ITMI20121914A1 - Dispositivo di comando per asta tampone - Google Patents

Description

“DISPOSITIVO DI COMANDO PER ASTA TAMPONEâ€

CAMPO DELL'INVENZIONE

La presente invenzione riguarda un dispositivo di comando per un’asta tampone impiegabile per regolare l'efflusso di acciaio liquido da una siviera o paniera.

STATO DELLA TECNICA

L’asta tampone, anche nota semplicemente come tampone (o con il termine inglese “stopper†) à ̈ un elemento, noto in ambito siderurgico, che, interagendo con un foro calibrato o busetta, regola l'efflusso di una colata di acciaio liquido da una siviera o da una paniera verso una lingottiera.

La regolazione dell’asta tampone avviene tipicamente in continuo, in funzione del livello dell'acciaio nella lingottiera. Tale livello à ̈ monitorato, anch’esso in continuo, da un sensore radioattivo che invia un segnale ad un controllore a logica programmabile (cosiddetto “PLC†), il quale comanda un dispositivo motorizzato di comando del tampone. Il tampone deve essere comandato in modo da garantire la presenza, in ogni condizione operativa, di un menisco stabile all’interno della lingottiera. Il dispositivo di comando deve perciò garantire un’elevata velocità di azionamento del tampone, in particolare per alte velocità di colata.

Nella tecnica sopra citata, sono noti due tipi di dispositivi di comando: elettromeccanico ed idraulico. I dispositivi elettromeccanici regolano lo spostamento del tampone mediante un motore elettrico e un meccanismo collegato al motore e comprendente un ingranaggio tra una vite senza fine, o un pignone, e una rispettiva cremagliera. I principali svantaggi dei dispositivi elettromeccanici sono:

bassi tempi di risposta;

complessità delle parti;

maggior numero, rispetto ad altre soluzioni, di componenti meccanici, i quali comportano giochi e, di conseguenza, imprecisioni sul controllo della posizione del tampone e necessità di frequenti interventi di manutenzione per controllare e registrare tali giochi.

Per la presenza dei suddetti giochi, inoltre, la posizione dell’asta tampone deve essere rilevata mediante un trasduttore di spostamento lineare direttamente sul braccio porta tampone. Tale tipo di sensore à ̈ tipicamente soggetto a malfunzionamenti.

I dispositivi idraulici o idrodinamici, invece, permettono di ottenere una migliore risposta rispetto a quelli elettromeccanici, ma richiedono, generalmente, la presenza di centraline e valvole idrauliche, con conseguente notevole aumento degli ingombri e dei costi. Anche in questo caso à ̈ necessaria una frequente manutenzione per effetto, in particolare, della presenza di un elevato numero di parti mobili soggette ad usura tra l'asta di sollevamento, che regola lo spostamento verso l’alto o verso il basso del tampone, e il servomotore e della necessaria presenza di un sistema di filtraggio dell’olio. I dispositivi idraulici convenzionali, inoltre, sono di tipo dissipativo: essi prevedono, infatti, che il fluido sia continuamente in circolo a monte di una servo valvola, la quale ne permette il passaggio verso l’attuatore idraulico solo quando richiesto. Un dispositivo di questo tipo richiede una considerevole quantità di fluido, fornito da una sorgente esterna, e implica che vi sia un continuo consumo di energia per generare la circolazione del fluido.

Un esempio di dispositivo idraulico di comando del tampone à ̈ descritto nel documento brevettuale US5421559. In tale dispositivo il moto verticale all’asta di sollevamento à ̈ trasmesso mediante un elemento rigido esterno ad essa solidale e collegato ad un’unità motrice tramite lo stelo di un pistone scorrevole all’interno di un cilindro. E’ previsto, inoltre, un complesso sistema di valvole per il controllo del flusso del fluido idraulico per la movimentazione del pistone. Questa soluzione implica la presenza di un serbatoio esterno per il fluido idraulico a cui il dispositivo deve essere connesso tramite dei condotti. Inoltre, la connessione tra l’elemento rigido e l’asta di sollevamento determina, anche per questo tipo di dispositivo, la presenza di giochi. Inoltre, le servo valvole generalmente comprese nei dispositivi idraulici convenzionali determinano una pluralità di inconvenienti, i principali dei quali sono:

bassa velocità di funzionamento della servovalvola con conseguente bassa reattività complessiva del circuito idraulico;

funzionamento in circuito aperto con conseguente necessità di provvedere attacchi idraulici esterni;

costi di esercizio e manutenzione elevati, dal momento che normalmente le servovalvole presentano ridotti cicli di vita.

SOMMARIO DELL'INVENZIONE

Compito specifico della presente invenzione à ̈ dunque quello di fornire un dispositivo di comando per un’asta tampone che permetta di regolare l’efflusso di acciaio liquido attraverso una siviera o una paniera, ovviando agli inconvenienti sopra lamentati con riferimento alla tecnica nota citata.

In particolare, si intende proporre un dispositivo che sia di tipo conservativo, cioà ̈ che consumi esclusivamente la quantità di energia strettamente necessaria alla movimentazione dell’asta tampone.

Ulteriore scopo à ̈ quello di fornire un dispositivo che permetta il raggiungimento di buoni livelli prestazionali, in termini di reattività e precisione, al contempo garantendo ingombri contenuti.

Un altro scopo à ̈ quello di annullare i giochi di tutti i componenti coinvolti nella movimentazione del tampone, permettendo così una regolazione più precisa del flusso di acciaio.

Un altro scopo à ̈ quello di realizzare un dispositivo idraulico che richieda un ridotto livello di manutenzione.

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di mettere a disposizione un dispositivo idraulico di comando per un’asta tampone comandato da un circuito idraulico di dimensioni, in termini di lunghezza della linea idraulica e di quantità di fluido complessiva necessaria, molto ridotte rispetto alle soluzione note.

Tali scopi sono raggiunti mediante un dispositivo di comando per un’asta tampone, detto dispositivo comprendendo:

- un involucro esterno,

- un’asta di comando scorrevole attraverso detto involucro, rigidamente vincolabile a detta asta tampone,

- un circuito idraulico includente un cilindro idraulico a doppio effetto e una pompa idraulica reversibile, detto cilindro idraulico avendo una prima e una seconda camera tra le quali à ̈ scorrevole un pistone, detta pompa idraulica essendo collegata a dette prima e seconda camera, detto pistone essendo rigidamente vincolato a detta asta di comando,

- un circuito di controllo collegato a detto circuito idraulico per controllare la posizione di detto pistone,

detto dispositivo essendo caratterizzato dal fatto che detta pompa reversibile à ̈ direttamente collegata a dette prima e seconda camera di detto attuatore idraulico, rispettivamente mediante un primo ramo e un secondo ramo di detto circuito idraulico.

Secondo un ulteriore aspetto dell'invenzione, i problemi sopra citati vengono risolti mediante un apparato comprendente:

- un recipiente per acciaio fuso includente un foro di scarico per l’efflusso di detto acciaio fuso,

- un’asta tampone attiva su detto foro di scarico per regolare detto efflusso di acciaio, - un dispositivo di comando per detta asta tampone, comprendente:

- un involucro esterno,

- un’asta di comando scorrevole attraverso detto involucro, rigidamente vincolabile a detta asta tampone,

- un circuito idraulico includente un cilindro idraulico a doppio effetto e una pompa idraulica reversibile, detto cilindro idraulico avendo una prima e una seconda camera tra le quali à ̈ scorrevole un pistone, detta pompa idraulica essendo collegata a dette prima e seconda camera, detto pistone essendo rigidamente vincolato a detta asta di comando,

- un circuito di controllo collegato a detto circuito idraulico per controllare la posizione di detto pistone,

detto dispositivo essendo caratterizzato dal fatto che detta pompa reversibile à ̈ direttamente collegata a dette prima e seconda camera di detto attuatore idraulico, rispettivamente mediante un primo ramo e un secondo ramo di detto circuito idraulico.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, di un dispositivo di comando per un’asta tampone secondo la presente invenzione illustrato a titolo esemplificativo e non limitativo, con l'ausilio delle unite tavole di disegno in cui:

la Figura 1 à ̈ una vista assonometrica di un dispositivo di comando per un’asta tampone per regolare l’efflusso di una colata, secondo la presente invenzione;

la Figura 2 Ã ̈ una vista laterale in sezione del dispositivo di Figura 1 ;

la Figura 3 à ̈ uno schema idraulico per l’azionamento del dispositivo di comando di Figura 1 .

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE

Con riferimento alle allegate figure, un dispositivo idraulico per il comando, mediante regolazione dell’altezza, di un’asta tampone 3 (solo parzialmente rappresentata) à ̈ complessivamente indicato con 1. L’asta tampone 3, anche indicata nel seguito come tampone 3, permette di regolare il grado di apertura di un foro di scarico (non rappresentato) di un recipiente 4 (solo parzialmente rappresentato) per metallo fuso. Il recipiente 4 à ̈ tipicamente costituito da una paniera. Il flusso di acciaio in uscita dal foro di scarico del recipiente 4 à ̈ raccolto in una lingottiera (non rappresentata).

Il dispositivo idraulico 1 comprende una leva (non rappresentata nelle allegate figure) mediante la quale, in caso di malfunzionamenti del dispositivo idraulico 1 o in condizioni di emergenza, à ̈ possibile modificare manualmente l’altezza del tampone 3.

Il dispositivo idraulico 1 comprende un telaio di contenimento 10, all’interno del quale à ̈ previsto un circuito idraulico 20 chiuso e pressurizzato. Rispetto ai circuiti idraulici di tipo aperto, utilizzati nei dispositivi idraulici convenzionali dissipativi, che tipicamente comprendono una centralina idraulica, il circuito idraulico 20 à ̈ caratterizzato da dimensioni molto ridotte. Il circuito idraulico 20 comprende un attuatore idraulico 21 collegato all’asta tampone 3 per regolarne l’altezza. L’attuatore idraulico 21 à ̈ del tipo a doppio effetto, comprendendo una prima e una seconda camera 21 a, b, tra le quali à ̈ scorrevole un pistone 22 rigidamente collegato a un primo stelo 31 a superiore e ad un secondo stelo 31 b inferiore, contrapposto rispetto allo stelo 31 a e di uguale diametro rispetto a questo. Il pistone 22 centrale scorrevole in entrambi i versi di una stessa direzione assiale coincidente con un asse longitudinale X dell’attuatore idraulico 21. Allo stelo superiore 31 a à ̈ collegata un’asta 6 di comando mediante un vincolo assialmente rigido posto ad una prima estremità assiale 6a dell’asta di comando 6 e ad esempio costituito da un accoppiamento filettato comprendente una vite 6c allineata lungo l’asse X. Attraverso l’accoppiamento con lo stelo superiore 31 a, l’asta di comando 6 risulta quindi rigidamente collegata al pistone 22. L’asta di comando 6 à ̈ passante e scorrevole attraverso un foro 10a dell’involucro 10, coassiale all’asse X. Lo scorrimento del pistone 22 verso l’una o l’altra delle estremità assiali dell’attuatore idraulico 21 comporta il concorde movimento dell’asta di comando 6 lungo l’asse X. L’allineamento tra l’asta di comando 6 e l’asse X à ̈ vantaggiosamente mantenuto per effetto di una pluralità di guide lineari 7, a ricircolo di sfere.

Il dispositivo idraulico comprende inoltre un braccio 8 rigidamente collegato all'asta di comando 6. Il braccio 8 si estende, in direzione pressoché ortogonale all’asse X, tra una prima estremità 8a e una seconda estremità 8b. La prima estremità 8a à ̈ rigidamente collegata, ad esempio mediante accoppiamento filettato, ad una seconda estremità 6b dell’asta di comando 6, assialmente contrapposta rispetto alla prima estremità 6a. La seconda estremità 8b à ̈ rigidamente collegata, ad esempio mediante accoppiamento filettato, al tampone 3. Attraverso il braccio 8, il movimento dell’asta di comando 6 à ̈ trasmesso al tampone 3.

Per comandare lo spostamento del pistone 22, il circuito idraulico 20 comprende una pompa 9 reversibile, direttamente collegata alla prima e alla seconda camera 21 a, b dell’attuatore, mediante, rispettivamente, un primo e un secondo ramo 20a, b del circuito idraulico 20. La pompa 9 à ̈ posta all’interno del telaio 10 vantaggiosamente dal lato dello stelo inferiore 31 b.

La rotazione della pompa 9 volumetrica reversibile in un verso oppure nell’altro consente, rispettivamente, di inviare olio direttamente a una o all’altra delle camere 21 a, b dell’attuatore 21, determinando quindi lo spostamento del pistone 22 e dello stelo 31 in una direzione oppure in quella opposta. Secondo un’altra variante realizzativa dell’invenzione, in luogo dell’olio, all’interno del circuito 20 à ̈ impiegabile altro fluido equivalente.

Il primo e il secondo ramo 20a, b sono collegati, a monte della pompa reversibile 9, a un accumulatore o sorgente di reintegro 27, che permette di reintegrare le eventuali perdite di fluido dal circuito idraulico 20. Tra la sorgente di reintegro 27 e la pompa reversibile 9, sul primo e sul secondo ramo 20a, b sono rispettivamente previste una prima e una seconda valvola di non ritorno 28a, b orientate in modo da impedire il flusso dalla pompa 9 alla sorgente di reintegro 27, consentendo il flusso nella direzione opposta.

La pompa 9 à ̈ azionata mediante un motore elettrico 19, vantaggiosamente di tipo brushless o di tipo passo-passo, ad essa collegato in modo fisso oppure mediante un •innesto rapido 19a di tipo noto, ad esempio un innesto rapido flangiato, oppure a sfere oppure a baionetta.

L’utilizzo della pompa 9 reversibile e del motore brushless 19 consente di collegare direttamente la prima e la seconda camera 21 a, b dell’attuatore 21 alla pompa 9, evitando così l’impiego della servo valvola, normalmente utilizzata in altri circuiti idraulici. Ciò consente, inoltre, di diminuire la quantità di fluido necessaria al circuito idraulico 20 e la lunghezza complessiva dello stesso. La quantità di fluido necessaria al funzionamento del circuito idraulico 20, data dalla somma del fluido in circolo e del fluido presente nella sorgente di reintegro 27, può vantaggiosamente essere compresa tra 0.05 e 0.5 litri, preferibilmente tra 0.1 e 0.2 litri. La lunghezza complessiva della linea idraulica in cui circola il fluido à ̈ vantaggiosamente compresa tra 0.5 e 2 metri, preferibilmente tra 1 e 1.5 metri.

La posizione del pistone 22 all’interno del cilindro risulta funzione della posizione angolare del motore 19 della pompa 9, mentre la velocità di movimento del cilindro à ̈ funzione della velocità angolare della pompa 9. La pompa volumetrica reversibile 9 permette lo spostamento della quantità di liquido effettivamente necessaria per lo spostamento del pistone 22 richiesto del sistema di controllo (può far fluire anche volumi di olio particolarmente piccoli). Essendo il circuito idraulico 20 chiuso e pressurizzato, ovvero privo di una centralina idraulica, al suo interno circola sempre la stessa quantità di fluido. Il motore 19 della pompa 9 determina ogni movimento di fluido all’interno del circuito idraulico 20: conseguentemente, se il motore 19 non aziona la pompa 9, il flusso di fluido in ogni punto del circuito idraulico 20 à ̈ sostanzialmente nullo e il pistone 22 non subisce spostamenti. Il dispositivo così realizzato à ̈ quindi di tipo conservativo poiché il consumo di energia à ̈ direttamente correlato allo spostamento del pistone 22. Il dispositivo 1 infatti consuma esclusivamente l’energia necessaria per lo spostamento dell’asta tampone 3 e, nei momenti nei quali non à ̈ richiesto uno spostamento dell’asta tampone 3, essendo fermo il fluido in tutto il circuito, il consumo di energia à ̈ nullo.

La pompa reversibile 9 e quindi l’attuatore 21 sono comandati in modo controllato. Per permettere il controllo della pompa reversibile 9 e dell’attuatore 21 , il dispositivo idraulico 1 comprende un circuito di controllo 30 collegato al circuito idraulico 20. Il circuito di controllo 30 può ad esempio essere basato su metodi predittivi oppure agire in retroazione in base alla misura di alcuni parametri operativi. Nel caso in cui il sistema di controllo 30 sia in retroazione, può vantaggiosamente comprendere un sensore di livello 25 che rileva il livello dell’acciaio nella lingottiera e un trasduttore di posizione 24 per rilevare la posizione del pistone 22. Il sensore di livello 25 misura il livello del menisco di acciaio fuso nella lingottiera in modo che sia possibile identificare la portata del flusso di acciaio in uscita dal recipiente 4 necessaria per ottenere il livello del menisco desiderato. Il circuito di controllo 30 comprende inoltre una centralina 26 di controllo, mediante la quale à ̈ controllato il motore elettrico 19. La centralina di controllo 26 à ̈ collegata al trasduttore di posizione 24 e al sensore 25, in modo da poter realizzare un controllo in retroazione, comprendente:

una prima fase di controllo in cui la centralina di controllo 26 riceve dal sensore 25 i dati relativi al livello del menisco;

una seconda fase di controllo in cui la centralina di controllo 26 determina la posizione alla quale deve essere portato il tampone 3, ovvero la posizione in cui deve essere portato il pistone 22;

una terza fase di controllo in cui, sulla base della posizione del pistone 22, ricevuta dal trasduttore di posizione 24, determina Io spostamento che deve essere impartito al pistone 22 per raggiungere la posizione determinata nella suddetta seconda fase del controllo;

- una quarta fase di controllo in cui la centralina 26 comanda il motore elettrico 19 perché attivi la pompa 9 per l’invio di olio nel primo o nel secondo ramo 20a, b finché il pistone 22 ha raggiunto la posizione determinata nella suddetta seconda fase del controllo.

Il controllo viene eseguito in continuo.

Nella forma di realizzazione rappresentata nelle figure, il circuito idraulico 20, chiuso e pressurizzato, à ̈ vantaggiosamente interamente alloggiato nei telaio di contenimento 10. In altre forme di realizzazione à ̈ possibile portare parte del circuito, ad esempio l’attuatore idraulico, in una zona esterna al telaio di contenimento 10, ma ad esso strettamente collegata. In ogni caso il circuito idraulico 20, essendo chiuso e pressurizzato, non necessita di attacchi idraulici esterni e quindi di un serbatoio per l’olio esterno al telaio 10. Il circuito idraulico 20 può essere vantaggiosamente sigillato all’interno del telaio 10 in modo da risultare isolato dall’ambiente esterno che generalmente, nell’ambito di impiego della presente invenzione, risulta essere piuttosto gravoso per la presenza di sporco, polvere o simili. Ciò permette di evitare l’eccessiva usura dei componenti e garantire una prolungata buona attività dell’impianto, limitando al massimo gli interventi per manutenzione.

Il dispositivo della presente invenzione, comprendendo un impianto idraulico chiuso e pressurizzato in cui à ̈ spostata solo una minima quantità di fluido, ovvero solo quella necessaria allo spostamento del pistone dell’attuatore idraulico, non determina sprechi di energia ed à ̈ per questo definito conservativo. L’impiego di un dispositivo di questo genere consente inoltre di ottenere un dispositivo idraulico caratterizzato da alto rendimento ed elevata reattività; ciò à ̈ ulteriormente favorito dal fatto di impiegare una pompa idraulica comandata da un motore elettrico che consente di raggiungere elevate velocità di funzionamento.

Ulteriore vantaggio à ̈ rappresentato dal fatto che i vincoli rigidi previsti tra lo stelo superiore 31 a, l’asta di comando 6, il braccio 8 e l’asta tampone 3, consentono di eliminare o ridurre al minimo il gioco complessivo tra il pistone 22 e il tampone 3.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (1) di comando per un’asta tampone (3), detto dispositivo (1) essendo impiegabile per regolare l’efflusso di acciaio liquido da un recipiente (4), detto dispositivo (1) comprendendo: - un involucro (10) esterno, - un’asta di comando (6) scorrevole attraverso detto involucro (10), rigidamente vincolabile a detta asta tampone (3), - un circuito idraulico (20) includente un cilindro idraulico (21) a doppio effetto e una pompa idraulica (9) reversibile, detto cilindro idraulico (21) avendo una prima e una seconda camera (21 a, b) tra le quali à ̈ scorrevole un pistone (22), detta pompa idraulica (9) essendo collegata a dette prima e seconda camera (21 a, b), detto pistone essendo vincolato a detta asta di comando (6), - un circuito di controllo (30) collegato a detto circuito idraulico (20) per controllare la posizione di detto pistone (22), caratterizzato dal fatto che detta pompa (9) reversibile à ̈ direttamente collegata a dette prima e seconda camera (21 a, b) di detto attuatore idraulico (21), rispettivamente mediante un primo ramo e un secondo ramo (20a, b) di detto circuito idraulico (20).
2. 2. Dispositivo (1) di comando secondo la rivendicazione 1 , in cui detto circuito (20) Ã ̈ interamente alloggiato in detto involucro (10) esterno.
3. 3. Dispositivo (1) di comando secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta pompa (9) reversibile à ̈ azionata mediante un motore elettrico (9a) collegato a detto circuito di controllo (30).
4. 4. Dispositivo (1) di comando secondo la rivendicazione 3, in cui detta pompa (9) reversibile e detto motore elettrico (9a) sono tra loro collegati in modo fisso.
5. 5. Dispositivo (1) di comando secondo la rivendicazione 3, in cui detta pompa (9) reversibile e detto motore elettrico (9a) sono tra loro collegati mediante un innesto rapido (19a).
6. 6. Dispositivo (1) di comando secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto circuito di controllo (30) agisce in retroazione.
7. 7. Dispositivo (1) di comando secondo la rivendicazione 6, in cui detto circuito di controllo (30) comprende un trasduttore di posizione (24) per rilevare la posizione del pistone (22), detto trasduttore di posizione (24) essendo alloggiato in detto involucro (10) esterno.
8. 8. Dispositivo (1) di comando secondo la rivendicazione 7, in cui detto circuito di controllo (30) comprende una centralina (26) di controllo collegata a detto motore elettrico (9a) e a detto trasduttore di posizione (24).
9. 9. Dispositivo (1) di comando secondo le rivendicazioni 6, 7 e 8, in cui il circuito di controllo (30) comprende un sensore (25) di livello per misurare il livello di acciaio fuso in una lingottiera, detto sensore (25) di livello essendo collegato a detta centralina (26) di controllo.
10. 10. Apparato comprendente: - un recipiente (4) per acciaio fuso includente un foro di scarico per l'efflusso di detto acciaio fuso, - un’asta tampone (3) attiva su detto foro di scarico per regolare detto efflusso di acciaio, - un dispositivo di comando (1) per detta asta tampone (3) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti. (PAV/as)