ITPN20060005A1 - Procedimento e dispositivo per la misura e controllo dell'altezza del metallo liquido in un cristallizzatore. - Google Patents
Procedimento e dispositivo per la misura e controllo dell'altezza del metallo liquido in un cristallizzatore. Download PDFInfo
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Description
" PROCEDIMENTO E DISPOSITIVO PER LA MISURA E CONTROLLO DELL' ALTEZZA DEL METALLO LIQUIDO IN UN CRISTALLIZZATORE"
DESCRIZIONE
Il presente brevetto riguarda un dispositivo specifico ed un relativo procedimento atti a consentire in modo molto preciso ed affidabile, e con una elevata frequenza di misurazione, il livello del menisco in un processo di fusione continua dell'acciaio in lingottiera per colata continua.-L'invenzione e' applicabile in tutti i casi in cui il metallo liquido e/o il cristallizzatore sono atti a cooperare con un campo magnetico che li interessa e che in conseguenza di ciò' genera correnti indotte.
Anche se nel seguito e per facilita' di descrizione si fara' riferimento in modo preferenziale alla fase di raffreddamento e solidificazione di una colata continua di acciaio fuso in una lingottiera, rimane inteso che il presente trovato si applica in generale anche per la misurazione del livello di un bagno di metallo fuso opportuno contenitore purché ' rientranti rivendicazioni allegate.
E' noto che durante il processo di colata continua la determinazione del livello del menisco dell'acciaio fuso e del punto di distacco della fase liquida dalla lingottiera, ovvero di inizio del cartoccio, e' uno dei piu' difficili problemi per l'efficace e tempestivo controllo del processo.
Infatti poco sotto detto livello, ed in corrispondenza della parete della lingottiera, si forma, per effetto del raffreddamento forzato di questa, l'inizio del cosiddetto "cartoccio", cioè' dell'involucro di metallo solidificato quasi cilindrico, chiuso, che tende ad ampliare il suo spessore man mano che discende lungo la lingottiera e che contiene al suo interno il resto del bagno di acciaio ancora allo stato fuso.-Se tale livello non viene costantemente ed esattamente monitorato per regolare di conseguenza il flusso di acciaio fuso e la velocita' di estrazione dell'acciaio, il livello superficiale del bagno di acciaio fuso può' variare anche con rapidità' ; tali variazioni danno facilmente luogo, come noto, a rotture (breàk-down) sulla superficie del cartoccio, rotture che in pratica interrompono la capacita' del cartoccio stesso di contenere, senza perdite, l'acciaio fuso interno.
In generale tali rotture generano degli inconvenienti che sono in dettaglio descritti nel brevetto internazionale (domanda) WO 2005/037461, della stessa depositante, a cui per brevità' si rimanda; tale documento inoltre cita alcuni brevetti sullo stato della tecnica e ne discute le caratteristiche, come ad es. JP 11304566A2.
Dal brevetto EP 0312 788 Al, a nome CEDA S.p.A., e' noto un dispositivo per la misura del livello del liquido in un cristallizzatore che utilizza almeno una bobina di trasmissione alimentata con una sorgente elettrica a media frequenza ed una bobina di ricezione. Dette bobine sono poste all'interno del corpo lingottiera e sono accoppiate elettromagneticamente con una parete del cristallizzatore e con il volume interno dello stesso.-Il principio di funzionamento di tale dispositivo si basa sul fatto che la informazione del livello del liquido nella lingottiera viene ricavata con l'elaborazione dei segnali generati da detta bobina di ricezione, che dipende dalla temperatura media della parete del cristallizzatore, la quale a sua volta e' correiabile, con mezzi noti, con il livello dello stesso liquido.-Tuttavia tale soluzione, benché' effciente in certe condizioni, presenta alcuni inconvenienti non superabili: innanzitutto si richiede la presenza di almeno tre bobine, di cui una bobina di trasmissione e due di ricezione; tale fatto naturalmente implica non solo maggiori oneri e complessità' nella costruzione del cristallizzatore di detta invenzione, ma anche richiede una piu' complessa e quindi meno affidabile elaborazione dei segnali presenti nelle tre bobine . -Ma l ' inconveniente principale di tale soluzione risiede nel fatto che il segnale generato nelle bobine riceventi e ' influenzato dalla temperatura delle stesse bobine che, benché' protette da un involucro metallico, tuttavia a regime esse assumono la temperatura del liquido di raffreddamento che non e' mai costante e può' variare nel corso della colata, modificando quindi anche la temperatura delle stesse bobine.-Poiché' la fase tra tensione e corrente nelle due bobine dipende in sostanza dalla tensione finale indotta sulla bobina di pick-up (quella piu' vicina al rame), questa e' esprimibile in funzione sia della tensione Vv1della bobina piu' lontana sia della tensione Vv2della bobina piu' vicina.
In sostanza lo sfasamento tra dette due tensioni, che chiameremo generalmente "Df", si può' esprimere:
Si comprende quindi che variando le resistenze ohmiche di dette bobine le relative dette tensioni variano, sia in valore assoluto che in fase, ed essendo il sistema fisico intrinsecamente non simmetrico, allora le variazion di tensione non saranno uguali per le due bobine
Se poniamo infatti:
con A e B delle rispettive costanti allora la differenza di fase tra dette due tensioni sara':
E' quindi evidente che che in caso di non perfetta simmetria si avra' una variazione di fase anche quando si verifica una variazione solo ohmica.
In definitiva, poiché' dette resistenze ohmiche dipendono dalle temperature delle relative bobine, le quali sono immerse nel fluido di raffreddamento, e poiché' la temperatura di detto fluido di raffreddamento può' variare rapidamente in modo incontrollato, ne consegue logicamente che varia anche la temperatura e quindi la resistenza ohmica delle due bobine, ed in definitiva varia in modo incontrollato lo sfasamento tra i segnali di queste, ciò' che in ultima istanza provoca una errata informazione sull'altezza del livello del liquido della colata continua.-In conclusione, essendo l'asimmetria del sistema fisico intrinseca nello stesso sistema, tale asimmetria si estende anche al processo di misura e quindi rappresenta un difetto nel relativo procedimento di misura.-
Da altri brevetti, ad es. US 4,138,888 - EP 0192 043 US 3,336,873 - US 6,517,604 - US 6,337,566 - US 4,647,854 -EP 0010 539 - EP 0087 382 - US 4,441,541 - US 4,529,029 -sono note soluzioni di impiego di bobine che generano campi elettromagnetici per rilevare l'altezza del menisco in una lingottiera per colata continua; tuttavia tutte queste prevedono l'impiego di almeno due bobine distinte, e quindi ne soffrono i relativi inconvenienti.
Conformemente a quanto premesso, e' dunque scopo del presente brevetto di realizzare un dispositivo perfezionato per la misurazione del livello del menisco dell'acciaio in lingottiera in un processo di colata continua, ed un rispettivo procedimento di impiego, che siano esenti degli inconvenienti descritti.-Inoltre tale dispositivo deve essere facilmente realizzabile e operabile con materiali e componenti normalmente disponibili nella tecnica e quindi economici.-Tale scopo, con altre caratteristiche dell'invenzione, viene conseguito mediante un dispositivo realizzato e funzionante secondo le rivendicazioni che seguono.-L'invenzione può' concretizzarsi secondo una forma di realizzazione preferenziale e non limitativa qui descritta in dettaglio ed illustrata a solo scopo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati in cui: - la fig. 1 mostra una vista simbolica in sezione di una lingottiera secondo lo stato della tecnica,
- la fig. 2 mostra una vista ingrandita di una porzione di sezione verticale di una lingottiera dotata del dispositivo dell'invenzione,
la fig. 3 mostra in modo simbolico i vettori dell'impedenza della bobina dell'invenzione, scomposti nelle relative componenti resistive e reattive, in due distinte condizioni operative,
- la fig. 4 mostra in modo simbolico i vettori della fig. 3, su cui e' sovrapposto un vettore dell'impedenza rilevato con una differente temperatura della bobina,
- la fig. 5 mostra una vista simbolica di una preferita forma di realizzazione della bobina dell'invenzione,
- la fig. 6 mostra una relativa vista simbolica di una seconda perfezionata forma di realizzazione dell'invenzione, - la fig. 7 mostra una ulteriore vista simbolica di una terza perfezionata forma di realizzazione dell'invenzione.-
Con riferimento alla fig. 1 e 2, si osservi una lingottiera in sezione verticale; in essa si notano:
- il cristallizzatore 1,
il tubo di versamento (snorkel) 2,
- la polvere di copertura (slag) 3,
- il "cartoccio" 4 di acciaio solidificato,
- il bagno di acciaio allo stato liquido 5,
- il menisco 6,
- la camicia esterna 7 di scorrimento del fluido di raffreddamento 8
L'invenzione si basa essenzialmente sul fenomeno, di per se' noto, che l'altezza del livello del menisco influenza in modo sensibile la temperatura della corrispondente porzione del cristallizzatore, e che la temperatura di questo, generalmente realizzato in rame, a sua volta influenza la sua resistività' elettrica "r".-Se quindi detto cristallizzatore viene interessato da un campo elettromagnetico primario generato da una opportuna bobina emettitrice percorsa da una corrente variabile ad una frequenza opportuna, preferibilmente compresa tra 10 e 200 Hz, in esso vengono generate delle correnti indotte, note nella tecnica con il nome di "eddy current", la cui natura ed origine sono ben conosciute; queste correnti indotte generano a loro volta un campo elettromagnetico secondario che si propaga all'esterno secondo le Leggi di Maxwell e che può' essere intercettato da una o piu' bobine ricevitrici, nelle quali viene naturalmente indotta una forza elettromotrice.
Poiche' dette "eddy current" dipendono da parametri , che sono:
- la corrente presente nella bobina emettitrice,
- la configurazione geometrica dei vari componenti del sistema,
- dalla frequenza di detta corrente variabile,
- dalla conducibilità' elettrica del materiale, cioè' il rame, oppure comunque qualsiasi materiale elettricamente conduttivo, di cui e' composto il cristallizzatore, Mentre i primi tre parametri non sono dipendenti dalla temperatura del cristallizzatore, non lo e' invece il quarto, cioè' la conducibilità' elettrica del rame.
E quindi viene generato un campo elettromagnetico secondario che viene influenzato dalla temperatura del cristallizzatore, e che quindi rappresenta, secondo leggi e sperimentazioni facili da eseguire, il livello del menisco.
Dall'esame e dal confronto tra dette forze elettromotrici nella bobina ricevitrice e le caratteristiche della corrente presente in una bobina emettitrice che ha generato il campo elettromagnetico primario si può' quindi risalire al campo elettromagnetico prodotto dalle "eddy current", e da qui alla temperatura del cristallizzatore, e quindi all'altezza del menisco.-Fin qui la tecnica nota, descritta in particolare nel citato brevetto EP 0312 788 Al, a nome CEDA S.p.A.
Secondo la presente invenzione, viene considerata bobina emettitrice 9, la quale, sollecitata elettricamente con un segnale elettrico a frequenza opportuna, preferibilmente compresa tra 10 e 200 Hz, emette un campo elettromagnetico primario il quale investe lai parte del cristallizzatore; per effetto di tale fatto questo a sua volta emette un campo elettromagnetico secondario o di reazione, che e' differenziato dal campo elettromagnetico primario in modulo e fase; detti due campi naturalmente si sommano e nella bobina emettitrice viene a crearsi, anche per effetto di detto campo elettromagnetico secondario, una corrente complessiva la quale presenta delle caratteristiche proprie rispetto alla tensione che si può' misurare ai suoi' capi.-Si consideri infatti la seguente relazione:
Z = R jX
Questa e' la formula generale di una impedenza, ove la R rappresenta la componente "in fase" con la tensione, e la X rappresenta la componente "in quadratura".-Questa formula dell'impedenza può' essere naturalmente applicata per definire anche l'impedenza complessiva presente nella bobina emettitrice, anche per effetto del campo elettromagnetico secondario.-Tuttavia si e' osservata una circostanza che sta alla base dell'invenzione, e cioè' che sia la componente R in fase, che.la componente X in quadratura dell'impedenza non sono delle costanti, ma ciascuna di esse dipende in certa misura dal contributo della presenza del cristallizzatore in rame.-Si ricordi qui che qualsiasi materiale conduttivo presenta questa caratteristica ed il suo effetto sulle caratteristiche vettoriali dell'impedenza e' funzione della conducibilità' elettrica.
Per questo motivo la componente in fase dell'impedenza del rame e' di gran lunga superiore a quello dell'acciaio con cui e' a contatto.-Inoltre se il materiale presenta anche delle proprietà' magnetiche allora tale effetto verrebbe amplificato dal valore della permeabilità' magnetica relativa .-
La relazione appena data può' essere scritta nel seguente modo:
ove RJ-JQrappresenta la resistenza ohmica pura della bobina, R (Cu) rappresenta un contributo resistivo che deriva dal campo secondario o di reazione; questo contributo e' dovuto al fatto che in una bobina interessata da un campo elettromagnetico secondario si generano delle corre superficiali ben note (effetto pelle, skin effect) il effetto viene rappresentato come una resistenza equivalente.
A rigor di termini si dovrebbe tener conto della reattanza di una bobina immagine in posizione speculare rispetto alla parete di rame, e considerare il rame un semispazio infinito con conducibilità' infinita; tuttavia il peso di un tale fattore e' del tutto trascurabile ai fini degli impieghi pratici della presente invenzione, e quindi verrà' trascurato.-
Nel caso in esame detta resistenza equivalente Reg(Cu) dipende ovviamente dalle "eddy current" indotte nel cristallizzatore, e pertanto dalla sua resistività', e quindi dalla sua temperatura, ed in definitiva dall'altezza del menisco.-Una spiegazione del tutto simile si può' dare anche per la Xaria, cioè' la componente reattiva pura, e la XCu, determinata dal fatto che anche la reattanza della bobina emettitrice dipende da dette correnti superficiali, nel senso che la fase del campo elettromagnetico secondario non e' la stessa del campo primario, e che questa fase ovviamente dipende da dette "eddy current" e quindi, ancora, dalla temperatura del cristallizzatore.
Infatti in aria senza il cristallizzatore formula precedente diventa semplicemente:
E' stato inoltre osservato, nel corso di approfondite sperimentazioni e misurazioni di verifica, che le due componenti relative all'effetto del cristallizzatore, variano in modo sensibilmente proporzionale, cioè' che:
dove k e' una costante.-Con riferimento alla fig. 3 viene data una rappresentazione simbolica di tale fenomeno, nel senso che se il vettore "Zg" rappresenta l'impedenza della bobina in aria, ed il vettore "Z1" rappresenta l'impedenza della bobina associata al cristallizzatore, allora si osserva che detto vettore "Z2" si sovrappone in modo quasi perfetto al vettore "Zg", avendo la stessa fase ma modulo diverso.-E' quindi evidente che se si esaminasse la fase dell'impedenza della bobina emettitrice, non si troverebbe alcuna differenza di fase nel fatto che questa sia in aria o sul cristallizzatore.-E quindi ogni analisi su eventuali differenze di fase non produrrebbe alcuna informazione utile.-Ed in definitiva l'analisi comparata delle due componenti, in fase ed in quadratura, fornirebbe l'informazione cercata sulla resistività' e quind temperatura del cristallizzatore.-Tuttavia se la temperatura della bobina viene variata, ad es. per effetto di una variazione della temperatura del liquido di raffreddamento in cui e' immersa, varierebbe solo la componente ohmica della resistenza RDC, mentre le tre altre componenti rimarrebbero invariate.-Pertanto in tal caso la f-ig..3 si trasformerebbe nella fig- 4.-Si verificherebbe cioè' una differenza di fase che inquinerebbe la misura, poiché' si misurerebbe una fase che dipende anche dalla temperatura della bobina, e non solo dal livello del menisco.-Poiché' la componente ohmica della resistenza e' responsabile del problema, la presente invenzione si fonda sul fatto di semplicemente eliminare tale fattore, cioè' di trascurare detta componente ohmica della resistenza e di calcolare la temperatura del cristallizzatore solo basandosi sulla componente reattiva
Una volta individuata e selezionata detta componente reattiva basterà' confrontarla con valori prefissati, a cui corrispondono rispettive altezze del menisco, per individuare con mezzi e modalità' note l'altezza del menisco nella situazione misurata.-Allo scopo, basterà' eseguire una serie ordinata di sperimentazioni, in cui differenti altezze del menis vengono associate a corrispondnet i valori di det componente reattiva Per individuare con facilita' e con una richiesta precisione l'altezza cercata.-Sono naturalmente disponibili altre modalità' per associare a detta componente reattiva
l'altezza del menisco, come ad es. mediante l'elaborazione di algoritmi opportuni, ma tali tecniche generali sono ben note nella tecnica e pertanto non verranno oltre spiegate.-Per quanto riguarda la determinazione di detta componente reattiva, basterà' misurare l'impedenza totale Z e l'angolo di sfasamento "f" tra la corrente e la tensione presente ai capi di detta bobina emettitrice secondo modalità' note, e quindi calcolare detta componente reattiva
che e' uguale al seno dell'impedenza totale,
Sara' ora evidente all'esperto che l'invenzione si distingue da tutta la tecnica nota anche per il fatto che mentre in quella vengono utilizzate almeno due bobine, una trasmittente ed una ricevente, secondo la presente invenzione si utilizza una sola bobina; inoltre la modalità' di funzionamento e' completamente differente, poiché' secondo la presente invenzione la temperatura del cristallizzatore viene correlata alla componente reattiva dell'impedenza dell'unica bobina, e non alla relazione tra le fasi nelle due bobine secondo la tecnica nota.-Con rif. alla fig- 5, la forma piu' vantaggiosa di detta bobina emettitrice risulta essere quella piu' appiattita possibile; tale soluzione permette la massima sensibilità', poiché' naturalmente le spire piu' lontane sono le meno interessate dal campo elettromagnetico secondario, e quindi e' desiderabile che tutte le spire siano il piu' vicino possibile al cristallizzatore.-Con rif. alla fig. 6, e' anche preferibile che l'altezza "h" della bobina sia circa uguale alla variazione possibile in altezza del livello del menisco, perche' e' proprio la temperatura di quella porzione di cristallizzatore che si vuole misurare, e quindi una altezza della bobina superiore provocherebbe ina .indesiderata perdita di sensibilità'.-Infine, con rif. alla fig. 7, per quanto riguarda la forma della bobina, e' desiderabile che essa presenti una altezza superiore a 30 mm., e una lunghezza superiore a 50 mm. in modo da raccogliere piu' segnale e quindi migliorare il rapporto segnale/rumore
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI 1) Dispositivo per la misurazione del superficiale o menisco (6) di un bagno (5) di metallo fuso in un contenitore di raffreddamento, particolarmente atto ad essere impiegato quando detto contenitore e' costituito da una lingottiera comprendente un cristallizzatore (1), in un processo di colata continua, e dotato di una sorgente di un campo elettromagnetico, caratterizzato dal fatto che detta sorgente di campo elettromagnetico e' realizzata con una bobina emettitrice (9), alimentata da un generatore di energia elettrica a frequenza prefissabile, e che l'informazione sull'altezza di detto livello di liquido e' ottenibile con l'elaborazione dello sfasamento tra la tensione del segnale elettrico e il passaggio di corrente in detta bobina emettitrice.- 2) Dispositivo secondo la riv. 1, caratterizzato dal fatto che detta elaborazione comprende la misura della sola componente reattiva dell'impedenza di detta bobina emettitrice. 3) Dispositivo secondo la riv. 1 oppure 2, caratterizzato dal fatto che detta bobina emettitrice (9) e' sostanzialmente appiattita. 4) Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'altezza (h) della bobina emettitrice (9) e' sostanzialmente simile alla ampiezza della variazione in altezza della zona di contatto de.l menisco rispetto a detto cristallizzatore.- 5) Dispositivo secondo la riv. 4, caratterizzato dal fatto che l'altezza della bobina emettitrice e' maggiore di 30 mm •/ e la lunghezza e' maggiore di 50 mm.- 6) Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 in poi, caratterizzato dal fatto che sono provvisti mezzi logici di memorizzazione, di comparazione e di identificazione atti a confrontare detta componente reattiva dell'impedenza di detta bobina emettitrice rispetto ad una pluralità' di valori contenuti in una base-dati pre-memorizzata, a ciascuno dei quali sono associati rispettive informazioni correlate con l'altezza il livello di detto bagno fuso, e a selezionare e produrre in modo sostanzialmente continuo l'informazione correlata con quel- valore di detta base-dati corrispondente a quella componente reattiva appena misurata. 7) Dispositivo secondo una qualsiasi rivendicazioni precedenti, caratterizzato che detto generatore di energia elettrica a frequenza prefissabile e' un generatore pilotato in corrente . - 8 ) Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 7, caratterizzato dal fatto che detta bobina emettitrice (9) e' contenuta all'interno di una camicia esterna (7) di fluido raffreddamento di detto cristallizzatore (1) ed e preferibilmente disposta su una parete esterna (10) di questo.
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