоя шлака над расплавом) и возможных принципов и схем датчиков уровня показал, что предпочтительнее было бы иметь наиболее простую конструкцию уровнемера с тем, чтобы, с одной стороны, обеспечить надежность его работы в указанных тяжелых условиях, а с другой - не слишком повысить его стоимость в сравнении с ныне применяемыми устройствами.

Указанная цель достигается использованием контактного принципа работы уровнемера с двумя особенностями его конструкции: применением специальных теплостойких контактов и объединением их в совместно работающую регистрирующую схему.

Принцип работы предлагаемого уровнемера таков же, как и у его аналогов: расплавленный металл, как электропроводная среда, замыкает соответствующие контакты, расположенные на корпусе кристаллизатора, благодаря чему фиксируется уровень жидкого металла.

На фиг.1 и 2 показан предлагаемый элемент.

Трудности, связанные с разработкой и установкой необходимых контактов, работающих в условиях агрессивной высокотемпературной среды, преодолевают следующим образом.

В качестве материала контактов выбирается тугоплавкий металл или соответствующий сплав с температурой размягчения, превышающей температуру расплава. Этот контакт 1 в виде проволоки (или стерженька) должен быть пропущен сквозь стенку 2 корпуса кристаллизатора (фиг. 1). Контакт электрически изолируется от корпуса посредством теплостойкого керамического элемента 3, закрепляемого в стенке корпуса либо тугой посадкой, либо впаиваемого в корпус. Аналогично закрепляется контакт 1 в изоляторе. Подбор материалов контакта 1 и изолятора по условиям смачиваемости их расплавом 4, а также пайка керамики и металла осуществляются на основе разработок, выполненных Институтом проблем материаловедения АН Украины.

Для фиксации уровня расплава, могущего изменяться в пределах нескольких мм или нескольких см, должен быть соответствующий набор рассмотренных здесь контактов, охватывающий пределы возможного изменения уровня.

Поскольку контактная вставка в составе контакта 1 и изолятора (фиг.1) не может быть весьма малой (диаметр или поперечный размер изолятора практически не может быть меньше 3 мм), то при вертикальном расположении (т.е. один над одним) таких контактов, как на фиг.1, разрешающая способность урвонемера может быть не меньше 3 мм, что не соответствует требованиям эксплуатации. Поэтому предлагается "решеточное" (фиг.2) расположение группы указанных контактов со смещением по вертикали одной вертикальной группы контактов относительно соседней группы на величину необходимого разрешения. Так при диаметре контактной вставки 3 мм и необходимом разрешении в 1 мм требуется не менее трех вертикальных групп контактов с их взаимным смещением по вертикали не более, чем на 1 мм (фиг.2).

Возможно, что по условиям теплоотвода оказывается возможным располагать в стенке кристаллизатора не одиночные контактные вставки, показанные на фиг. 1, а всю группу контактов в одном увеличенном отверстии в стенке. В этом случае целесообразно всю контактную группу формировать заодно (методами порошковой металлургии) в виде керамической пробки с решеткой контактов, состоящей из 12 контактов, как на фиг.2, или большего их числа. Такого рода цилиндрическую пробку несложно вставить (и соответствующим образом сориентировать и поджать) в отвечающее ей сверление в стенке кристаллизатора. В такой "пробочной" конструкции с решеткой контактов расстояние между ними может быть заметно уменьшено (в сравнении с указанными выше 3 мм) и, следовательно, улучшена разрешающая способность датчика при тех же габаритах всего измерительного устройства.

Под все эти контакты вставки электрическая регистрирующая схема может формироваться под двум основным принципам: цепь замкнута - цепь разорвана; по величине сопротивления между контактами.

Первый подход более желателен ввиду его простоты. Оба подхода могут быть реализованы по схеме замыкания или разрыва между корпусом кристаллизатора (а значит и расплавом) и контактами датчика или цепи лишь между контактами датчика, замыкаемыми расплавом. Второй подход нельзя исключить из рассмотрения ибо может оказаться, что шлак, скапливающийся на поверхности расплава, также будет замыкать цепи контактов (хотя и менее эффективно нежели расплав) и в этом случае регистрирующую схему необходимо будет формировать так, чтобы она различала величину электросопротивления между контактами, замкнутыми расплавом (и в этом случае сопротивление будет меньше) и шлаком (в этом случае сопротивление цепи будет увеличенным). При всех этих вариантах разработка электрических и электронных схем с выдачей необходимого сигнала в аналоговой или цифровой форме принципиальных трудностей не представляет.

Решеточный принцип расположения контактов был опробован на модели, в которой электропроводный расплав имитировался солевым раствором, и регистрирующая схема была представлена в виде вертикального столбика сигнальных лампочек. Высота светящегося столбика, таким образом, была пропорциональна высоте уровня жидкости в сосуде, омывавшей пробку с контактной решеткой, вставленную в стенку сосуда. Расстояние между контактами по вертикали было 4 мм, вертикальных групп датчиков было пять. По светящимся лампочкам достигалась уверенная регистрация уровня солевого раствора с точностью до 0,8-1,0 мм.

Проведенная разработка позволяет начать конструирование и изготовление экспериментального образца уровнемера для реального кристаллизатора расплавленного металла.

Эффективность использования данной конструкции уровнемера основывается, во-первых, на том, что предлагаемая конструкция экологически чистая в отличие от применяемых ныне радиоактивных измерителей уровня; во-вторых, на том, что как механиченская, так и электрическая части уровнемера весьма просты в изготовлении и эксплуатации, а это сулит немалую выгоду при серийном их изготовлении для наших многочисленных металлургических заводов.

Изобретение относится к измерительной технике. Разработана и опробована "решеточная" схема электроконтактного чувствительного элемента. Особенностью чувствительного элемента является формирование методами порошковой металлургии электроизоляционной пробки с решеткой контактов, замыкаемых расплавом, позволяющей достичь разрешения по уровню не хуже 1 мм. 2 ил.

ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ РАСПЛАВА В АГРЕГАТЕ, содержащий контакты, установленные в цилиндрическом элементе в несколько вертикальных рядов, причем цилиндрический элемент предназначен для установки в стенке агрегата, отличающийся тем, что цилиндрический элемент выполнен из керамики и изготовлен совместно с контактами методами порошковой металлургии или пайки, а контакты каждого ряда сдвинуты в вертикальном направлении относительно контактов другого ряда на расстояние, определяемое заданной разрешающей способностью чувствительного элемента.