Измерение уровня жидкого металла в кристаллизаторе МНЛЗ

Измерение уровня жидкого металла в кристаллизаторе МНЛЗ

Министерство образования Российской Федерации

Магнитогорский Государственный Технический Университет

им Г.И. Носова

Факультет Аи ВТ

Кафедра Промышленной Кибернетики и Систем Управления

Курсовая работа

По дисциплине: Технические измерения и приборы

На тему: Измерение уровня жидкого металла в

кристаллизаторе МНЛЗ

Выполнил студент группы АМ-00-1:

Серебренников Д.Г.

Проверил: Сергеев

А.И.

Магнитогорск 2003

Содержание

Содержание 1

Введение 2

Способы измерения уровня жидкого металла в кристаллизаторе МНЛЗ 7

ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ С ПОМОЩЬЮ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ 7

Область применения 7

Измерение уровня металла в кристаллизаторе посредством измерительного

устройства, работающего на основе радиоактивности 10

Датчики инфракрасного излучения для определения уровня металла в

кристаллизаторе 14

Метод контроля уровня металла в кристаллизаторе основанный на

использовании вихревых токов, индуктируемых катушкой, размещенной над

зеркалом жидкого металла в кристаллизаторе. 16

Система уровень 23

Список литературы 34

Введение

Стабилизация уровня металла в кристаллизаторе является

важнейшей и наиболее сложной задачей автоматизации МНЛЗ.[1]

Рассмотрим параметры, оказывающие влияние на уровень металла в

кристаллизаторе.

На рис. 1 схематично показана часть технологической линии разливки металла

от промежуточного ковша до тянущей клети. Жидкий металл, находящийся в

промежуточном ковше, под действием силы тяжести вытекает через стакан в

ковше и попадает в кристаллизатор, где начинаются кристаллизация и

образование слитка.

Дальше металл с определенной скоростью вытягивается из

кристаллизатора, проходит зону вторичного охлаждения и входит в ролики

тянущей клети, которые обеспечивают его непрерывное движение по

технологической линии. Затвердевший слиток после тянущей клети разрезается

на заготовки заданной длины.

Основные особенности технологии разливки следующие.

[pic]

Рис.1. Технологическая схема разливки металла в кристаллизатор: ПК —

промежуточный ковш; К — кристаллизатор; ТК - тянущая клеть; Р — резак.

Технологический цикл имеет, как правило, постоянную длительность и

большую часть времени процесс является стационарным. Только дважды, в

начале разливки и в конце, имеет место нестационарный режим.

Переход от нестационарного режима к стационарному можно

охарактеризовать следующей системой равенств:

[pic](1)

где HT и HЗ соответственно текущий и заданный уровень металла в

промежуточном ковше; VT и V3 — скорости тянущей клети; hT и h3 — уровни

металла в кристаллизаторе. Считается, что на установке могут быть

обеспечены заданные значения HЗ, V3 и h3.

Четвертое равенство, характеризующее состояние теплового баланса, не

показано, поскольку, оно непринципиально для рассматриваемого случая.

Для подавляющего большинства МНЛЗ величины HЗ и h3 от разливки к

разливке изменяются незначительно. Скорость v3 колеблется в 10 раз и

более. Сечения кристаллизаторов также могут изменяться в больших

пределах от 100X100 мм до 250Х 1600 мм (от 0,01 м2 до 0,4 м2), т. е. в 40

раз.

Однако изменения скорости v3 разливки и сечений кристаллизаторов

характерны для разных типов МНЛЗ, а не конкретных, Для конкретной МНЛЗ эти

параметры почти неизменны или изменяются в более узких пределах, например,

скорость — в 2 раза, сечение — в 4 раза.

Можно также отметить тенденцию к сохранению постоянства

производительности МНЛЗ, т. е. сохраняется произведение

П = Vc • SK м3/мин,

где 1>с — скорость движения слитка; SK — сечение кристаллизатора.

При одинаковых объемах разливаемой стали это означает, что время

разливки, а следовательно, и расходные характеристики стопорных пар ковшей

не изменяются.

Кратко рассмотрим особенности применяемых стопорных пар промежуточных

ковшей. Как правило, стаканы имеют комбинированные внутренние стенки.

Верхняя часть стакана выполняется по форме коноидальной насадки, которая

позволяет избежать образования внутреннего сжатия струи, значительно

уменьшает сопротивление стакана, а также увеличивает расход.

[pic]

Рис. 2. Характеристика стопорной пары:

Qn , hС , h'c , h"c— координаты рабочей точки; Qn — значение расхода

при разливе стопорной пары и фиксированном положении стопора;

h 0, hQ — смещение координаты положения стопора при его закрытии.

Форма стопора в большинстве случаев определяется требованиями высокой

стойкости при дросселировании металла через стопорную пару.

Результирующая расходная характеристика является сложной кривой. На

ней можно выделить три основных участка (рис. 2).

Первый (нижний) характерен для случая сравнительно высокого

сопротивления стопорной пары. Струя жидкого металла неплотная, имеет малую

кинетическую энергию и тенденцию к периодическим движениям по стенкам

стакана.

Второй (средний) характеризует резкое увеличение расхода через

стопорную пару вследствие эффекта подсасывания стакана. Сопротивление

стопорной пары остается сравнительно высоким, кинетическая энергия струи

возрастает. Поэтому стопорная пара достаточно сильно подвержена

разрушающему действию жидкого металла.

Третий (верхний) характеризует выход стопора из зоны интенсивного

дросселирования. Сопротивление жидкому металлу уменьшается. Струя почти

полностью заполняет стакан, стопор не оказывает никакого сопротивления

потоку металла, и расход определяется только сечением стакана и

гидростатическим напором (кривая переходит в прямую линию).

Для определения расхода при полностью открытом стопоре

можно воспользоваться известной из гидравлики формулой

Qm =?Sc[pic]2gHT, (2)

Где Sc — сечение стакана;

g — ускорение свободного падения.

Величина уровня металла в промежуточном ковше HПК должна

отсчитываться от центра тяжести столба металла в стакане.

Как показывает опытная проверка, для спокойных марок стали в

нормальных условиях разливки ?=0,9[pic]

Общая протяженность расходной характеристики для стопорной пары

при наибольшей устойчивости размыву небольшая, около 15 мм. Из них на

наиболее крутую и линейную часть приходится а..-7 мм. Изменяя геометрию

и форму стопорной пары, можно расширить линейную часть, однако в

процессе разливки при недостаточной стойкости огнеупоров могут

произойти необратимые изменения конфигурации стопора и стакана и

соответственно существенные искажения всей формы расходной

характеристики.

Поэтому часто оказывается целесообразным выбрать такую

форму дросселирующей пары, при которой ее геометрические размеры в процессе

разливки не изменяются. В этом случае вид кривой расходной характеристики

также не изменяется, она только перемещается параллельно самой себе влево

вдоль оси hC (кривые 1, 2, 3).

Все сказанное относится прежде всего к стопору, поскольку в основном

он подвержен размыву струей металла. Положение усложняется, когда

значительно размывается стакан.

Одним из важных моментов перехода к стационарному режиму разливки

является правильный выбор положения рабочей точки на расходной

характеристике. Кроме того, для обеспечения нормального режима

дросселирования необходимо, чтобы это положение сохранялось фиксированным

от разливки « разливке.

Выполнение этих требований создает дополнительные трудности, а иногда,

при частом изменении заказов на слитки, оказывается чрезвычайно сложным.

Действительно, для того чтобы рабочая точка при достижений

стационарного режима находилась в заданном положении, необходимо:

1)строго соблюдать допуски на изготовление стаканов и стопоров;

2)сохранять постоянной производительность МНЛЗ при изменениях размеров

слитка, когда сечения стаканов остаются неизменными;

3)стабилизировать заданное значение уровня металла в промежуточном

ковше;

4)обеспечить постоянство вязкости стали в определенных пределах.

Одним из вариантов технологического режима является разливка

через стакан без дросселирования, так называемая разливка

с дозатором. В этом случае стопор выводится из зоны дросселирования и

расход определяется в соответствии с формулой (2).

Такой режим применяется при получении слитков малых сечений и

обеспечивает хорошую струю металла <из промежуточного ковша.

Соответствующим выбором материала огнеупора достигается высокая стойкость

стакана и отсутствие размыва. При такой разливке требования, перечисленные

в пунктах 1, 3, ,4, остаются в силе. Невыполнение одного из них приводит к

нарушению режима разливки и может крайне неблагоприятно сказаться на

качестве слитка.

Рассмотренные технологические особенности разливки стали имеют

большое значение для проектирования систем автоматизации МНЛЗ, в частности,

системы автоматического регулирована уровня металла в кристаллизаторе.

Одним из важных технологических требований является стабилизация уровня

металла в кристаллизаторе, качество которой необходимо оценивать в первую

очередь по амплитудному критерию.

Кроме того, с целью повышения надежности оборудовании необходимо

обеспечить медленные (низкочастотные) колебаний уровня, чтобы повысить

надежность оборудования. Поэтому лучшей является система, которая позволяет

получить минимальные по амплитуде и частоте изменения уровня.

Величина уровня металла в кристаллизаторе связана с поступлением

жидкой стали из промежуточного ковша (QП) и выходом слитка из

кристаллизатора (QK). Уровень металла в кристаллизаторе будет неизменным,

если в единицу времени будет поступать и выходить одинаковое количество

стали, т. е.

QП — QK = 0. (3)

Самые незначительные отклонения этой разности от нуля приведут к

неограниченному повышению или понижению уровня металла.

Величины QП и QK не зависят от уровня металла в кристаллизаторе,

поэтому рассматриваемый объект регулирования не обладает самовыравниванием.

На низких частотах он описывается дифференциальным уравнением первого

порядка. Решение уравнения показывает, что реакция на выходе (уровень

металла в кристаллизаторе) представляет собой интеграл от входной функции

(соотношения расходов металла QП и QK). Таким образом, объект является

интегрирующим и, следовательно, создает сдвиг по фазе между уходом и

выходом [pic].

Для выполнения (3) необходимо воздействовать на QП или QK, т. е.

изменить положение стопора или скорость вытягивания слитка. В небольших

пределах изменение может быть достигнуто за счет повышения или понижения

уровня металла в промежуточном ковше.

Анализ возмущающих воздействий показывает, что в стационарном

режиме разливки нет интенсивных возмущений.

Незначительные изменения QK вызываются возмущениями по нагрузке на

тянущую клеть, при которых скорость вытягивания слитка может изменяться не

более чем на 5%.

Изменения QK могут быть вызваны колебаниями уровня металла в

промежуточном ковше, а также размывом стопора. Оба возмущения являются

низкочастотными, т. е. медленно изменяют значение QK, при этом величина

влияния на условия разливки первого незначительна.

Таким образом, основной задачей является обеспечение высокой

устойчивости в системе автоматического регулирования уровня путем

применения соответствующих регуляторов.

С этой точки зрения системы автоматического регулирования со стопором

или тянущей клетью имеют несколько разные возможности.

Выше отмечалось, что при размыве стопора расходная характеристика

смещается. Изменения расхода, связанные с этим смещением, могут быть весьма

большими.

При использовании пропорционального регулятора из-за существенной

нелинейности расходной характеристики, а также интегрирующих свойств

объекта для получения достаточного запаса устойчивости приходится снижать

коэффициент усиления. Это в свою очередь приводит к значительному

увеличению статической ошибки.

Для уменьшения статической ошибки необходимо ввести коррекцию по

интегралу. Однако при этом снижается запас устойчивости и в системе

возникают колебания. Таким образом, значительное смещение расходной

характеристики — явление весьма нежелательное, однако избежать его в

системе со стопором практически невозможно.

В системе регулирования уровня металла стопором имеются и другие

трудности. Это высокий коэффициент регулирующего органа (стопорной пары) и

значительные его изменения при изменении положения рабочей точки на

расходной характеристике. Первое, как известно, в системах регулирования

нежелательно, так как требует высокой точности работы регулирующего

прибора, исполнительного механизма и регулирующего органа. Кроме того; не

допускаются запаздывание, гистерезис, зона нечувствительности.

Практически это означает необходимость выполнения достаточно высоких

требований для элементов системы, что, естественно, удорожает их

изготовление и эксплуатацию. Если добавить к этому, что исполнительный

механизм и регулирующий орган (стопорный механизм) работают в условиях

резкого перепада температур, то станут ясными технические трудности

выполнения системы.

Не менее существенным в этих условиях является стабильность общего

коэффициента усиления в системе, величина которого зависит от положения

рабочей точки на расходной характеристике. Изменение ее положения может

привести к резкому ухудшению процесса регулирования. Поэтому во время

разливки недопустимо понижение уровня в промежуточном ковше ниже

определенного значения, а также повышение скорости разливки выше рабочей

для данного сечения слитка.

В системе с тянущей клетью можно получить более высокий запас

устойчивости, что объясняется следующим: во-первых, характеристики в

системе являются линейными в широком диапазоне величин сигналов, что

позволяет увеличить коэффициент усиления пропорциональной части регулятора;

во-вторых, вследствие высокой стойкости стакана изменения расхода

незначительны, и, следовательно, статическая ошибка ограничена. Введение

интеграла в закон регулирования ухудшает запас устойчивости системы

несущественно.

Рассмотрим еще один момент, важность и влияние которого одинаковы для

систем регулирования со стопором и тянущей клетью, а именно, работу систем

при изменении сечений разливаемых слитков, т. е. при изменении поперечных

размеров кристаллизаторов. Частота такой смены может быть различной

(несколько раз в день, один раз в неделю, месяц, год).

Интерес представляет прежде всего частая смена сечений, так как это

наиболее сложный и общий случай. Уже отмечалось, что для МНЛЗ одного типа

площади сечения слитков могут изменяться, примерно в 4 раза. Дальнейшее

расширение диапазона сечений - нецелесообразно по технологическим и

конструктивным соображениям, поэтому названную величину можно считать

предельной,

Известно, что чувствительность объекта к возмущению обратно

пропорциональна площади поперечного сечения резервуара, т. е. коэффициенту

емкости. Чем больше площадь сечения, тем больше коэффициент емкости и тем

меньше чувствительность объекта к возмущению. Это означает, что коэффициент

усиления в системе автоматического регулирования также изменяется в 4 раза.

В связи с этим могут быть применены различные способы, стабилизирующие

работу систем, однако наиболее простым является улучшение фазовых

характеристик систем регулирования и повышение общего коэффициента усиления

без изменения запаса устойчивости.

Если такая настройка будет выполнена для самого высокого коэффициента

усиления в системе, то снижение его в 4 раза только увеличит запас

устойчивости. При этом качество регулирования останется достаточно высоким,

так как одновременно с понижением коэффициента усиления чувствительность

уровня к возмущениям уменьшается.

Хорошие результаты можно получить, используя другие варианты

компромиссной настройки, а также ступенчатое изменение коэффициента

усиления при переходе от одного диапазона сечения к другому.

Применение системы автоматического регулирования уровня металла в

кристаллизаторе при получении слитков малых сечений не встречает особых

трудностей.

Увеличение коэффициента усиления в системе, связанное с уменьшением

сечения кристаллизатора, может быть скомпенсировано. В системе со стопором

частичная компенсация происходит в связи с уменьшением диаметра стакана,

так как для малых сечений производительность машин МНЛЗ все-таки снижается.

Расходная характеристика становится более пологой.

При стабилизации уровня с помощью тянущей клети снижение коэффициента

усиления может быть достигнуто за счет регулирующего органа.

В обоих случаях выбор требуемого коэффициента усиления можно

осуществить с помощью регулирующего прибора. Тем не менее хорошее качество

регулирования уровня может быть достигнуто только за счет улучшения фазовых

характеристик, поэтому целесообразно применение корректирующих цепей.

В статье рассмотрены в основном все особенности систем автоматического

регулирования металла в кристаллизаторе, вытекающие из технологических

режимов работы МНЛЗ, применяемых в настоящее время.

Выводы из вышеизложенного могут быть следующие.

1)В силу широкого диапазона технологических режимов работы МНЛЗ, а

также конструктивных решений оборудования в настоящее время применяются

системы автоматического регулирования с использованием стопора и тянущей

клети. Это необходимо учитывать при проектировании систем.

2)Системы автоматического регулирования должны предусматривать

особенности технологических режимов и конструкцию оборудования и обладать

необходимой для этой цели универсальностью.

3)Анализ особенностей в системах регулирования со стопором и тянущей

клетью показывает, что правильным и возможным для реализации

универсальности является применение вариантных решений проектирования с

использованием типовой аппаратуры.

Способы измерения уровня жидкого металла в кристаллизаторе МНЛЗ

В последнее время разработаны новые методы непрерывной разливки стали,

в соответствии с которыми разливаемый металл до образования наружной корки

не подвергается воздействию окружающей атмосферы. Предложены две

технологические схемы разливки: под некоторым избыточным давлением

нейтрального газа и с вакуумированием металла непосредственно в потоке.[2]

При разливке под давлением в среде защитного газа исключается

возможность интенсивного окисления металла кислородом окружающей атмосферы;

при разливке под разрежением, кроме того, удается выделить и удалить из

разливаемого металла нежелательные газовые компоненты»

Однако осуществление предложенных схем в связи с необходимостью

тщательной герметизации всего тракта разливки требует усложнения

конструкции машин и полной автоматизации системы управления, поскольку в

этом случае ручное управление практически исключается.

В условиях избыточного давления нейтрального газа между промежуточной

емкостью и кристаллизатором важное значение приобретает стабилизация уровня

жидкого металла в кристаллизаторе.

ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ С ПОМОЩЬЮ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ

Область применения

Измерение уровня при помощи радиоактивных изотопов целесообразно прежде

всего там, где вследствие наличия специфических условий, а именно: высокого

давления, разреженности, агрессивности среды — нельзя использовать обычные

приборы.[2] Этот способ используют для измерения уровня заполнения

резервуаров, силосных башен и бункеров, где нельзя установить измерительные

щупы или необходимо применение дорогостоящей системы измерительных щупов,

вызванное конструктивными особенностями. Но и в тех случаях, когда правила

техники безопасности запрещают установку уровнемеров в резервуарах или

когда установка обычных приборов потребовала бы больших затрат, для

измерений часто выгодно оказывается использовать радиоактивные изотопы.

Особенно целесообразно применять радиоактивные изотопы для измерений уровня

агрессивных материалов, веществ с повышенной адгезионной способностью, в

резервуарах с очень высокими температурами, в резервуарах со встроенными

мешалками, в бункерах с такими крупнокусковыми материалами, как уголь или

руда, в шахтных печах, в литейном производстве и на металлургических

заводах.

Физические основы

В основе измерения при помощи искусственных радиоактивных изотопов лежит

принцип поглощения радиоактивного излучения соответствующим материалом,

содержащимся в резервуаре. Пучок ?-лучей, излучаемый радиоактивным

источником, проникает через резервуар по прямой линии (рис. 3). На стенке

резервуара, лежащей против излучателя, расположен приемник, преобразующий

принятые лучи в электрические импульсы. Вследствие поглощения радиоактивных

лучей материалом внутри резервуара интенсивность принятого излучения

зависит от высоты уровня.

[pic]

Рис. 3. Схема радиоактивного сигнализатора уровня:

1 - излучатель; 2 - приемник

Возникающие на выходе приемника импульсы, частота которых пропорциональна

интенсивности излучения, подводятся к переключающему устройству, реле

которого срабатывает, как только число импульсов в единицу времени

достигнет минимальной величины. Ввиду того что в большинстве случаев

измеряют толстые слои материала, используют преимущественно ? -лучи.

Большое влияние на процесс измерения оказывают стенки резервуара,

обладающие иногда значительной толщиной. Исходную интенсивность

проникающего через заполненный резервуар излучения рассчитывают следующим

образом:

[pic]

При пустом резервуаре она равна [pic]. Таким образом, отношение величин

интенсивности

[pic]

где dw, — толщина стенки резервуара; pi — плотность содержимого; di —

внутренний диаметр резервуара; ? — массовый коэффициент поглощения; рw —

плотность материала стенки.

Такое же выражение имело бы место и для теоретического случая, когда стенки

отсутствуют, т. е. толщина и плотность стенки не оказывают влияния на

ослабление. Однако необходимо учитывать, что при наличии металлических

стенок большой толщины происходит рассеяние, оказывающее заметное влияние

на направление и интенсивность излучения. В принципе для толстых стенок

необходимо использование радиоактивного препарата более высокой энергии.

Для того чтобы практически иметь дело по возможности со слабыми препаратами

и, следовательно, с минимальной радиационной защитой, расстояние между

излучателем и приемником должно быть минимальным. В доменных печах,

вагранках, шахтных известковообжигательных печах, например, этого можно

достичь благодаря уменьшению толщины стенки в местах установки излучателя и

приемника путем применения трубок, заделанных с переднего конца. Кроме

того, можно приобрести также излучатели с двойной защитной оболочкой. Такая

оболочка, состоящая обычно из высококачественной стали, предотвращает

рассеяние радиоактивного материала и тем самым загрязнение окружающей среды

радиоактивными веществами.

Ослабление мощности излучения радиоактивного излучателя вследствие

поглощения воздухом происходит по квадратичному закону. Степень поглощения

радиоактивного излучения твердыми и жидкими материалами зависит в первую

очередь от их плотности.

Измерение уровня

При ступенчатом измерении уровня посредством радиоактивных изотопов можно

использовать различные варианты размещения излучателей (рис.4). Существует

возможность сигнализации предельного уровня или измерения ступенями с

большей или меньшей дискретностью. В показанном на рис. 4, а варианте

расположения использован один изотоп, испускающий два пучка лучей.

Расположенные на пути прохождения лучей счетчики радиоактивного излучения

соединены параллельно. Как видно из графика,

[pic]

Рис.4. Наиболее распространенные варианта расположения излучателей

превышение пределов hmax и hmin вызывает резкое изменение частоты

повторения импульсов, которое можно использовать для включения реле. Почти

непрерывная индикация уровня достигается путем размещения друг над другом

нескольких излучателей, как показано на рис. 10, г. В этом случае

представляется возможным измерять уровень до высоты, равной утроенному

диаметру резервуара.

На диаграмме показано, что индикация носит приблизительно непрерывный

характер. Бесступенчатой графической характеристики можно достичь, если

применить стержневидный препарат проф. Бергольда. Ввиду того что мощность

препарата на концах стержня усилена, превышение минимального и

максимального уровня заполнения (рис. 10, г) выявляется особенно

четко. Целесообразно в этом случае применять реле. При помощи такого метода

можно производить измерение высоты до 3 м. Вариант непрерывного измерения

показан на рис. 10, б, Здесь счетчики радиоактивных излучений устанавливают

вертикально. Благодаря расположению в ряд параллельно включенных счетчиков

диапазон измерения можно увеличить приблизительно до 1,2 м. Другим

решением, также пригодным для измерения высоких уровней, является метод

измерения со следящим управлением (рис. 10, д),

Выводы

Измерение уровня при помощи радиоактивных изотопов обладает тем

преимуществом, что этот метод является бесконтактным. Посредством этого

метода можно измерять уровень заполнения резервуара даже в исключительно

сложных условиях. Таким образом, обеспечивается высокая эксплуатационная

надежность установки, ее износ и ремонтные работы невелики, что приводит к

снижению расходов. Точность измерения около 2 %. При непрерывных измерениях

следует принимать во внимание период полураспада используемого

радиоактивного изотопа.

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.

Измерение уровня металла в кристаллизаторе посредством измерительного

устройства, работающего на основе радиоактивности

В большинстве случаев фактический уровень металла в кристаллизаторе

определяют посредством измерительного устройства, работающего на основе

радиоактивности. Другие измерительные устройства, например, термоэлементы,

устанавливаемые в стенке кристаллизатора, не нашли широкого применения из-

за присущих им недостатков.[2]

Радиоактивное измерительное устройство состоит из стержневидного

препарата кобальта 60, сцинтилляционного счетчика и специального усилителя.

Источники радиоактивного излучения и счетчики размещают на кристаллизаторе

таким образом, чтобы через участок, на котором в процессе разливки стали

должен установиться ее уровень, могли проходить и улавливаться счетчиком

радиоактивные изотопы, поступающие от источника их излучения (рис.5).

[pic]

Рис.5. Система непрерывного измерения уровня металла в кристаллизаторе

и принцип "шлакового барьера":

1 - промежуточный ковш; 2 - стопор; 3 - наивысший уровень стали; 4 -

минимальный уровень стали в кристаллизаторе; 5 - участок измерения; б -

источник радиоактивного излучения - кобальт 60; 7 - сцинтилляционный

счетчик; 8 - стержне видный источник радиоактивного излучения (кобальт 60)

для непрерывного измерения уровня металла в кристаллизаторе; 9 - точечный

источник радиоактивно излучения (кобальт 60) для измерения предельных

величин (здесь "шлаковый барьер"); 10 - кристаллизатор для литья слябов;

(вид сверху); S- подъем кристаллизатора; U- напряжение

Толщина и плотность просвечиваемого материала определяют степень

поглощения радиоактивного излучения и, следовательно, число изотопов,

улавливаемых счетчиком. При повышении или понижении уровня стали на участке

измерения его высоты в кристаллизаторе происходит большее или меньшее

перекрытие радиоактивного излучения и вместе с тем изменение числа гамма-

квантов, улавливаемых счетчиком. Следовательно, количество попадающих на

счетчик гамма-квантов служит мерой высоты уровня жидкой стали в

кристаллизаторе.

Гамма-кванты, достигающие счетчика, вызывают световые вспышки во

вмонтированном кристалле йодистого натрия, частота которых пропорциональна

интенсивности проходящего радиоактивного излучения. Вместе с кристаллом

находится оптически подрегулированный фотоэлектронный умножитель, в

светочувствительной части которого световые вспышки вызывают образование

вторичных электронов. Затем в результате работы специальных умножителей,

усилителей и преобразователей полного сопротивления получаются

соответствующие импульса.

Эти импульсы, стандартизованные, прообразованные и усиленные в

счетчике, по специальному кабелю передаются в главней усилитель, которой

преобразует их в постоянное напряжение или силу тока, пропорциональные

высоте уровня металла в кристаллизаторе.

Так как каждый радиоактивный процесс подвержен статическим колебаниям,

полученную таким образом измеренную величину нельзя использовать без

дальнейшей, обработки. Эту обработку выполняют специальные фильтры.

При проектировании таких измерительных устройств необходимо учитывать

два противоположных требования.

Мощность источника излучения при порожнем кристаллизаторе должна

обеспечивать около 4000-6000 импульсов в секунду, так как при этом

наблюдаются меньшие статические колебания.

Мощность источника излучения должна быть такой малой, чтобы по

возможности не создавалась или создавалась весьма небольшая контролируемая

зона; при этом прежде всего учитывают опасность для здоровья обслуживающего

персонала.

Оба эти требования учитываются при компромиссном решении,

заключающемся в выборе мощностей источников радиоактивного излучения,

обеспечивающих около 3000 импульсов в секунду для машин непрерывного литья

заготовок квадратного сечения и около 1500 импульсов в секунду для слябовых

МНЛЗ.

Измерительное устройство, должно достигать этих мощностей излучения

после половины продолжительности периода полураспада кобальта 60 при

порожнем кристаллизаторе (период полураспада кобальта 60 составляет 5,3

года). Далее необходимо следить за тем, чтобы источник радиоактивного

излучения был размещен на кристаллизаторе или внутри него так, чтобы при

установленной в процессе эксплуатации заданной высоте уровня металла в

кристаллизаторе еще проходило бы около 60% импульсов, чтобы получалась

достаточно большая пороговая доза на обеих сторонах. Небольшие нарушения

пропорциональности в ходе кривой замеряемой на участке измерения величины

могут быть линеаризованы с помощью корректора. Если источник и приемник

радиоактивного излучения закрепить на кристаллизаторе или внутри него таким

образом, чтобы это измерительное устройство совершало колебательное

движение вместе с кристаллизатором, то качание кристаллизатора модулирует

фактическое значение высоты уровня жидкого металла. Эта модуляция,

рассматриваемая как нежелательная помеха, компенсируется с помощью

соответствующего устройства. Необходимость компенсации отпадает в том

случае, если высота или частота подъемов кристаллизатора во время

измерения соответствуют требуемой точности регулирования уровня металла, в

нем.

Для повышения безопасности или для распознавания "конца процесса разливки

стали" в кристаллизаторах дополнительно предусматривается так называемый

"шлаковый барьер". Он состоит из точечного источника радиоактивного

излучения и дополнительного сцинтилляционного счетчика. Это измерительное

устройство определяет уровни воздуха, шлака и стали на основе их различной

плотности.

Это измерительное устройство сигнализирует о данных уровнях, и эти

сигналы используются для управления машиной непрерывного литья заготовок.

Данные о фактическом уровне металла в кристаллизаторе,

получаемые от радиоактивного измерительного устройства, через корректор

характеристик поступают в компенсационный усилитель. На втором входе

компенсационного усилителя имеется напряжение, модулируемое движением

подъема кристаллизатора. Подключенный активный фильтр продолжает обработку

компенсированного, но, все-таки еще измененного статистическим колебанием

фактического значения уровня металла в кристаллизаторе. После этого сигнал,

фактического значения достигает смесительного входа регулятора уровня без

выдержки времени и определяет разность между фактическим и заданным

уровнями металла в кристаллизаторе.

Сигнал для регулирования скорости вытягивания заготовки снимается на

выходе регулятора уровня и через регулируемые ограничительные устройства

подводится к регулятору скорости вращения органов, регулирующих скорость

вытягивания заготовки. Сигнал отклонения регулируемой величины h (то

есть регулируемого уровня металла в кристаллизаторе - прим. переводчика)

поступает в согласующий усилитель. Этот нелинейный усилитель, находящийся

в замкнутом контуре регулирования стопора, работает как функциональное

моделирующее устройство. Коэффициент пропорционального усиления этого

согласующего усилителя, при отклонениях, регулируемой величины менее +-15%

составляет 0,2, а при отклонениях регулируемой величины более +15%

составляет I. Этим достигается то, что замкнутый контур регулирования

стопора в интервале нормальных отклонений остается стабильным, однако

большие отклонения при достаточно большом усилении могут быть быстро

отрегулированы. Сигнал отклонения регулируемой величины, имеющийся в

распоряжении на выходе согласующего усилителя, поступает в пропорционально-

интегральной регулятор с раздельными интегральным и пропорциональным

каналами. Интегральный канал построен как двухдекадный счетчик, задача

которого заключается в регулировании отклонения уровня металла в

кристаллизаторе до нуля. Интегральный канал состоит из устройства,

моделирующего величину (Betragsbildner) преобразователя напряжения в

частоту, двухдекадного счетчика прямого и обратного счета и подключенного

цифро-аналогового преобразователя.

При начале, процесса литья параллельный пропорциональный канал

отключается. При заполнении кристаллизатора сталью оператор вручную

устанавливает рабочую точку регулятора. Во избежание скачкообразного

перехода при переключении на "автоматику" система регулирования

устанавливается на фактическое значение в выключенном состоянии. Как только

ypoвень металла в кристаллизаторе достигает участка измерения,

пропорциональней регулятор, включаемой устройством, регистрирующим

предельные значения, берет на себя регулирование уровня металла в

кристаллизаторе. При этом предполагается, что в момент процесса

переключения на автоматическое регулирование стопор находится в положении

эффективного регулирования.

Исходная величина интегрального канала впоследствии суммируется с

исходной величиной пропорционального канала, и обе величины поступают в

конечной усилитель и вместе с тем на cepвoпривод для установки стопора.

Рассмотренная выше система обеспечивает небольшие пропорциональные

усиления при одновременно больших продолжительностях переналадок.

Эту систему регулирования в соответствии с требованиями дополняют

логические соединительное и управляющие устройства, чтобы отдавать команды

и обеспечивать соответствующие переключения внешних устройств.

Кроме того, дополнительно могут выдаваться отличительные сигналы или

вводиться корректирующие сигналы. Форма и вид этих сигналов должны

соответствовать требованиям машины непрерывного литья заготовок и данной

системе регулирования

В условиях повышения требований к качеству непрерывного слитка

особое значение приобретает измерение и поддержание уровня жидкого металла

в кристаллизаторе МНЛЗ. Попытки использовать здесь самые разнообразные

метода измерений привели к преимущественному распространению метода с

применением радиоактивных источников, излучение которых используется для

просвечивания кристаллизатора с жидким металлом. За рубежом аппаратура

такого типа разработана и широко тиражируется фирмами "Bertgold"

("Бертгольд"), ФРГ, "Brown Boverl" ("Браун Бовери"), Швейцария, и

используются при изготовлении оборудования ШЛЗ машиностроительными фирмами

"Demag" ("Демаг"), ФРГ "Mannesmarm" ("Маннесман"), ФРГ и ДР.

В системе измерения уровня металла в кристаллизаторе фирмы "Бертгольд"

в качестве источника радиоактивного излучения мощностью 10 МэВ используется

изотоп Со-60. Источник выполняется в виде проволочной спирали» покрытой для

защиты от химически агрессивных сред благородным металлом. Для компенсации

нелинейности измерения уровня жидкого металла, обусловленной изменениями

толщин просвечивания по мере подъема уровня, изменяют шаг намотки спирали,

мощность источника рассчитывается и выбирается в каждом конкретном случае в

зависимости от геометрических размеров кристаллизатора и расстояния между

источником и приемником излучения. Источник размещается в свинцовом

контейнере и поток излучения коллимируется поворотным коллиматором. В

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.

Страницы: 1, 2