автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка вихретоковых средств контроля уровня жидкого металла в гильзовом кристаллизаторе при непрерывной разливке стали

На правах рукописи

□03450014

ТЕРЕХИН ИВАН ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ВИХРЕТОКОВЫХ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В ГИЛЬЗОВОМ КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ ПРИ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКЕ СТАЛИ

Специальность 05 11 13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 ПИТ 2008

Москва, 2008 г

003450014

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (МЭИ)

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор

Покровский А Д

Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор

Шатерников В Е

Кандидат технических наук, вне Петушков С М

Ведущая организация ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр»

Защита состоится 28 октября 2008 г в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212 11901 при Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу 107076, г Москва, ул Стромынка, д 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета приборостроения и информатики (МГУПИ)

Автореферат разослан 23 се.«/г?я2ря_2008 г

Ученый секретарь

Диссертационного совета, (

д т н, профессор Филинов В В

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Более 90% стали в мире производится непрерывным способом с помощью кристаллизаторов Основным узлом кристаллизатора является медная гильза, представляющая собой вытянутый открытый с двух сторон сосуд, как правило, прямоугольного или квадратного сечения Жидкая сталь непрерывно поступает в гильзу, охлаждаемую водой, где металл кристаллизуется Сформировавшийся сшггок вытягивают из кристаллизатора

Для повышения качества заготовки и снижения вероятности прорыва жидким металлом твердой корочки заготовки на выходе из кристаллизатора уровень жидкого металла в гильзе необходимо поддерживать постоянным с погрешностью не хуж5 — 5 *»!*»' Вместе с тем прпбер контроля урсзия от сити не является метрологическим прибором, подлежащим аттестации

Для малогабаритных (сортовых) кристаллизаторов сечением до 200 х 200 мм2 в настоящее время в качестве прибора измерения уровня используется радиоизотопный преобразователь, устанавливаемый внутри корпуса кристаллизатора Основные недостатки радиоизотопного прибора контроля уровня - потенциальная опасность, неэкологичность и трудности утилизации Существует ряд жестких требований по монтажу и эксплуатации радиоизотопных источников Дополнительный существенный недостаток радиоизотопного прибора состоит в чувствительности к шлаку, периодически добавляемому в гильзу кристаллизатора

Общая технико-экономическая задача состоит в замене радиоизотопного типа прибора в сортовом кристаллизаторе на другой - экологичный, с подобными техническими характеристиками и сопоставимой ценой на рынке

В крупногабаритных (слябовых) кристаллизаторах с большим проходным сечением радиоизотопные преобразователи были вытеснены вихретоковыми благодаря их более высокой точности, меньшей стоимости и экологичности В слябовых кристаллизаторах вихретоковый преобразователь располагается непосредственно над зеркалом металла В сортовых кристаллизаторах преобразователь может быть расположен только сбоку от гильзы

Состояние исследуемой области. Последние три десятилетия делались попытки создания для сортового кристаллизатора накладного вихретокозого преобразователя (ВПТ) взамен радиоизотопного, о чем свидетельствуют патентные и рекламные источники информации Однако до настоящего времени вихретоковый прибор для контроля уровня стали не создан в виде рыночного продукта при очень высокой потребности в таком приборе

Причина состоит в технической сложности реализации встроенного в кристаллизатор ВТП Требуется высокий уровень научно-прикладных исследований соответствующих ВТП и надлежащий уровень производительности и быстродействия средств сбора и обработки

информации в режиме реального времени Эти научные и технические предпосылки разработки ВТП для контроля уровня сейчас созданы

На настоящий момент отсутствуют опубликованные печатные научные работы, направленные на создание и научно-прикладной анализ ВТП для сортового кристаллизатора Отсутствуют и диссертационные работы в данном направлении

Проблематика создания встроенного ВТП для контроля уровня стали в сортовом кристаллизаторе состоит в том, что положение уровня необходимо фиксировать за электропроводной медной стенкой При разливке стали сигнал от реального изменения температуры медной стенки гильзы на 1-2 порядка превышает сигнал, обусловленный изменением уровня стали Причем первый сигнал имеет значительную постоянную времени, а второй -нет

Контроль уровня с помощью ВТП приходится проводить в условиях сильного электромагнитного поля, создаваемого устройствами электромагнитного перемешивания стали В спектре помехи от электромагнитного перемешивателя присутствует частота питания ВТП Уровень индукции возбуждения ЭМП в зоне контроля ВТП исходно более чем на порядок превышает уровень индукции возбуждения ВТП

Исследования динамики теплового поля в гильзе, а также электромагнитного поля перемешивателя применительно к их влиянию на сигналы ВТП до настоящего исследования не проводились

Область науки и техники, к которой относится работа: приборы неразрушающего контроля основанные на вихретоковом методе, и касаются области накладных вихретоковых преобразователей, в частности, для черной металлургии

Целью работы является разработка и исследование вихретоковых средств, повышающих эффективность контроля уровня металла в гильзовых кристаллизаторах при непрерывной разливке стали

Объектом исследования настоящей работы является преобразователь, реагирующий на положение границы раздела электропроводной и неэлектропроводной сред, причем ВТП расположен по отношению к этим средам за неравномерно нагретым медным экраном толщиной 10 - 15 мм в непосредственной близости от мощного электромагнитного технологического устройства перемешивания стали Проектируемый ВТП может быть кратко охарактеризован как ВТП, встроенный в кристаллизатор снаружи от боковой поверхности гильзы

Задачи исследования.

1 Исследование конструктивных схем ВТП с целью выбора измерительного преобразователя, обеспечивающего проведение контрочя без

предварительной калибровки и исследование его характеристик в лабораторных и промышленных условиях разливки стали

2 Исследование основных источников погрешности вихретокового прибора контроля уровня металла и разработка способов снижения их влияния

3 Разработка рекомендаций для проектирования вихретоковых преобразователей и метода контроля уровня металла в гильзовых кристаллизаторах при непрерывной разливке стали

Научная новизна:

1 Решена задача вихретокового контроля уровня металла в гильзовых кристаллизаторах при непрерывной разливке стали, предложен матричный наклатгной ВТТТ для контроля уровня стали разработана его математическая модель, учитывающая специфичные условия эксплуатащш ВТП,

2 Исследованы основные характерные источники погрешности ВТП в гильзовом кристаллизаторе нестационарное температурное поле в гильзе, помехи от устройств электромагнитного перемешивания стали Предложен и исследован комплекс мер по снижению влияния электромагнитных помех в матричном ВТП,

3 Создан алгоритм обработки сигналов матричных ВТП для гильзовых кристаллизаторов, существенно снижающий динамическую погрешность вихретокового прибора контроля уровня металла,

4 Получены новые ценные для проектирования результаты анализа характеристик предложенных вариантов конструкций ВТП величины составляющих выходных сигналов, их зависимость от частоты возбуждения, параметров кристаллизатора и уровня жидкого металла

Методы исследования. Использованные в настоящей работе методы включают разделы вихретокового контроля, математического моделирования, цифровой фильтрации сигналов Решение задач выполнено с применением современной вычислительной техники В качестве программных средств для моделирования теплового и электромагнитного полей использовалась программная среда ANSYS 8 1В экспериментальных исследованиях использовалась специализированная среда визуального программирования LabView Экспериментальные исследования проведены на современном оборудовании, а также на специально созданных образцах

Практическая ценность: показана возможность реализации вихретокового контроля уровня металла в гильзовом кристаллизаторе, предложены конструкции встроенных ВТП, получены их характеристики, определены параметры задач проектирования

Достоверность результатов работы подтверждена моделированием, сопоставлением с публикациями в научных изданиях, проверкой с использованием макетов и имитаторов Часть результатов работы опирается

на промышленный эксперимент в реальном технологическом процессе разливки стали

Апробация работы. Результаты работы апробировались в виде доклада на Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов МЭИ «Радиотехника, электротехника и энергетика» и научных семинарах кафедры Электротехники и интроскопии МЭИ и НПО «Техноап»

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографии из 102 наименований, приложения и изложена на 174 страницах машинописного текста, иллюстрируется 110 рисунками и 1 таблицей

Основные положения, выносимые на защиту:

1 Обоснованный выбор матричного вихретокового преобразователя для контроля уровня стали в сортовом кристаллизаторе,

2 Методы и средства исследования характеристик матричного ВТП математическая модель матричного ВТП, учитывающая распределение температуры в объеме гильзы кристаллизатора, и образцы-имитаторы для лабораторного моделирования системы «кристаллизатор - ВТП», а также математическая модель для исследования тепловых процессов при изменении уровня металла,

3 Результаты теоретических, лабораторных и промышленных исследований характеристик матричного ВТП и объекта контроля оценки помех от устройств электромагнитного перемешивания, оценка динамики тепловых процессов в гильзе кристаллизатора,

4 Способы уменьшения влияния на выходной сигнал матричного ВТП внешнего электромагнитного поля, создаваемого устройствами электромагшггного перемешивания на частоте возбуждения ВТП,

5 Алгоритм обработки выходного сигнала матричного ВТП для контроля уровня металла,

6 Инженерные рекомендации по проектированию матричных ВТП для контроля уровня металла в сортовых кристаллизаторах

Содержание диссертации

Во введении раскрыто существо проблематики задачи определения уровня стали в сортовом кристаллизаторе, показана актуальность исследования и создания вихретокового прибора измерения уровня для сортового кристаллизатора, сформулирована цель исследований

В первой главе рассмотрена область применения создаваемого вихретокового прибора Раскрыто значение точного поддержания уровня

стали в кристаллизаторе для обеспечения высокого качества непрерывнолитой заготовки Дано сравнение нескольких методов определения уровня металла радиоизотопного, ультразвукового, радиоволнового, теплового, электромагнитного Показано, что ВТП с характеристиками, подобными радиоизотопному по точности и быстродействию и устанавливаемый в кристаллизаторе подобно радиоизотопному преобразователю, будет обладать следующими техническими преимуществами

- упрощение монтажа и эксплуатации за счег устранения процедур обеспечения безопасности и утилизации,

- исключение чувствительности к слою шлака,

- абсолютная безопасность для персонала

В настоящее время в мире имеет место около 1000 сортовых машин непрерывной разливки со средним количеством кристаллизаторов на одной машине, равным 5 При этом на одной сортовой машине используются кристаллизаторы, как правило, двух типоразмеров При стоимости комплекта оборудования, сопоставимой со стоимостью радиоизотопной системы (около 20000 евро) вихретоковый прибор может стать выгодным коммерческим продуктом

Также в первой главе приведен обзор ранее проведенных исследований, направленных на создание ВТП для сортового кристаллизатора Отмечен большой вклад в развитие вихретокового контроля внесли отечественные ученые В В Клюев, А Л Дорофеев, В Г Герасимов, В Е Шатерников, В В Сухоруков, В Ф Мужицкий В то же время найденные публикации и патенты по тематике измерения уровня вихретоковым в сортовом кристаллизаторе не принесли каких-либо новых идей или интересных конструкторских решений Отсутствие удачных реализаций ВТП отчасти связано с недостаточным в XX веке развитием аппаратуры и методов сбора и обработки информации в реальном режиме времени

На сегодняшний день достигнут высокий уровень научно-прикладных исследований ВТП, а также надлежащи! уровень средств многоразрядного аналогово-цифрового преобразования и быстродействующих микропроцессорных средств вычисления Эти объективные научно-технические предпосылки позволили приступить к научному анализу относительно сложного ВТП, предназначенного для контроля уровня в сортовых кристаллизаторах

ВТП может располагаться только сбоку относительно гильзы кристаллизатора, как показано на рис 1 Гильза кристаллизатора 1 закреплена с зазором внутри рубашки 2, выполненной из немагнитной нержавеющей стали, на которой крепится непосредственно ВТП 3 Длина ВТП примерно равна диапазону измерения радиоизотопного преобразователя, состоящего из источника излучения 4 и приемника 5, расположенных на разных сторонах гильзы Вблизи ВГП находятся электромагнитные перемешиватели верхний и нижний Конструктивно

каждый перемешиватель представляет собой статор асинхронной электрической машины

При разливке

температура гильзы сильно изменяется, что вызывает изменение выходного

сигнала ВТП, более чем на порядок превышающее сигнал от уровня стали Распределение температуры по высоте стенки гильзы имеет характерную форму Положение функции

распределения температуры зависит от уровня стали Поэтому возможны два варианта контроля уровня вихретоковым преобразователем прямой, когда измеряется

непосредственно сигнал от вихревых токов в стали, и косвенный, когда измерения основываются на измерении электрической проводимости стенки

гильзы

«Тепловая» составляющая вносимого сигнала ВТП значительно превосходит составляющую сигнала от наличия стали стали, но переходные тепловые процессы в гильзе достаточно инерционны, что негативно сказывается на работе системы стабилизации уровня

Значительную помеху представляют собой электромагнитные перемешиватели стали, создающие вращающиеся электромагнитные поля Частота основной гармоники поля перемешивателя около 5 Гц, однако в спектре поля содержатся составляющие до 2 кГц, включая и частоту питания ВТП, что затрудняет измерения вихретоковым способом

В литературе отсутствуют данные об уровне и конфигурации поля от перемешивателей и о характере переходных тепловых процессов в гильзе

Новизна постановки цели настоящей работы и отсутствие научных работ по теме диссертации требуют дополнительных научных исследований ВТП совместно со специфичным объектом контроля Наличие и взаимосвязь теплового и электромагнитного полей, слабо изучены применительно к

Рис 1 - Расположение ВТП в кристаллизаторе 1- гильза, 2- рубашка, 3 - ВТП, 4 - источник

радиоизотопного преобразователя, 5 -приемник радиоизотопного преобразователя,

6, 7 - сердечник верхнего и нижнего перемешивателей, 8, 9 - обмотка верхнего и нижнего перемешивателей

Системный подход реализуется в работе в виде трех основных положений

1) Необходимо изучение внешнего окружения (специфичные тепловые и магнитные условия эксплуатации ВТП в кристаллизаторе), влияющего на конструкцию и выходной сигнал ВТП

2) Специфика исследуемой технологической системы приводит к необходимости использования совокупности средств исследования теоретический расчет, лабораторный эксперимент, промышленный эксперимент Использование теоретического расчета для полного описания системы, а так же изготовление идеально адекватных лабораторных имитаторов затруднено сложностью процессов, имеющих место при разливке, и многообразием используемых кристаллизаторов Поэтому ни одно из используемых средств исследования в отдельности не может быть использовано для исследования кристаллизатора и ВТП в полном объеме Использование упомянутой совокупности средств позволяют достаточно полно охарактеризовать изучаемую систему

3) Необходим анализ важных для ВТП условий его работы в системе более высокого уровня, каковой является микропроцессорный технологический прибор измерения уровня стали в кристаллизаторе Весьма важен алгоритм обработки выходных сигналов ВТП в микропроцессоре, структура прибора

Для выбора базовой конструктивной схемы ВТП, в первой главе приведена классификация ВТП по трем группам признаков Первая -признаки исполнения системы возбуждения полюсность, расположение оси поля возбуждения относительно зеркала металла, наличие магнитопровода Вторая - признаки исполнения системы измерения число сигнальных катушек, положение осей измерительных катушек относительно направления силовых линий поля возбуждения Третья — наличие или отсутствие компенсатора трансформаторного и, так называемого, нулевого сигнала -постоянной составляющей от вихревых токов в медной стенке гильзы кристаллизатора

Сравнительный анализ свойств различных конструктивных схем показал, что наиболее перспективной является конструктивная схема матричного преобразователя, показанная на рис 2 Матричный ВТП содержит одну накладную катушку возбуждения, расположенную параллельно гильзе кристаллизатора и набор одинаковых измерительных катушек расположен внутри катушки возбуждения При этом плоскости измерительных катушек расположены параллельно силовым линиям поля возбуждения, что дает возможность избежать трансформаторного сигнала

Использование матрицы измерительных катушек позволяет получить дополнительные полезные свойства по сравнению с односенсорными ВТП С помощью матрицы катушек мы можем использовать распределение вносимой ЭДС по измерительным катушкам (высоте ВТП) При этом появляется возможность анализировать не значение амплитуды сигнала, а форму кривой распределения Для определения положения уровня металла

Катушка возбуждения

1я измерительная катушка —

теперь достаточно зафиксировать только вертикальное положение геометрической кривой, например, положение максимума распределения амплитуды напряжения по катушкам на выпуклой части распределения

ВТП по рис 2 чувствителен к функции градиента распределения электрической проводимости среды по направлению изменения уровня металла В отличие от матричного ВТП с иной ориентацией измерительных катушек, настоящий ВТП обладает большим отношением составляющей сигнала от изменения положения уровня металла к составляющей от изменения температуры медной стенки гильзы Это отношение составляет 0 1 - 0 07

Использование в качестве выходного сигнала ВТП положения кривой распределения вносимой ЭДС, но не самой величины ЭДС, дает матричному ВТП и другие существенные практические

преимущества по сравнению с односенсорными ВТП

- матричный ВТП не нуждается в калибровке, т к положение измерительных катушек относительно медной гильзы заранее известно,

- использование кривой распределения позволяет отстроиться от влияния магнитной помехи, синхронно действующей на все измерительные катушки,

- появляется возможность использования пространственной фильтрации полученного распределения

Матричный ВТП принципиально может реализовывать как прямой, так и косвенный методы контроля

19я измерительная катушка —

рубашка '

Рис 2 - Конструктивная схема исследуемого ВТП

Глава 2 посвящена изучению специфичных условий работы встроенного ВТП в сортовом кристаллизаторе

При измерениях уровня стали в сортовом кристаллизаторе через медную стенку прямой метод контроля в чистом виде практически реализовать не удается Выходной сигнал содержит не только составляющую реакции от стали, но также недокомпесированную тепловую составляющую, причем они одного порядка Поэтому в обоих случаях важно иметь информацию о характере динамических тепловых процессов в гильзе

Для исследования переходных процессов в работе использована двумерная математическая модель теплопередачи Интерес представляют процессы, протекающие в зоне положения мениска стали Поэтому возможно использовать упрощенную тепловую модель Упрощение заключается в пренебрежении изменением коэффициента теплоотдачи от жидкого металла к гильзе по высоте последней При расчетах использовано значение коэффициента теплоотдачи для верхней части гильзы Данное упрощешш приводит к завышенному расчетному значению температуры гильзы в нижней части кристаллизатора, но позволяет достаточно точно описать распределение температуры в зоне мениска стали (см рис 3)

Постоянная времени переходных процессов

СГ!р£Д£ЛЯЛйС1» ПрИ СТуПСТПЛТО* * скачке уровня металла из одного стационарного

положения в другое на 10 мм Как показано на рис 4, постоянная времени зависит от расстояния (по толщине гильзы) до внутренней поверхности медной стенки

На внутренней

поверхности гильзы

постоянная времени

составляет 0 6 с, на расстоянии 10 мм - порядка 2 с, на расстоянии 15 мм -порядка 3 с

ВТП «чувствует», в основном, температуру внешних слоев гильзы, поэтом}' «эквивалентная» постоянная времени вихретокового прибора при тепловых измерениях уровня может составить до 3 с

Магнитно незащищенный ВТП в любом варианте использования неработоспособен при наличии ЭМП

В литературе работа ЭМП рассматривается на частоте 5 Гц Для снижения помехи ЭМП на частоте питания ВТП необходимо дополнительное изучение электромагнитного поля ЭМП его спектрального состава и распределения по высоте гильзы

Изучение помехи ЭМП

Рис 3 - Распределение температуры по высоте на внешней поверхности гильзы 1 - расчет, 2 - экспериментальные данные, 3 - положение уровня стали

5 10

Толщина стенки, ми Рис 4 - Зависимость постоянной времени от толщины стенки гильзы

осуществлялось в ходе промышленных испытаний макетного образца ВТП В качестве ВТП использовался неэкранированный преобразователь, конструктивная схема которого показана на рис 2

На рис 5 и 6 показаны распределения ЭДС помехи от нижнего и верхнего ЭМП по измерительным катушкам ВТП на частоте 80 Гц, а также спектр ЭДС помехи от верхнего ЭМП в диапазоне частот 0 - 600 Гц

(Ч

о о

00%

004-

001-

ч

к/

/

\

\

Л: а

ч

*7

4

♦ ♦ Нижний ЭМП -А-4- Верхний ЭМП

9 11 П 15 17 К" измерительной катушки

19

23

Рис 5 - Распределение амплитуды помехи от низшего и верхнего электромагнитного перемешивателей по измерительным катушкам ДУ на

частоте 80 Гц

Уровень стабилизации соответствует положению между 5й и 8й измерительными катушками В области стабилизации уровня помеха от нижнего ЭМП составляет 3-4 мВ, помеха верхнего ЭМП 40 - 45 мВ Максимальный вносимый сигнал ВТП на той же частоте равен всего лишь 2 мВ Спектр помехи ЭМП непрерывный Амплитуда убывает с ростом частоты Стоит отметить, что в силу вращения электромагнитного поля ЭМП распределения, показанные для случая максимальной помехи на рис 5, циклически меняются с частотой вращения поля Также изменяется и форма спектра

1 47-

Рис 6 - Спектр ЭДС помехи от верхнего электромагнитного перемешивателя в 11й измерительной катушке

Третья глава посвящена исследованию характеристик матричного ВТП, показанного на рис 2, с перпендикулярной ориентацией измерительных катушек и катушки возбуждения

Для изучения рабочих характеристик использовались математическое моделирование ВТП, лабораторный эксперимент, а также промышленные исследования в условиях цеха

Особенностью используемого математического моделирования ВТП является учет распределения температуры в стенке гильзы при расчете электромагнитного поля ВТП При моделировании толщина стенки гильзы была принята равной 10 мм Используемая конечноэлементная модель содержит более 500000 элементов, один расчет на современном компьютере требует от 8 до 10 часов

Задача имитационного лабораторного моделирования состоит в дополнении данных, полученных с помощью математической модели сравнении различных вариантов конструкции ВТП и их исследован™ на разных частотах питания Лабораторный эксперимент был использован также для оценки взаимной погрешности результатов расчетного моделирования и лабораторного эксперимента с имитаторами Она составила 10%

В качестве имитатора жидкой стали был использован немагнитный нержавеющий сплав Х18Н10Т с электрической проводимостью, в 2 раза превышающей электрическую проводимость расплавленной стали Для имитации градиента температуры по высоте гильзы использовались медная и алюминиевая пластины, спаянные между собой по торцу Медная пластина

имитирует собой ненагретую часть гильзы, алюминиевая - нагретую на 200°С Имитация градиента температуры скачком электрической проводимости приводит к трехкратному увеличению амплитуды вносимого сигнала по отношению к случаю реального распределения электрической проводимости Погрешность имитации носит систематический масштабный характер и, поэтому, может быть учтена

В ходе промышленных испытаний производились одновременные записи сигналов ВТП и радиоизотопного преобразователя

Выходной сигнал ВТП можно условно разделить на 4 составляющие трансформаторный сигнал, нулевой сигнал, вносимый тепловой сигнал, обусловленный наличием градиента температуры по высоте гильзы и вносимый сигнал уровня стали

Вносимый нормированный сигнал определялся как

1т-1то

и-"вппгк

ХБ "И "в

где ию - нормированный вектор вносимого сигнал, II - вектор измеренного полного значения ЭДС измерительной катушки, и0 - вектор суммы нулевого и трансформаторного сигналов {для исследуемого ВТП трансформаторный сигнал отстутствует), 1в - ток возбуждения ВТП, Мв и Ыи - числа витков катушек возбуждения и измерения соответственно, к - размерный коэффициент (к = 1 А)

Распределение нулевого сигнала вихревых токов по измерительным катушкам ВТП показано на рис 7 По вертикальной оси отложена амплитуда сигнала, по горизонтальной - координата Ноль координаты выбран произвольно в центре ВТП Причиной нулевого сигнала являются вихревые токи, текущие в гильзе под торцовыми частями катушки возбуждения ВТП Стоить величину нулевого сигнала можно с помощью медной пластины -компенсатора, расположенной сверху ВТП

При внесении металла гильза нагревается, что является причиной появления так называемого «теплового» сигнала Его распределение при двух положениях уровня стали показано на рис 8 Отрицательной координате соответствует верхняя часть ВТП, положительная - нижней При перемещении положения уровня стали изменяется положение максимума распределения Повышение сигнала в крайних измерительных катушках является, т н концевым эффектом' при нагреве гильзы изменяется нулевой сигнал ВТП При высоких уровнях металла - 40 - 50 мм выше номинального - концевые эффекты вносят погрешность в измерение уровня косвенным способом, смещая влево положение максимума распределения В работе предложены способы компенсации концевых эффектов использование магнитопроводов и специальная обработка распределения амплитуды

Амплитуда «теплового» сигнала практически линейно зависит от частоты При повышении частоты с 80 до 400 Гц, для обсуждаемого ВТП она возрастает практически в 2 раза

3x10 т Напряжение, В

2*10 -■

- Ы0 -

Коораааге, им

-50 - 70 - 50 - 30 -10 10 30 50 70 90

Рис 7 - Распределение амплитуды нулевого сигнала по длине ВТП

Вносимый сигнал от уровня стали меньше «тепловой» составляющей сигнала в 15 раз, что видно из рис 8 и 9

шаргввшп, ш

-90 -60 -30 0 30 60 90

Рис 8 - Распределение амплитуды вносимого «теплового» сигнала по измерительным катушкам при положениях уровня 1) - 30 мм, 2) - 20 мм

Годо1рафами уровня металла и перемещения «теплового» распределения являются лишш, близкие к прямым (годограф для одной измерительной катушки показан на рис 10), поэтому для снижения влияния тепловой составляющей на измерения уровня стати удобно пользоваться амплитудно-фазовым способом отстройки Из анализа характеристик ВТП в частотной об пасти можно сделать вывод, что наилучшие условия для амплитудно-фазовой отстройки достигаются на частотах 60 - 100 Гц В качестве рабочей частоты была принята частота 80 Гц

1/пллЯииата мм

нии^ииниши. 1М||«

Рис 9 - Распределение модуля вносимого сигнала уровня стали по измерительным катушкам ВТП (штриховая линия - положение уровня)

Отстройка заключается в повороте комплексной плоскости на угол, при котором все изменения теплового сигнала будут проходить по мшшой оси координат При этом полезным сигналом будет являться активная составляющая Чувствительнрсть к изменению уровня и угол поворота годографа зависят от положения измерительной катушки относительно положения мениска стали В качестве угла поворота мы выбрали средний угол поворота для 6-ти измерительных катушек, чувствительность к изменению уровня для которых максимальна

Амплитудно-фазовая отстройка позволяет в значительной степени отстроиться от изменений теплового сигнала Но полностью скомпенсировать тепловую составляющую не удастся В основном распределение определяется концевыми эффектами,

вызывающими постоянную составляющую, не зависящую от положения уровня стали По сравнению с ним, сигнал, связанный с положением уровня, мал, поэтому определение уровня по суммарному распределению затруднительно Для выделения переменной составляющей

распределения рекомендовано воспользоваться цифровым фильтром высоких частот В

Рис 10 - Годографы составляющих сигнала от уровня металла и нагрева гильзы

результате фильтрации мы будем иметь кривую изменения распределения, характерная форма которой показана на рис. 11.

Положение этого распределения и максимальный размах будут зависеть от начального и конечного положений уровня металла, а так же от изменений теплового сигнала.

Ф1СГ10 ДР.еД.! , Б ьн •

4 10

У \

Коордиката, юл

90-8 3 - 70 - 6С1 - Ж - 40 - 30 - 20 - !0 0. 10 21 30 50 60 70 80 90

\

• - ■ ' -2x10

Рис. 11 - Изменение распределения активной составляющей при изменении

уровня металла

В результате отстройки соотношение сигнала от стали к тепловому сигналу увеличилось в 5 раз до 3:1. Эффективность отстройки зависит от прямолинейности годографов. В ходе промышленного исследования ВТП на кристаллизаторе с толщиной стенки гильзы 15 мм были получены годографы теплового сигнала, которые приведены на рис. 12 для 4х измерительных катушек. Для этого использовался временной интервал в начале разливки стати, когда осуществлялось заполнение кристаллизатора металлом с постоянной скоростью. Экспериментально полученные годографы отличаются от расчетных большей прямолинейностью, что позволяет надеяться на более высокую эффективность амплитудно-фазовой отстройки Также в третьей главе рассмотрено влияние зазора между ВТП и гильзой на соотношение амплитуд сигнала от стали и теплового сигнала.

Показано, что с ростом зазора доля сигнала от стали в общем вносимом сигнале увеличивается, но при этом падает абсолютное значение сигната. В результате рациональный зазор равен 12 - 14 мм.

Четвертая глава посвящена практической реализации вихретокового прибора контроля уровня и выработке инженерных рекомендаций к проектированию ВТП.

Для обеспечения работоспособности ВТП в условиях работающего ЭМП проанализировано применение нескольких приемов повышения отношения «сигнал-помеха»: экранирование измерительных катушек, дифференциальное включение измерительных обмоток по отношению к полю ЭМП и частичное изменение конструкции кристаллизатора.

Анализ приемов снижения индукции магнитного поля ЭМП в объеме ВТП проводился с помощью математического моделирования.

Дифференциальное включение

измерительных катушек было опробовано в ходе промышленных исследований макетного ВТП.

С помощью двумерного моделирования поля ЭМП было установлено, что максимальная индукция магнитного поля ЭМП достигается, когда линия N-8 магнитного поля ЭМП перпендикулярна рабочей поверхности ВТП. Далее при трехмерном анализе эффективности экранирования рассматривался только этот случай взаимной ориентации магнитного поля ЭМП и ВТП.

Моделирование показало, что для снижения магнитной индукции поля нижнего ЭМП наиболее эффективен экран из ферромагнитной стали. В зоне стабилизации уровня (0.1 - 0.25 м от верхнего торца гильзы) индукция пом ЭМП снизилась приблизительно в 5 раз.

Нормальная составляющая индукции снижается меньше и после' экранирования становится приблизительно равна по амплитуде касательной составляющей.

Для снижения индукции нижнего ЭМП эффективно применение ферромагнитной переборки. В настоящее время переборка используется в кристаллизаторах, имеющих только нижний ЭМП (каких большинство), для образования контура охлаждения гильзы. Она расположена выше ЭМП. и изготавливается из нержавеющей немагнитной стали. Замена материала переборки на ферромагнитную сталь позволит снизить касательную составляющую индукции нижнего ЭМП в 3 раза. Аналогичные результаты достигаются и для нормальной составляющей.

Для верхнего ЭМП характерно иное соотношение составляющих магнитной индукции в объеме ВТП, нежели для нижнего. Для отстройки от помехи верхнего ЭМП целесообразно использовать для измерений в ВТП нормальную к поверхности гильзы составляющую магнитной индукции, которая меньше осевой в 5 - 8 раз в зоне стабилизации уровня.

Для снижения помехи верхнего ЭМП наиболее эффективен двухслойный экран, причем внутренний экран должен быть ферромагнтным, а внешний - обладать высокой электрической проводимостью, например, из меди или алюминия. Толщина экранов составляет 3 мм. При этом

1п>. (!1вн)

ИК 12

ИК 15 | .# .А

\/ ¿Я

I / / ' // 1 $ о.о4 / /

ff /ч

/ ИК 8

/

/ 4

ИК 5

В.е(Цвк)

0.С1 002 0.03

Рис. 12 - Годографы «теплового» сигнала в 5, 8, 12, 15 измерительных катушках

нормальная составляющая индукции ЭМП снижается в 6 - 8 раз При перемене экранов местами, эффективность экранирования падает на 30%

Оказалось, что для увеличения отношения «сигнал-помеха» эффективно дифференциальное включение измерительных катушек Для оценки эффективности данного способа в ходе промышленных исследований ВТП были записаны осциллограммы дифференциального сигнала Зй и 4й измерительных катушек при работающем верхнем ЭМП Сравнение спектров дифференциально сигнала и абсолютного показало, что помеха на частоте питания ВТП снижается в 20 раз Но при дифференциальном включении катушек исследуемого ВТП в 5 раз снижается полезный сигнал, поэтому общая эффективность дифференциального включения может быть оценена равной 4 Для нижнего ЭМП эта цифра может быть несколько выше

В общем случае ВТП может быть спроектирован для косвенного или смешанного контроля уровня стали Смешанный контроль может применяться только в кристаллизаторах, где не используются ЭМП В остальных случаях возможен только косвенный способ контроля

Для ВТП смешанного контроля рекомендованы частоты питания в диапазоне 60- 100 Гц, для ВТП косвенного контроля 200 - 400 Гц

В зависимости от условий применения предложены три конструкции ВТП

Одноименнополюсная конструкция без магнитопровода, показанная на рис 2, экранированная ферромагнитным экраном, предложена для контроля уровня в кристаллизаторах без ЭМП или с нижним ЭМП, где есть возможность установки ферромагнитной переборки Достигаемое отношение «сигнал-помеха» 20 1 Данная конструкция наиболее проста

В кристаллизаторах, где установка ферромагнитной переборки невозможно, рекомендуется использовать однонменнополюсную конструкцию с магнитопроводами в виде длинных тонких пластин Измерительные катушки, намотанные на нижнюю ферромагнитную пластину, являются измерительными, а катушки, намотанные на верхнюю -компенсационными Используется внешний ферромагнитный экран Применение магнитопровода в виде пластины позволяет в несколько раз увеличить вносимый поток при незначительном росте потока от ЭМП Использование двух магнитопроводов позволяет включать измерительные катушки дифференциально к полю ЭМП Отношение «сигнал-помеха» для нижнего ЭМП составляет 60 1, для верхнего - 10 1 (при использовании двухслойного экрана)

Переменнополюсная конструкция ВТП позволяет получить еще большее отношение «сигнал-помеха» для верхнего ЭМП за счет использования магнитопровода и дифференциального включения соседних измерительных катушек При этом помеха от ЭМП в соседних измерительных катушках вычитается, а вносимый сигнал удваивается Отношение «сигнат-помеха» для верхнего ЭМП составляет 20 1 Сравнение технических параметров предложенных конструкций дано в работе

В общем виде изложен алгоритм обработки сигналов ВТП для косвенного и смешанного контролей уровня Основу обработки сигналов ВТП косвенного контроля составляет динамическая коррекция выходного сигнала Постоянные времени тепловых процессов на внешней и внутренней стенках гильзы сильно отличаются В результате высокочастотные колебания уровня стали отражаются на распределении температуры лишь внутренних слоев, сигнал вихревых токов от которых мал Корректирующее звено представляет собой цифровой фильтр, усиливающий высокочастотные составляющие вносимого сигнала каждой из измерительных катушек Применение динамической коррекции позволило получить рабочий диапазон частот ДУ 0 - 2 Гц Без динамической коррекции вихретоковый прибор косвенного контроля имеет недопустимо высокую постоянную времени

Обработка сигналов ВТО при смешанном контроле включает в себя поворот комплексной плоскости на определенный угол, определяемый в начале разливки, выделение активной составляющей вносимого напряжения, усиления и фильтрации высокочастотных составляющих полученного распределения, аналогично динамической коррекции

Выделение уровня стали по полученному распределению предполагает аппроксимацию полученного распределения и определение положения характерной точки полинома Аппроксимация распределения выполняет также роль пространственной фильтрации, позволяющей осуществить динамическую коррекцию сигнала без ухудшения шумовых характеристик прибора

Также предложены алгоритмические способы снижения помехи на частоте питания ВТП Для снижения помехи от нижнего ЭМП предложен алгоритм активной компенсации помехи Также предложен способ выбора интервалов времени для измерения сигналов ВТП Способ основан на синусоидальном изменении помехи во времени

Предложена структура прибора измерения уровня Он включает в себя ВТП, усилитель мощности, фильтры, усилители сигналов, блок ЦАП / АЦП и микропроцессорный блок, осуществляющий обработку сигналов и управление возбуждением ВТП

Вихретоковый прибор косвенного контроля подобной структуры был исследован в промышленных условиях По результатам промышленных испытаний были определены погрешность вихретокового прибора контроля уровня в статическом режиме, определены его динамические свойства, а также была доказана нечувствительность вихретокового прибора к уровню шлакообразующей смеси Временные диаграммы полученного после динамической коррекции сигнала уровня вихретокового прибора и радиоизотопного показаны на рис 14 Частота возбуждения ВТП равнялась 80 Гц

40

50

х 60

§ 70 80 5 90 н 100 ^ 110 № 120 Й 130 о 140 й 150 160 170

Радиоизотопный ПКУ

Викретокозый ПКУ

г5

7.5

10

1г5

15

Рис. 14 - Воеменная диаграмма сигналов усовня металла в начале разливки

Отличие уровней, определенных по сигналам вихретокового и радиоизотопного преобразователей не превышает 5 мм. На диаграмме уровня вихретокового прибора видны колебания с частотой 2 Гц и размахом до 10 мм - качания кристаллизатора с амплитудой 4 мм и частотой 2 Гц. Со временем частота качаний кристаллизатора поднимается до 4 Гц. Спектры сигналов датчика положения кристаллизатора и сигналов уровня вихретокового и радиоизотопного преобразваотелей показаны на рис. 15. Спектр сигнала уровня вихретокового прибора содержит составляющую на частоте качаний амплитудой 1 мм (в 4 раза меньше истинной амплитуды качаний). В спектре радиоизотопного преобразователя составляющая качаний отсутствует. Это означает, что вихретоковый прибор имеет больший частотный диапазон, чем радиоизотопный.

а б

Рис. 15 - Спектры сигналов: а - уровень по вихретоковому прибору; б - сигнал преобразователя положения кристаллизатора; в -уровень по радиоизотопному преобразователю

Преимуществом вихретокового преобразователя по сравнению с радиоизотопным является нечувствительность к шлаку. На рис. 16 показаны временные диаграммы сигналов уровня в момент добавления шлаковой смеси в кристаллизатор. Радиоизотопный преобразователь, чувствительный к уровню шлака, в момент добавления смеси показал повышение уровня стали. Система стабилизации поддерживает уровень металла таким, чтобы показания радиоизотопного прибора были как можно ближе к уставке (95 -100 мм). При этом фактический уровень металла находится ниже уставки, что хорошо видно по показаниям вихретокового прибора. Со временем шлаковая смесь расходуется и показания двух приборов приближаются друг к другу.

Приведенные технические преимущества и экологичность эксплуатации при сопоставимой цене делают вихретоковый прибор, на наш взгляд, предпочтительным для использования в сортовых кристаллизаторах

65 69 73

50 75 100 125 150

Рис. 16 - Временная диаграмма сигналов уровня в момент добавления

шлаковой смеси

Выводы по работе

1. На основе анализа существующих методов контроля уровня металла при непрерывной разливке стали показано, что задача замены радиоизотопного преобразователя уровня металла в сортовых кристаллизаторах на вихретоковый актуальна исходя из требований радиационной безопасности. До настоящего времени подобный вихретоковый преобразователь уровня не создан.

2. Для измерения уровня при непрерывной разливке стали выбран матричный встроенный накладной вихретоковый преобразователь, не требующий калибровки и позволяющий выполнить пространственную фильтрацию полезного сигнала.

3 Предложены образцы-имитаторы жидкого металла и неравномерно нагретой стенки гильзы для лабораторного моделирования вихретокового преобразователя

4 С помощью математического и лабораторного моделирования показано, что составляющая полезного сигнала преобразователя, связанная с положением уровня стали, до 15 раз меньше составляющей от температурного изменения электрической проводимости медной гильзы, имеющей эквивалентную постоянную времени до 3 с Посредством амплитудно-фазовой коррекции составляющая от изменения электрической проводимости снижена в 5 раз

5 Исследованы основные составляющие погрешности статической, обусловленной помехой от устройств электромагнитного перемешивания ьтали, и дикампчсскои, вызванной инерционностью тепловых переходных процессов в гильзе кристаллизатора Предложены конструктивные и алгоритмические способы снижения погрешностей

6 Для существующих трех вариантов расположения электромагнитных перемешивателей предложены три конструкции матричного преобразователя Для случая использования верхнего электромагнитного перемешивателя предложен наиболее сложный по конструкции разноименнополюсный преобразователь, способный осуществлять только косвенный (тепловой) контроль уровня

7 По результатам исследования характеристик вихретокового преобразователя предложена методика контроля уровня металла вихретоковыми преобразователями для измерения уровня металла при непрерывной разливке стали, включающая

- варианты конструкций преобразователей с характерными материалами и размерами,

- диапазоны рабочих частот возбуждения преобразователей,

соотношения между составляющими сигналов матричных преобразователей,

- методы уменьшения уровней электромагнитных помех в сортовом кристаллизаторе,

- методика обработки сигналов матричных преобразователей

8 На основе сравнительных испытаний радиоизотопного преобразователя и вихретокового матричного преобразователя с динамической коррекцией выходного сигнала в реальном технологическом процессе доказана применимость вихретокового метода для измерения уровня металла в гильзовом кристаллизаторе и подтверждена целесообразность замены радиоизотопного преобразователя на вихретоковый для случая отсутствия электромагнитного перемешивателя

10 Определены направления дальнейших исследований вихретокового преобразователя для измерения уровня металла в гильзовом кристаллизаторе

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1 Покровский АД, Терехин ИВ О возможности измерения уровня расплавленного металла в сортовых машинах непрерывной разливки стали электромагнитным способом// Вестник МЭИ - 2007, № 3, с 84 -87

2 Покровский А Д, Терехин И В Измерение перемещений электромагнитным способом в условиях сильного экранирования// Вестник МЭИ - 2007, № 4, с 71 - 75

3 Терехин И В, Покровский А Д Электромагнитный датчик уровня металла в сортовых кристаллизаторах// Материалы 13й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов МЭИ «Радиотехника, электротехника и энергетика», т 1, М МЭИ, 2007, с 174

4 Терехин И В О возможности замены радиоизотопного датчика уровня в гильзовом кристаллизаторе на вихретоковый // Контроль Диагностика - 2008, № 9, с 74 - 76

5 Покровский А Д, Терехин И В Промышленные исследования вихретокового датчика уровня гильзового кристаллизатора // М Вестник МЭИ -2008, №5, с 67-70

Подписано в печать Зак № Тир № пл. И)

Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Красноказарменная ул ,д 13

Термины и сокращения.

Введение.

Глава 1. Характеристика объекта контроля и задачи исследования.

1.1. Вихретоковый прибор контроля уровня в гильзовом кристаллизаторе.

1.2. Характеристика объекта контроля с точки зрения вихретокового способа контроля уровня металла.

1.3. Задачи исследования. Системный подход к достижению цели работы.

1.4. Классификация вихретоковых преобразователей применительно к гильзовому кристаллизатору. Матричный накладной вихретоковый преобразователь для контроля уровня металла.

1.5. Выводы.

Глава 2. Исследование системы «вихретоковый преобразователь кристаллизатор» в соответствии со спецификой вихретоковых измерений.

2.1. Исследование процесса теплопередачи в зоне положения уровня стали.

2.2. Электромагнитные перемешиватели в сортовом кристаллизаторе.

2.3. Выводы.

Глава 3. Изучение характеристик вихретокового преобразователя.

3.1. Методы и средства анализа характеристик вихретокового преобразователя.

3.2. Статические «тепловые» характеристики вихретокового преобразователя.

3.3. Характеристики вихретокового преобразователя от изменения уровня металла.

3.4. Выводы.

Глава 4. Практическая реализация и инженерные рекомендации к проектированию датчика уровня.

4.1. Способы снижения электромагнитных помех на частоте питания вихретокового преобразователя.

4.2. Разработка конструкции матричных вихретоковых преобразователей.

4.3. Алгоритм обработки выходного сигнала матричного вихретокового преобразователя.

4.4. Структура вихретокового прибора контроля уровня металла.

4.5. Результаты промышленных испытаний вихретокового прибора контроля уровня металла.

4.6. Рекомендации к проектированию вихретоковых приборов контроля уровня металла.

4.7. Выводы.

На сегодняшний день более 90% стали в мире производится непрерывным способом с помощью специальных устройств, называемых кристаллизаторами. Основным узлом сортового кристаллизатора с проходным сечением до 200 х 200 мм является медная гильза, представляющая собой вытянутый, открытый с двух сторон сосуд, квадратного или круглого сечения сечения. Жидкая сталь из металлургической емкости поступает в гильзу, охлаждаемую водой, где металл кристаллизуется. Сформировавшийся слиток вытягивают из кристаллизатора с помощью валков тянущей клети. Для автоматизированных систем управления технологическим процессом непрерывной разливки стали кардинальное значение имеет точная стабилизация уровня расплавленного металла в кристаллизаторе [1, 2]. В отсутствие точной стабилизации отливаемая заготовка имеет недопустимо высокое количество поверхностных дефектов. Для каждого кристаллизатора имеется технологический прибор контроля уровня стали, по показаниям которого осуществляется автоматическое управление затвором выхода жидкой стали из металлургической емкости. В кристаллизаторах малого проходного сечения по показаниям прибора иногда осуществляется регулирование скорости вытяжки слитка. Точность стабилизации уровня стали в кристаллизаторе обычно не хуже ± 5 мм. Вместе с тем технологический прибор контроля положения уровня стали не является метрологическим прибором, подлежащим аттестации. Основное предъявляемое к нему требование — стабильность показаний в процессе технологического цикла разливки, длящегося от 8 до 12 часов.

Для крупногабаритных (слябовых) кристаллизаторов на протяжении полутора десятков лет в качестве упомянутого технологического прибора используется вихретоковый прибор, чувствительный элемент которого устанавливается над поверхностью стали [98]. Он измеряет расстояние от чувствительного элемента до зеркала металла. Для сортовых кристаллизаторов в силу ряда объективных обстоятельств в настоящее время используется радиоизотопный преобразователь, содержащий источник и приемник излучения, установленные внутри корпуса кристаллизатора в зоне поддержания уровня расплавленной стали, причем излучатель и приемник расположены с различных сторон медной гильзы кристаллизатора [4, 6, 7]. Кванты излучения, проникая через медную гильзу и границу раздела горячей стали и находящегося над ней шлака, поступают на приемник. В зависимости от положения уровня приемник получает различное значение излучения.

Основной недостаток радиоизотопного преобразователя — его неэкологичность и потенциальная опасность для здоровья обслуживающего персонала. Существует ряд жестких требований по монтажу и эксплуатации радиоизотопного ПКУ. Особые требования предъявляются и к условиям захоронения отработанных элементов.

Дополнительный существенный недостаток радиоизотопного прибора контроля уровня стали состоит в том, что радиоизотопный принцип измерения характерен чувствительностью к шлаку: 10 мм слоя шлака эквивалентны 2 мм уровня стали.

В мире в настоящее время постоянно используется порядка несколько тысяч таких технологических приборов, причем средняя цена комплекта радиоизотопного ПКУ составляет около 20000 евро.

Общая технико-экономическая задача состоит в функционально эквивалентной замене радиоизотопного типа прибора на другой с подобными техническими характеристиками и сопоставимой ценой на рынке.

Безусловно, последние три десятилетия делались неоднократные попытки создания для сортового кристаллизатора вихретокового преобразователя взамен радиоизотопного, о чем свидетельствуют некоторые патентные и рекламные источники информации. Однако до настоящего времени вихретоковый прибор не создан в виде рыночного продукта при очень высокой потребности в подобном приборе.

Какова причина такой ситуации? Причина состоит в технической сложности реализации. Требуется высокий уровень научно-прикладных исследований соответствующих вихретоковых преобразователей (ВТП), надлежащий уровень средств многоразрядного аналогово-цифрового преобразования и быстродействующих микропроцессорных средств вычисления, а также соответствующий уровень исследований в области обработки информации от ВТП в реальном режиме времени.

Эти объективные научно-технические предпосылки, по мнению автора, в настоящее время созданы. В научном плане сейчас достигнут весьма высокий уровень анализа ВТП [18, 38], позволяющий приступить к научному анализу ВТП, предназначенного именно для контроля уровня в сортовых гильзовых кристаллизаторах. Также достигнут высокий уровень современных способов цифровой обработки сигналов ВТП. Развитие программных технологий позволяет проводить расчетные теоретические исследования ВТП при высокой сложности геометрии ВТП и контролируемого объекта, что было невозможно еще несколько лет назад. Усилием ряда зарубежных фирм (National Instruments, Analog devices, Texas Instruments) созданы весьма точные и быстродействующие АЦП с соответствующим микропроцессорным обеспечением.

На настоящий момент отсутствуют опубликованные научные работы, направленные на создание и научно-прикладной анализ ВТП в качестве ПКУ для сортового кристаллизатора. Отсутствуют и диссертационные работы в данном направлении.

Целью настоящей работы является разработка вихретоковых средств, повышающих эффективность контроля уровня металла в гильзовых кристаллизаторах при непрерывной разливке стали.

Первая проблема создания накладного ВТП для контроля уровня стали в сортовом кристаллизаторе состоит в том, что положение уровня необходимо фиксировать за электропроводной медной стенкой. При разливке стали сигнал от реального изменения температуры медной стенки гильзы на 1 — 2 порядка превышает сигнал, обусловленный изменением уровня стали.

Вторая проблема заключается в том, что измерения приходится проводить в условиях сильного электромагнитного поля, создаваемого устройствами электромагнитного перемешивания стали. Причем в спектре возбуждения перемешивателя присутствует частота питания ВТП. Уровень индукции от электромагнитного перемешивателя превышает уровень индукции от возбуждения ВТП более чем на порядок.

Объектом исследования настоящей работы является ВТП, реагирующий на положение границы раздела электропроводной и неэлектропроводной сред, причем ВТП расположен по отношению к этим средам за медным экраном толщиной 10 - 15 мм. Проектируемый вихретоковый ПКУ не должен по точности и быстродействию уступать радиоизотопному, т.е. минимально должен иметь следующие технические параметры:

1. погрешность измерения уровня не более ± 5 мм;

2. частотный диапазон: 0-2 Гц;

3. инерционность: не более 0.5 с.

Исследования в данном направлении ранее не проводились. Научная часть исследований относится к приборам технологического контроля, а именно к приборам неразрушающего контроля, основанным на вихретоковом методе измерений, и касается области накладных ВТП.

Настоящая работа опирается, прежде всего, на достижения научной школы кафедры электротехники и интроскопии МЭИ В. Г. Герасимова, А. Д. Покровского, В. В. Сухорукова в области электромагнитного неразрушающего контроля, а также на широкие исследования в области вихретокового контроля, выполненные в НИИ Интроскопии «Спектр» Клюевым С.В., Мужицким В. Ф. и др. Совокупность работ, выполненных под руководством и при непосредственном участии упомянутых

10 ¡1, отечественных авторов — это основные фундаментальные предпосылки настоящей диссертации.

Также в основу диссертации легли практические работы сотрудников НПХ «Техноап», на базе которой проводилась настоящая работа. Работы по созданию ПКУ для гильзового кристаллизатора несколько лет ведутся В НПХ «Техноап» его сотрудниками к.т.н. Формакидовым A.M., к.т.н. доц. Никаноровым В.Б. и д.т.н. проф. Делекторским Б.А. Автору настоящей диссертации предложено принять участие в этом направлении исследований руководителем предприятия, к.т.н. ст.н.с. Сорокиным А.Н. Им же сформулирована и рекомендована конкретная тематика для диссертации по созданию и исследованию нового типа ВТП, а именно, матричного ВТП, потенциально обладающего новой совокупностью свойств по сравнению с ВТП, разработанными ранее.

Настоящая диссертационная работа как первая в области исследования накладного вихретокового ВТП вынуждена принимать во внимание ряд смежных вопросов по отношению к исследованию непосредственно ВТП, и в ней, соответственно, использован системный подход, включающий вопросы выбора ВТП, металлургической специфики, способов и средств обработки информации.

1. Абламунец И.Г., Шатерников В.Е.. Параметры вихретоковых преобразователей расположенных над движущейся пластиной // Дефектоскопия. - 1977. - № 1. - 14 - 20.

2. Автоматизация МНЛЗ в СССР и за рубежом / Черная металлургия. Серия «Автоматизация металлургического производства». — М. — 1983.

3. Автоматизация непрерывной разливки стали / под ред. Б.Б. Тимофеева. -Киев, 1968.

4. Анюхин М.Н. Автоматическое поддержание уровня металла в кристаллизаторе МНЛЗ / М.Н. Анюхин, А.С. Полуляшный, О.И. Новиков, Ю.В.Ярыгин // Сталь. - 1995. - № 9.

5. Бейтельман Л. Улучшение качества сортовых заготовок путем электромагнитного перемешивания стали в кристаллизаторе/ Л. Бейтельман // Сталь. - 1997. - №4.

6. Беликов Е.Г. Исследование накладных вихретоковых преобразователей сложной формы и их применение для измерения магнитных и геометрических параметров изделий: диссертация кандидата технических наук. - М., 1977. — 142 с.

7. Боднер В.А., Алферов А.В. Измерительные приборы. Учеб. для вузов. В 2 т. М.: Изд-во стандартов, 1986.

8. Борисов В.Т., Виноградов В.В. Актуальные вопросы теории затвердевания непрерывного слитка. Сб. трудов ЦНИИЧермет им. И.П. Бардина. М.: Металлургия. - 2000.

9. Ганкин Б.А. Гильзовые кристаллизаторы высокоскоростных сортовых МНЛЗ / В.Б. Ганкин, Б.А. Сивак, Г.И.Николаев и др. // Тяжелое машиностроение. - 1997. - № 5.- 19-22.

10. Гольдштейн А.Е. Использование нестационарных по направлению магнитных полей для идентификации локальных электропроводящих объектов / Гольдштейн А.Е., Жуков В .К.// Томск: Печ. Мануфактура. -2002.

11. Д.Н. Шапиро. Основы теории электромагнитного экранирования. - Ленинград, изд-во «Энергия», 1975.

12. Дякин В.В., Сандовский В.А. Теория и расчет накладных вихретоковых преобразователей, М.: Наука, 1981.

13. Евтеев А.П. Датчики систем автоматического поддержания уровня металла в кристаллизаторах МНЛЗ/ А.П. Евтеев, А.Л. Игнатов // Труды 6-го конгресса сталеплавильщиков. - М. - 2001. - с. 600-604.

14. Евтеев Д.П. Непрерывное литье стали / Д.П. Евтеев // М.: Металлургия, 1984 г.

15. Ермолов И.Н. Методы и средства неразрушающего контроля качества: Учеб. пособие для инженерно-тех. спец. Вузов / Ермолов И.Н.,Останин Ю.Я. - М.: Высш. шк., 1988 г.

16. Жуковский СИ. Контроль заполенния кристаллизатора металлов во время пуска МНЛЗ / ' СИ. Жуковский, К.И. Онищенко. // Автоматизация сталеплавильного производства: сб. тр. № 6/ Ин-т автоматики-М.: Металлургия. - 1975.

17. Журавлев В.А. , Соколов Л.А. О формировании физической и химической неоднородности в непрерывных слитках. Сб. Непрерывная разливка стали, 1977. 5. М.: Металлургия, МУМ СССР. - с. 34 - 40.

18. Журавлев В.А., Китаев Е.М. Теплофизика формирования непрерывного слитка. М.: Металлургия, 1974. - 215 с.

19. Запускалов В.Г. Метрологическое обеспечение ' матричных вихретоковых преобразователей контроля параметров динамических объектов / В.Г. Запускалов, А.И. Маслов // Контроль. Диагностика — 2002. - № 6. - с. 56 - 62.

20. Измерение электрических и магнитных параметров: межвуз. сб. науч. трудов / Ом. Политех ин-т. - Омск, 1986. - 131 с.

21. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. Справочная книга- Л.: Энергоатомиздат, 1986. -488 с.

22. Калягин Ю. А. Исследование тепловых процессов в кристаллизаторе с медными и бронзовыми рабочими стенками в натурных условиях. / Калягин Ю.А., Сорокин СВ., Шестаков Н.И. // Загот. пр-ва в машиностр.. - 2004. - N 6. - с. 46 - 51.

23. Катанкин Р.А. О создании индукционного датчика уровня жидкого металла для сортовой машины непрерывной разливки стали. // Вестник МЭИ. - 2007. - № 3. - с. 51 - 54.

24. Классен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике-М.: Постмаркет, 2002.-352 с. 164 :,' ;

25. Князев А.Д. Конструирование радиоэлектронной и электронно- вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости / А.Д. Князев, Л.Н. Кечиев, Б.В. Петров. - М.: Радио и связь, 1990.-224 с.

26. Конструкционные и электротехнические материалы: учеб. пособие для учащихся электротехнических специальностей техникумов / под ред. В.А. Филикова, М.: Высшая школа, 1990. - 296 с.

27. Кравцов В. В. Особенности задания граничных условий теплообмена на поверхности заготовки, находящейся в кристаллизаторе. /Кравцов В.В., Шелудченко В.И., Бирюков А.Б. //Металлург, и горноруд. пром-CTb.-2003.-N4.-с. 109-111.

28. Кристаллизация металлов. Труды 4го совещания по теории литейных процессов. М.: Изд-во академии наук СССР, 1980. - 326 с.

29. Лазарев СФ. Принципы построения систем неразрушающего контроля со сканирующими электромагнитными полями / Лазарев СФ. — В кн.: Методы и приборы автоматического неразрушающего контроля. -Рижский политехнический ин-т, 1982. - с 55 - 69. 165 .l-j

30. Лестани Д. Новая МНЛЗ для разливки нержавеющей стали на заводе Valbruna в Италии / Д.Лестани, В. Руза, А. Микони // Steel times information. - Сентябрь 2004.

31. Лысов И. А. Оптический метод бесконтактного измерения малых линейных перемещений: автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - СПб., 2006. - 21 с.

32. Машиностроение: Энциклопедия, Том Ш-7. Измерения, контроль, испытания и диагностика / под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1996.

33. Меркулов А. И. Электромагнитные преобразователи устройств измерения многокомпонентных перемещений изделий: автореферат диссертации на соискание ученой степени д-ра техн. наук. - Самара, 2001.-35 с.

34. Металлургия стали: учебник для вузов по сп-ти «Черная металлургия» / В.И. Явойский, Ю.В. Коряковский, В.П. Григорьев; под общ. ред. В.И. Явойского и Ю.В. Коряковского. - М.: Металлургия, 1983. — 583 с.

35. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник. Под ред. В.В. Клюева. -М. : Машиностроение, 1995.

36. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 4. Контроль излучениями: Практ. пособие/ Б.Н. Епифанцев, Е.А. Гусев, В. И. Матвеев, Ф.Р. Соснин; под ред. В.В. Сухорукова. — М.: Высш. шк., 1992.

37. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 5. Интроскопия и автоматизация контроля: Практ. пособие/ В.В. Сухоруков, Э.И. Вайнберг, Р.-Й.Ю. Кажис, А.А. Абакумов; под ред. В.В. Сухорукова. - М.: Высш. шк., 1993 г.

38. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества: Учеб.'пособие для студентов втузов. -М . : Машиностроение, 1988.

39. Постоянные магниты. Справочник. / под ред. Ю.М. Пятина, изд. 2-е, перераб. и доп., м.: Энергия, 1980. - 483 с.

40. Производство стали в конвертерных и мартеновских цехах: темат. сб. научных трудов / М-во черной металлургии СССР. Ин-т черной металлургии. - М.: Металлургия, 1988. - 88 с.

41. Процессы непрерывной разливки: Монография / Смирнов А.Н., Пилюшенко В.Л., Минаев А.А., Момот СВ., Белобров Ю.Н. и др. Донецк: ДонНТУ, 2002.- 536 с.

42. Рентгенотехника: Справочник. В 2 кн. / Под ред. В.В.Клюева. М.: Машиностроение, 1992.

43. Рогов А.А. ВТП геометрических перемещений в среде повышенной температуры / Рогов А.А., Запускалов В.Г., Клюев СВ., Шатерников В.Е. // В.кн.: НК и диагностика. Тезисы «17-й научно-технической конференции». - Екатеринбург, УГТУ-УПИ. - 2005. - с. 76.

44. Рогов А.А. Исследование влияния температуры на конструктивные элементы матричного вихретокового преобразователя и разработка быстродействующих методов температурной компенсации: Автореферат диссертации кандидата технических наук. - М., 2007. - 24 с.

45. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. - СПб.: Питер, 2003. - 608 с.

46. Середин В.И. Контроль перемещений при высоких температурах. - М.: Энергия, 1986.- 150 с.

47. Смирнов А.А. Применение электромагнитного перемешивателя при непрерывной разливке стали / А.А. Смирнов // Сталь. - 1995. - № 8.

48. Соболев B.C. Накладные и экранные датчики / Соболев B.C., Шкарлет Ю.М. - Новосибирск: Наука, 1967. - 144 с.

49. Современное управление уровнем в кристаллизаторе. Advanced mould level control. // MPT Int.. - 2004. - т. 27, N 5. - с. 92.

50. Сорокин A.H. Электромагнитный датчик уровня металла гильзового кристаллизатора / А.Н. Сорокин, И.В. Терехин, A.M. Формакидов, В.Н. Маричев // Электрометаллургия. - 2008. - № 10. - с. 23 - 25.

51. Спектор А. Электрические измерения физических величин: методы измерений: учеб. пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1987.-320 с.

52. Танака Юи. Улучшение качества поверхности сляба из нержавеющей стали с помощью регулирования уровня металла в кристаллизаторе // Тэцу то хаганэ. Iron and Steel Inst.Jap. - 1987. - № 12. - с. 73.

53. Теплопередача: Учебник для вузов / Исаченко В.П. и др. - 4-е изд., перераб. и доп. -М . : Энергоатомиздат, 1981. 168 . - if1.

54. Терехин И.В. Измерение перемещений электромагнитным способом в условиях сильного экранирования / Покровский А.Д., Терехин И.В. // Вестник МЭИ. - 2007. - № 5. - с. 59 - 62.

55. Терехин И.В. О возможности замены радиоизотопного датчика уровня металла в гильзовом кристаллизаторе на вихретоковый / Терехин И.В. // Контроль. Диагностика. - 2008. - № 9. - с 74 - 76.

56. Терехин И.В. О возможности измерения уровня расплавленного металла в сортовых машинах непрерывной разливки стали электромагнитным способом / Покровский А.Д., Терехин И.В. // Вестник МЭИ. - 2007. - № 4. - с. 72 - 75.

57. Технология производства стали в современных конвертерных цехах / СВ. Колпаков, Р.В. Старов, В.В. Смоктий и др. -М . : Машиностроение, 1991.-464 с.

58. Формакидов A.M. Разработка и исследование системы обнаружения шлака в струе расплавленного металла: диссертация кандидата технических наук. - М., 2003. - 122 с.

59. Фурухаси Регулирование уровня металла в кристаллизаторе с помощью высокочастотного электромагнитного поля / Фурухаси, К.Есида, Е.Окита и др. // Дзайре то пуросэсу. - 1955. - Т. 8. - № 1. - с. 212.

60. Цифровая обработка сигналов: справочник / Л.М.' Гольденберг и др. — М.; 1985.

61. Цифровые методы измерения сдвига фаз / А.С. Глиненко, С. кузнецкий, A.M. Фиштейн, м,К. Чмых; отв. Ред. Ф. Крондорф. — Новисибирск: Наука сиб. отд., 1989. — 280 с. ; 169

62. Цифровые процессоры обработки сигналов: справочник / А.Г. Остапенко и др. - М.: Радио и связь, 1994. - 264 с.

63. Цифровые электроизмерительные приборы. Под. Ред. В.М. Шляндина. М.: Энергия, 1972. - 399 с.

64. Шестаков Н. И. О расчете температурного поля непрерывного слитка при известной интенсивности охлаждения. / Шестаков Н.И., Калягин Ю.А., Лукин СВ. // Металлы. - 2003. - N 5. - с. 22 - 25.

65. Шестаков Н.И. Методика измерения уровня металла в кристаллизаторе ультразвуковым датчиком / Н.И. Шестаков, Ю.П. Костин, Н.А. Добросмыслов, А.П. Щеголев // Научно-техническая конференция. — Ленинград. - 1991.

66. Шестаков Н.И. Ультразвуковой датчик уровня металла в кристаллизаторе / Н.И. Шестаков, Ю.П. Костин, А.П. Щеголев // Известия высших учебных заведений. - Черная металлургия. - 1992.

67. Шестаков Н.И. Ультразвуковой датчик уровня металла в кристаллизаторе / Шестаков Н.И. Костин Ю.П., Щеголев А.П. // Изв. Вузов. Чер.металлургия. - 1992. - № 9.

68. Электрические измерения. Средства и методы измерений. / под ред. Е.Г. Шрамкова. Учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1972. -520 с.

69. Boisdequin V. The steel level measuring in continuous casting / V.Boisdequin, E. Castiaux, J. Pirenne, F. Scuntaire // La Revue de Metallurgie. - CIT. - April 1997.

70. Control of molten steel flow in continuous casting by two static magnetic fields covering whole width/ Idogawa A., Kitano Y.I I Kawasaki steel rept. -1996.-№35.-с 74-81.

71. Horbach U. High speed billet casting with parabolic mold taper / U.Horbach, W. Jung, J. Kockentiedt // MPT International. - 1998. - № 1.

72. Kruger G. Advanced mould level control for continuous casting plants / G. Kruger // Metallurgical plant and technology. - 1985. - № 3.

73. Lestani Dario. Valbruna: New Continuous Casting Machine for Stainless Steel / Dario Lestani, Wegler D. Ruzza, Andrea Miconi. // Jron& Steel Technology. - September 2004. - p. 170 - 176.

74. Ronald J. O'Mally. Observations of various stady state and dynamic thermal behaviors in a continuous casting mold / Ronald J. O'Mally // Steelmaking conference proceedings. - 1999. - V.82.

75. Wolf Manfred M. The free meniscus problem / Wolf Manfred M. // Steel times Int. - 1992. - 16, № 2.

76. Zhang Jiongming. Коэффициент теплопередачи в кристаллизаторе установки непрерывной разливки. / Zhang Jiongming, Wang Lifeng, Wang Xinhua, Zhang Li, Tang Haibo // Jinshu xuebao. - 2003. - т. 39, N 12. -с . 1281-1284.

77. Патент 4,739,819 США. МКИ B22D002/00 Level measurement using a radiation source Электронный ресурс. / Eriksson Jan-Erik, Thorn-Andersen Ingvar; заявитель Asea AB. - № 804 688; заявл. 04.12.1985; опубл. 26.04.1988. — режим доступа: www.uspto.gov.

78. Патент США 4,359,211. МКИ G01F23/18. Метод и аппаратура для измерения уровня металла Электронный ресурс. / Дж. Браймерт (Люксембург); завитель: ARBED (Люксембург). - № 06/169,481; заявл. 15.06.1980, опубл. 16.11.1982. - режим доступа: www.uspto.gov.

79. Патент США 4,365,165. МКИ G01N 015/06. Level measuring device Электронный ресурс. / Ferruccio D. (Италия); заявитель CEDA S.p.A (Италия). - № 105 006; заявл. 18.12.1979, опубл. 21.12.1982. - режим доступа: www.uspto.gov.