СПОСОБ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА Российский патент 2006 года по МПК G01F23/14 

Изобретение относится к черной и цветной металлургии и может быть использовано для контроля уровня жидкого металла в разливочных ковшах, кристаллизаторах установок непрерывного литья, плавильных печах, миксерах и в иных агрегатах.

Известны способы контроля уровня жидкого металла с применением рентгеновского или гамма-излучения, см. авторское свидетельство СССР №243163, МПК В 22 D 11/10, 1970 г. Его недостатком является сложность защиты обслуживающего персонала от излучения, а мощность источников излучения для просвечивания ковшей диаметрами в несколько метров должна быть значительной.

Известен также способ с измерением температуры в различных точках стенок агрегата, например ковша, с помощью ряда термопар, см. авторское свидетельство СССР №740391, МПК В 22 D 11/04, 1980 г. Недостатком способа является низкая точность измерения, особенно из-за влияния слоя шлака, нагретого до высокой температуры.

Ближайшим аналогом заявленного способа является способ, основанный на измерении давления воздуха или иного газа в полости, открытой к жидкому металлу, в который она погружена, например, с помощью манометров, см. авторское свидетельство СССР №942868, МПК В 22 D 11/16, 1982 г. Давление газа в полости определено высотой столба жидкого металла, поэтому, измерив давление газа, можно определить и высоту столба металла. Недостатком является то, что точность значительно снижается при наличии слоя шлака над жидким металлом, а отличить давление, создаваемое жидким шлаком, от давления, создаваемого жидким металлом, весьма затруднительно.

Данный способ направлен на решение задачи - обеспечить повышение точности контроля уровня жидкого металла и при этом определить также толщину слоя шлака. Эта техническая задача решается за счет того, что осуществляют контроль давления газа в двух независимых камерах, открытых снизу и погруженных в жидкий металл на различную глубину, и измеряют давление в полости, погруженной на большую глубину, в момент времени, в который давление в полости камеры, погруженной на меньшую глубину, становится равным атмосферному давлению. При этом вычисляют толщину слоя жидкого шлака на поверхности металла и учитывают ее в дальнейшем при определении уровня жидкого металла. Толщину слоя жидкого шлака вычисляют по предложенной формуле.

Схема устройства, предназначенного для реализации способа, приведена на фиг.1, а на фиг.2 показано изменение давления газа, фиксируемого двумя измерительными приборами.

В разливочном ковше 1 расположен слой футеровки 2 и керамическая камера 3, соединенная с манометром 4 трубкой 5. Вторая камера 6 из огнеупорного материала погружена в полость ковша на меньшую глубину. Эта камера соединена с манометром 7. Ковш снабжен шиберным затвором 8 для выпуска металла.

Ковш заполнен жидким металлом 9 на высоту Н от торца камеры 3, открытой снизу и погруженной в расплав. Способ реализуется следующим образом.

После заполнения ковша 1, покрытого слоем футеровки 2, металлом, в камере 3 манометр 4 с трубкой 5 фиксирует давление, равное

а манометр 7 давление

где ρ - плотность жидкого металла,

ρ₀ - плотность жидкого шлака,

Н - высота жидкого металла 9 относительно нижнего торца камеры 3,

h - толщина слоя жидкого шлака.

По мере разливки жидкого металла величина Н уменьшается. Здесь Н₀ - известное расстояние между торцевыми поверхностями камер 3 и 6. После опускания мениска шлака - поверхность А, фиг.1, до уровня торца камеры 6, в ней фиксируется манометром 7 давление, равное атмосферному, когда избыточное давление равно нулю, Р₂=0. В этот момент времени τ=τ₀ известно, что Н(τ₀)+h=Н₀ и, следовательно, высота слоя шлака h=Н₀-Н(τ₀). В камере 3 в этот момент фиксируется давление

то есть именно в этот момент времени определяются: высота слоя жидкого металла

и толщина слоя жидкого шлака

Именно показание манометра 4 и давление в этот момент времени то в камере 3 позволяют определить толщину слоя шлака, находящегося в ковше. После этого давление P₁, (при τ>τ₀) определяет высоту слоя жидкого металла

где h определено формулой (5).

Именно формула (5) дает возможность определить толщину слоя жидкого шлака над мениском жидкого металла и эта величина h учитывается в дальнейшем при определении уровня металла.

При завершении разливки металла, когда Н(τ)=0; в момент времени τ_к давление в камере 3 равно

Достижение давления P₁(τ_к) означает, что у нижнего торца камеры 3 находится уже поверхность слоя шлака и это может быть сигналом к окончанию разливки, например, чтобы избежать попадания шлака в кристаллизатор или изложницу.

Приведем пример реализации способа. В ковш залита жидкая сталь плотностью ρ=7·10³ кг/м³. Цилиндрические камеры 3 и 6 диаметрами 40 мм открыты снизу и погружены в жидкую сталь так, что расстояние между их торцевыми поверхностями Н₀=1 м. Давление в камере 3: P₁=14,6·10⁴ Н/м², а в камере 6: Р₂=7,6·10⁴ Н/м². Затем эти давления уменьшаются, как показано на фиг.2, при разливке ковша массой 5 тонн стали. В момент времени τ₀=6,5 мин фиксируется давление P₂=0, см. фиг.2, и при этом давление P₁=5,5·10⁴ Н/м². По формулам (4) и (5) определяем, что в данный момент мы имеем слой жидкой стали высотой

Н(τ₀)=(5,5·10⁴-2·1·10⁴)/10(7-2)·10³=0,7 м,

(над нижним торцом камеры 3) и слой шлака толщиной равной

h=(7·1·10⁴-5,5·10⁴)/5·10⁴=0,3 м.

Таким образом, измерение давления в двух камерах 3 и 6 позволили определить толщину слоя шлака, отделив величину его давления от величины давления, создаваемого жидким металлом. При τ>τ₀ P₂=0, a P₁ уменьшается. В момент времени τ=τ_к согласно формуле (8) при τ_к=14 мин

Н=0; Р₁(τ_к)=(2·10⁴-5,5·2·10⁴/7)/(1-0,2857)=0,6·10⁴ Н/м².

В этот момент времени, когда Н=0, над нижним торцом камеры 3 уже находится только слой шлака и можно прекратить разливку (этот участок линии P₁ на фиг.2 показан пунктиром) и слить шлак в отдельную емкость (ковш для шлака). Легко можно сделать так, что при равенстве давления в камере 6 атмосферному подается звуковой или световой сигнал и фиксируются показания манометра 4, измеряющего давление в камере 3. Шкалу манометра 4 можно проградуировать не только в барах (или в Н/м²), но и в единицах длины (м), равных высоте слоя шлака согласно формуле (5).

Способ не требует больших затрат для его использования, не требует применения радиоактивных элементов, что повышает безопасность труда.

Изобретение относится к металлургии, а именно к способам контроля уровня жидкого металла в металлургических агрегатах для плавки или разливки. Технический результат - повышение точности контроля. Сущность изобретения состоит в том, что измеряют давление газа в двух камерах, открытых снизу и погруженных в жидкий металл на различную глубину. При этом фиксируют давление в камере, погруженной на большую глубину в момент времени, когда давление во второй камере становится равным атмосферному. Способ позволяет определить высоту слоя жидкого металла и шлака. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля уровня жидкого металла, включающий измерение давления газа в камере, погруженной в жидкий металл и открытой снизу, и вычисление по значению измеренного давления текущего уровня металла, отличающийся тем, что при этом в жидкий металл погружают вторую камеру на глубину, меньшую глубины погружения первой камеры, измеряют в ней давление и в момент, когда давление во второй камере становится равным атмосферному, вычисляют толщину слоя жидкого шлака на поверхности металла, который учитывают в дальнейшем при определении уровня жидкого металла.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщину слоя жидкого шлака определяют по формуле

h=Н₀-Н(τ₀)=[ρ₀gH₀-P₁(τ₀)]/g(ρ-ρ₀),

где Н₀ - расстояние между торцевыми поверхностями верхней и нижней камер;

Н(τ₀) - высота слоя жидкого металла в момент времени τ₀, когда давление в верхней камере стало равным атмосферному;

ρ - плотность жидкого металла;

ρ₀ - плотность шлака;

g - ускорение силы тяжести;

P₁(τ₀) - давление в камере, погруженной на большую глубину в момент времени τ₀, когда давление в камере, погруженной на меньшую глубину, стало равным атмосферному.