Методы и устройства для контроля уровня расплава в печи

Радиоактивный метод. Для индикации уровня жидкого металла в металлургической промышленности в последнее время широко применяют радиоизотопные гамма-реле, схема монтажа которых определяется конкретными условиями технологического процесса.

Так, в работе сообщают об опробовании метода контроля уровня шлака в горне доменной печи при помощи радиоактивных изотопов. Схема установки излучателя и счетчика в горне доменной печи показана на рис. 53. В шлаковую летку 1 в охлаждаемой трубке устанавливают радиоактивный датчик 2. В воздушной фурме 3 в охлаждаемой трубке размещают счетчик 4. соединенный с пересчетной установкой 5. Интенсивность излучения, фиксируемая фурменными счетчиками, зависит от высоты слоев шлака и кокса, находящихся на пути пучка гамма-лучей между шлаковыми и воздушными фурмами. При повышении уровня шлака в горне поглощение излучения увеличивается и интенсивность ослабляется пропорционально изменению уровня. Для каждой нары шлаковой и воздушной фурм на основании экспериментальных данных составляли градуировочную таблицу, по которой определяли уровень продуктов плавки в горне.

Опыт применения радиационных датчиков уровня в черной металлургии позволяет предположить о принципиальной возможности контроля уровня ванны в PTП при помощи радиоактивных приборов. Однако следует отметить, что применение указанного метола в условиях рудной электроплавки медно-никелевого сырья осложняется большой агрессивностью шлака, а также наличием корок на поверхности ванны и настылей у торцовых стенок печи.

Ультразвуковой метод. Для измерения уровня расплавленного металла и шихты в металлургических агрегатах также применяют ультразвуковые уровнемеры, работа которых основана на принципе локации сверху.

Вырабатываемые генератором электрические колебания формируются передающим преобразователем в электроакустические и излучаются внутрь агрегата в направлении раздела газ — расплав. Отраженные от границы раздела колебания принимаются и трансформируются приемным электроакустическим преобразователем и поступают в усилитель. Время прохождения сигнала по акустическому тракту, пропорциональное расстоянию от свода до поверхности расплава либо шихты, измеряется специальной электронной схемой. Измеренное значение уровня регистрируется вторичным прибором.

При использовании ультразвуковых уровнемеров в металлургических агрегатах существенную роль играет температурная и концентрационная погрешность прибора. Как известно, температурная погрешность прибора, построенного по методу акустической импульсной локации через газ, определяется изменениями скорости звука в связи с изменениями температуры газа. Концентрационная погрешность измерений определяется изменениями концентрации составляющих газовой среды. При измерении уровня шихты в шахтной печи для предохранения преобразователя от загрязнения и предотвращении конденсации паров воды в патрубок-волновод непрерывно подается воздух, что существенно улучшает условия работы преобразователя, а также позволяет уменьшить температурную и концентрационную погрешность прибора.

Измерение уровня расплава в печи при помощи ультразвуковых датчиков возможно только при наличии участка с постоянно чистым зеркалом ванны. В руднотермической печи для плавки медно-никелевых руд при существующей системе загрузки печи шихтой практически вся поверхность расплава закрыта шихтовыми кучами. Кроме того, в руднотермической печи в результате сильных электрических и магнитных полей уровень помех может быть недопустимо высоким. Указанные обстоятельства ставят под сомнение возможность применения ультразвуковых уровнемеров в руднотермических печах.

В работе приведены примеры применения ультразвуковых приборов для определения границы раздела двух сред. Определить границу шлака и штейна в руднотермической печи при помощи ультразвукового прибора невозможно, так как акустические сопротивления шлака и штейна весьма близки по величине.

Термоэлектрический метод. Из других бесконтактных методов измерения уровня определенный интерес представляет метод контроля уровня жидкого металла при помощи тепловых датчиков. В ГДР разработан термоэлектрический способ измерения уровня жидкого металла в установках непрерывной разливки стали, основанной на том, что температура стенок кристаллизатора по его высоте зависит от уровня жидкого металла.

Для контроля температуры по высоте кристаллизатора в его стенку с определенными интервалами ввинчивают термозонды, представляющие собой термопары, закрепленные в специальном держателе. Термоэлектродвижущая сила Ut термопары замеряется соответствующим прибором. Сравнивая Ut с эталонной э. д. с. (Uэ), которая соответствует температуре, а следовательно, и уровню металла, можно установить, до какого зонда дошел уровень металла. В термоэлектрическом уровнемере (рис. 54) каждый термозонд l присоединен к контакту обегающего устройства 2, который подключает соответствующий термозонд к источнику эталонной э. д. с. 3. Разность напряжений (Ut-Uэ) подается на усилитель 4. Нa выходе усилителя включен электродвигатель 5, напряжение вращения которого зависит от знака сигнала рассогласования. Электродвигатель перемещает коммутатор обегающего устройства до тех пор, пока рычаг его не остановится на контакте с последним термозондом, до которого дошел жидкий металл. Коммутатор связан с указателем 6, показывающим уровень расплава.

Рассматривая возможность применения термоэлектрического уровнемера в руднотермической печи следует учитывать значительную толщину футерованной стенки печи, а также наличие настылей у стенок, что значительно снижает чувствительность замера.

Электроконтактный метод. Предложен ряд устройств для измерения уровня расплава в металлургических печах электроконтактным методом, где в качестве датчиков используют измерительные электроды (ИЭ), вводимые в печь до контакта с расплавом.

В работе описан уровнемер для измерения уровня электропроводного расплава контактным способом при помощи ИЭ, выполненных из материала с высоким электрическим удельным сопротивлением и малым электрическим температурным коэффициентом. Оба электрода закреплены в одном электрододержателе и могут перемешаться в вертикальной плоскости при помощи электродвигателя. Релейный блок обеспечивает перемещение ИЭ в соответствии с изменением уровня ванны так, чтобы электроды своими концами всегда касались поверхности ванны. С электрододержателем связан реостатный датчик, величина сопротивления которого пропорциональна расстоянию от электрододержателя до иода печи. Общее сопротивление электродов пропорционально расстоянию от электрододержателя до поверхности расплава.

Показания автоматического электронного моста пропорциональны разности значений этих сопротивлений, т. е. уровню ванны. Применение в уровнемере дифференциального метода измерения позволяет исключить ошибку в показаниях прибора вследствие изменения длины электродов при их обгорании. Измерительная схема уровнемера испытана только в лабораторных условиях па водяной модели печи. Для промышленных РТП, перерабатывающих медно-никелевые руды, рассмотренный уровнемер не пригоден по следующим причинам: при опускании в процессе замера электродов в расплав па их поверхность налипает корка, которая значительно изменяет величину их сопротивлений; при наличии на поверхности расплава шлаковой корки, сопротивление которой соизмеримо с сопротивлением электродов, результаты замера могут быть искажены.

Во ВНИИцветмете разработан уровнемер расплава, основанный на контактном методе измерения уровня (рис. 55). ИЭ 1, выполненный из проводящего материала, перемещается в вертикальной плоскости при помощи электродвигателя 2. Релейная следящая система 3 обеспечивает перемещение ИЭ так, чтобы он всегда касался шлаковой ванны, не отрываясь от верхнего ее уровня. Измерение уровня расплава осуществляется при помощи реостатного датчика 4, связанного с положением ИЭ через редуктор. Реостатный датчик включен в мостовую измерительную схему вторичного прибора 5, отградуированного в единицах длины.

В схему введена автоматическая компенсация обгорания ИЭ посредством периодического контроля его длины при помощи фотореле 6. ИЭ поднимается из печи, в момент прохождения его раскаленного конца точки установки датчика срабатывает фотореле, и электрод останавливается. При помощи электрической мостовой схемы сравнивается фактическая длина ИЭ с первоначальной и по разности их в измерительную схему автоматически вводится поправка на обгорание электрода.

Рассмотренный уровнемер может быть использован также для раздельного измерении уровней компонентов расплава. Измерение уровней раздела осуществляется по скачкообразному изменению градиента проводимости, происходящему при переходе ИЭ через границу раздела компонентов расплава. Для этой цели в цепь электрода 1 включен прибор контроля градиента проводимости 7 (рис. 55), который через релейный блок 8 выдает импульсы для регистрации уровней раздела компонентов расплава на диаграммной лепте вторичного прибора 5.

Описанный уровнемер прошел производственные испытания на опытно-промышленной PTП свинцовой плавки. Разработка и выпуск промышленных образцов уровнемера не были организованы.