Способ контроля технологического процесса непрерывной разливки металла и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к технике измерения в металлургии, а именно в технологическом процессе непрерывной разливки металла. Целью изобретения является повышение оперативности и достоверности контроля технологического процесса. Цель достигается тем, что в способе пирометрического многоцветного измерения температуры поверхности непрерывноотливаемого слитка съем излучения производится в местах наиболее вероятного трещинообразования непосредственно в зоне первичного охлаждения в кристаллизаторе волоконными световодами, охлаждаемыми благодаря тепловому контакту с охлаждаемыми рабочими стенками кристаллизатора. Устройство, реализующее способ, содержит волоконно-оптический зонд, соединенный волоконными световодами с многоцветным пирометром, выходной сигнал которого служит для выявления трещин и управления параметрами технологического процесса, причем зонд размещается в кристаллизаторе посредством теплопроводной матрицы и его охлаждение через тепловой контакт со стенками обеспечивает снижение собственного излучения световодов. Изобретение может быть использовано в системах контроля технологических процессов непрерывного литья металлов. 2 с.п. ф-лы., 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технике измерения в технологическом процессе непрерывной разливки металла и может быть использовано в системах оперативного контроля и автоматического управления для определения рационального режима ведения технологического процесса непрерывной разливки с целью достижения максимально возможной производительности разливки и уменьшения числа прорывов металла под кристаллизатором при высоком выходе годной продукции за счет непоcредственного измерения температуры поверхности слитка в зоне его первичного охлаждения, выявления трещин слитка еще до его выхода из кристаллизатора машины непрерывной разливки металла.

Известен способ получения информации о характере процесса формирования оболочки непрерывного слитка в кристаллизаторе по усилию вытягивания слитка из кристаллизатора и устройство для реализации этого способа, в котором в качестве измерителей усилия вытягивания используются тензометрические или магнитострикционные силоизмерительные датчики (см., например, [1] Попандопуло И.К., Михневич Ю.Ф. Непрерывная разливка стали. - М.: 1990, с.273).

Недостатком такого способа является неоднозначность получаемой информации, поскольку величина усилия вытягивания слитка зависит от состояния стенок кристаллизатора, подачи смазки и других факторов. Кроме того, на современных машинах непрерывной разливки, где используются качающиеся кристаллизаторы, усилие вытягивания доступно измерениям только при противоходе кристаллизатора. Таким образом, при использовании этого метода контроля за параметрами технологического процесса выявить трещины в слитке по данным измерений нельзя. О возрастании вероятности трещинообразования косвенно судят по увеличению силы вытягивания слитка, однако такие суждения не всегда достоверны, поскольку не всякое трещинообразование сопровождается увеличением силы вытягивания и наоборот - увеличение силы вытягивания не всегда вызывает появление трещин. Метод не обеспечивает оперативности управления технологическим процессом по параметру трещинообразования.

Известен способ автоматического регулирования теплового режима кристаллизатора машины непрерывного разлива металла, который основан на измерении температуры охлаждающей воды в кристаллизаторе. Температура воды на входе и выходе из кристаллизатора измеряется термометрами сопротивления с последующим алгебраическим суммированием сигналов от датчиков температурного перепада, а истинная температура непрерывноотливаемого слитка для целей системы автоматического управления измеряется только в зоне вторичного охлаждения [1, 282].

Недостаток этого метода в его достаточно большой инерционности, а также в том, что при его использовании о режиме первичного охлаждения слитка информация поступает только в косвенной форме через усредненную температуру кристаллизатора, тогда как основной интерес представляет температура поверхности слитка.

Известен способ измерения действительной температуры объектов двухцветным (или многоцветным) пирометром спектрального отношения (Основные понятия и современные методы измерения температур. Т.3. Ч.1. Под ред. А.Н.Гордова и И.В.Подмошенского. - М.: 1967, с.227-232). Излучение объекта, температура которого подлежит измерению, подается на входную щель оптического монохроматора, механической системой сканирования которого выделяются наперед заданные длины волн, отношение интенсивности которых измеряется одним фотоприемником в последовательные моменты времени.

Основным недостатком конструкции пирометра является наличие механического сканирования и необходимость его механической перестройки и смены специальной маски при изменении выбора длин волн, что ухудшает точность измерений, поскольку принуждает вести не на оптимальных для остывшего до данной температуры слитка длинах волн, а на тех, которые оказываются наперед заданными конструкцией пирометра. Кроме того, этот пирометр не допускает одновременного измерения температуры поверхности объекта в нескольких точках, что делает невозможным его использование для выявления трещин. Этот пирометр из-за относительно больших габаритов не может использоваться в труднодоступных местах или в непосредственной близости от высокотемпературных технологических установок.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ и устройство измерения температуры в металлургическом процессе пирометрического типа на волоконных световодах.

Указанный способ заключается в пирометрическом определении на двух длинах волн распределения температуры на поверхности нагретого слитка в зоне вторичного охлаждения с последующей обработкой данных о температуре.

Недостаток способа состоит в том, что измерения выполняются на сформированном слитке, который уже поступил в зону вторичного охлаждения, где происходит выравнивание температуры внутренних частей слитка с температурой его поверхности. Таким образом, в зоне вторичного охлаждения яркостная температура трещин приближается к яркостной температуре поверхности и выявление трещин становится сначала затруднительным, по мере выравнивания распределения температуры в объеме слитка - и принципиально невозможным. Кроме того, проведение измерений в зоне вторичного охлаждения может дать информацию только об уже сформировавшихся трещинах и в результате не достигается требуемая достоверность и оперативность управления технологическим процессом.

Устройство, реализующее этот способ измерений, содержит волоконно-оптический зонд, связанный волоконно-оптическим жгутом с оптическим сканером. Оптический зонд состоит из термостойких кварцевых стержней, расположенных в ряд таким образом, чтобы излучение из разных точек нагретой поверхности слитка попадало на их торцы и, пройдя стержни, вводилось в волоконные световоды, образующие волоконно-оптический жгут. Зонд имеет систему воздушного охлаждения. Выходные торцы световодов жгута расположены перед системой оптикомеханического сканера таким образом, чтобы излучение из каждого волоконного световода при механическом сканировании поочередно попадало на вход спектрального прибора, представляющего собой систему измерения температуры по методу двух цветов, состоящую из светоделительного зеркала и двух фильтров, за которыми расположены фотоприемники, выход которых через блок обработки сигналов фотоприемников соединен с блоком анализа данных, предназначенным для вычисления истинной температуры поверхности слитка.

Устройство работает следующим образом. Излучение, испускаемое различными точками поверхности горячего слитка во вторичной зоне охлаждения, воспринимается оптическим зондом и по оптическому жгуту передается к оптико-механическому сканеру, который последовательно во времени передает излучение с каждого световода на вход спектрального прибора системы измерения температуры по методу двух цветов.

Наличие механического оптического переключателя снижает как надежность измерителя, так и его быстродействие, а значит, учитывая движение отливки, и пространственное разрешение на ее поверхности. Кроме того, для волоконно-оптических пирометрических зондов принципиально важно, чтобы температура чувствительного волоконного световода в процессе измерений оставалась достаточно низкой, с тем чтобы собственное излучение нагретого материала волоконных световодов давало пренебрежимо малый вклад в сигнал фотоприемника. Это требует интенсивного охлаждения волоконных световодов на приемном конце волоконно-оптического зонда: воздушного или водяного. Из-за системы охлаждения габариты зонда значительно возрастают.

Целью изобретения является повышение оперативности и достоверности контроля технологического процесса непрерывной разливки металла.

Цель достигается тем, что в известном способе контроля непрерывной разливки металла, включающем измерение двухцветным пирометром температуры непрерывноотливаемого слитка путем восприятия и передачи теплового излучения на фотоприемники волоконными световодами, измерение температуры поверхности слитка производится в зоне первичного охлаждения.

В основе способа контроля процесса непрерывной разливки металла лежит зависимость локальной температуры поверхности от толщины образующейся корочки слитка, затвердевающего в первичной зоне охлаждения. Места зарождающихся трещин характеризуются повышенной температурой, приближающейся к температуре жидкой сердцевины слитка, тогда как области бездефектной кристаллизации характеризуются более низкой температурой. Причем в зоне первичного охлаждения разность температур между участками образующихся дефектов и бездефектными участками максимальна, а по мере остывания слитка и утолщения корочки эта разность температур уменьшается, выравниваясь до полного исчезновения в зоне вторичного охлаждения. Так, например, при непрерывной разливке стали температура поверхности слитка в пределах зоны первичного охлаждения изменяется от температуры жидкого металла (не выше 1900 К) до температуры, характерной для входа в зону вторичного охлаждения (не ниже 1100 К).

Максимальная чувствительность способа выявления трещинообразования достигается соответствующим выбором длины волны λ_o , на которой ведется регистрация и которая обеспечивает максимальную зависимость потока излучения от изменений температуры. Адекватные измеряемому диапазону температур значения могут быть найдены из модифицированной формы уравнения Планка для спектрального распределения лучистой энергии как функции температуры: dE= ε(λ)AI(λ, T)dλ= ε(λ)ACexp -1dλ, (1) где dЕ - лучистая энергия, излучаемая в единицу времени в интервале длин волн dλ; ε(λ) - спектральный коэффициент черноты излучения; А - площадь, излучающая лучистую энергию; I(λ, T) - энергия, излучаемая в единицу времени с единицы площади в единичном интервале длин волн внутри телесного угла 2 π; λ - длина волны; Т - абсолютная температура; С₁ = 3,7418 ˙ 10^-16 Вт ˙ м²; С₂ = 1,43879˙ 10^-2 м ˙ К.

Оценки на основе (1) показывают, что для диапазона измеряемых температур поверхности слитка 900-1600 К значение λ_o должно находиться в пределах от 0,6 до 0,7 мкм. Тогда при ширине спектрального пропускания регистратора Δ λ = 0,1 мкм излучение, собранное с площадки диаметром 0,25 мм на поверхности нагретого до Т = 1273 К слитка, составляет dE ≈ 10^-7 Вт, причем изменение температуры Т на 1% вызывает изменение потока излучения dE на 20% . Чтобы достичь такой же чувствительности при температуре слитка выше 1600 К значение λ_oдолжно выбираться в дипазоне 0,4-0,5 мкм. Далее оценки показывают, что по мере остывания слитка значение оптимальной волны регистрации λ_oувеличивается, а зависимость потока теплового излучения dE от температуры Т становится более слабой, сходя практически на нет при температурах, характерных для зоны вторичного охлаждения.

Для достоверного выявления трещин в затвердевающей корочке слитка необходимо определять температуру малых участков безотносительно к их излучательной способности ε (λ) , зависящей как от состояния поверхности этих малых участков, так и от ее микрогеометрии (углубление или выпуклость). Такую возможность открывает метод измерения отношения интенсивностей: R = = , (2) где Е₁ и Е₂ - энергия, испускаемая поверхностью слитка на длинах волн λ₁ и λ₂ в спектральных интервалах Δ λ₁ и Δ λ₂
С учетом закона Вина из (2) следует:
R = exp - . (3)
Откуда решение относительно температуры Т:
T=C - ln R. (4)
Для практически важного случая непрерывной разливки стали, когда разность температур между поверхностью нормально остывающей корочки слитка и кратером зарождающейся трещины достигает десятков и сотен градусов, достаточным оказывается измерение интенсивности теплового излучения только на двух длинах волн λ₁ и λ₂. При необходимости повысить точность измерений используются данные, полученные на трех длинах волн λ₁, λ₂ и λ₃. Оценки эффективности заявляемого способа показывают, что дальнейшее увеличение количества спектральных каналов, усложняя реализующие способ устройства, не дает существенного выигрыша в точности определения локальной температуры слитка. Таким образом для реализации способа выбираются два или три спектральных канала.

Следовательно, измерение распределения температуры на поверхности слитка именно в зоне первичного охлаждения, повышая оперативность и достоверность контроля технологического процесса непрерывной разливки металла, обеспечивает достижение поставленной цели.

Устройство, реализующее заявляемый способ контроля, содержит волоконно-оптический зонд, связанный передающими волоконными световодами со входом спектрального прибора, выход которого через блок обработки сигналов фотоприемников и блок анализа данных соединен с системой управления технологическими параметрами процесса непрерывной разливки металла. Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что волоконно-оптический зонд для съема излучения с поверхности разогретого слитка выполнен в виде набора волоконных световодов, помещенных в теплопроводящую матрицу, находящуюся в тепловом контакте с охлаждаемыми стенками кристаллизатора и размещенную в нем в местах наиболее вероятного трещинообразования. При этом входные торцы волоконных световодов обращены к излучающей поверхности слитка и заглублены по отношению к рабочей поверхности кристаллизатора на глубину не более 1,5 мм.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства контроля технологического процесса непрерывной разливки металла; на фиг.2 - схематическое изображение предлагаемого волоконно-оптического зонда; на фиг.3 - схема размещения волоконно-оптического зонда в толстостенном сборном кристаллизаторе.

Устройство контроля процесса разливки металла (фиг.1) содержит волоконно-оптический зонд 1, встроенный в кристаллизатор 2 машины непрерывной разливки металла 3, собирающий тепловое излучение непрерывноразливаемого слитка 4 и связанный передающими волоконными световодами 5 с входной плоскостью или щелью 6 спектрального прибора 7, построенного, например, в виде дифракционного монохроматора по схеме Черни-Турнера, в котором излучение собирается входным зеркальным объективом 8 и направляется на дифракционную решетку 9, а с нее - выходным объективом 10 на линейки или матрицы фотоприемников 11 (D₁¹, D₁², ..., D₁^m), (D₂¹, D₂² ..., D₂^m), ... (D_n¹, D_n²,..., D_n^m), размещенных в плоскости спектра прибора 7, сигналы с которых поступают на блок обработки сигналов фотоприемников 12, информация с которого по входу 1 поступает в блок анализа данных 13, по входу 2 которого поступают данные о скорости вытяжки слитка, и с выхода которого информация поступает на вход системы 14 управления технологическими параметрами процесса непрерывной разливки.

Волоконно-оптический зонд 1, соединенный передающими волоконными световодами 5 с входной плоскостью или щелью 6 спектрального прибора (фиг.2), состоит из медной матрицы 15, в отверстиях 16 которой располагаются входные торцы 17 (f₁^вх, f₂^вх, ...f_n^вх) волоконных световодов 5, тогда как выходные торцы этих же световодов (f₁^вых, f₂^вых,... f_n^вых) располагаются в отверстиях 18 направляющей обоймы 19 входной щели 6. (Благодаря малому диаметру световодов применение входной щели 6 не является обязательным - направляющая обойма может непосредственно размещаться во входной плоскости спектрального прибора).

Матрицы волоконно-оптического зонда 1 размещаются в кристаллизаторе 2, например, в толстостенном сборном, (фиг.3), горизонтально 20 в зазоре между верхней 21 и нижней 22 частями узкой стенки кристаллизатора, а также вертикально 23 в зазоре между широкой 24 и узкой 21 и 22 стенками кристаллизатора, с проходящими внутри них каналами 25 для охлаждающей жидкости.

Работа устройства основана на точном измерении локальной радиационной температуры поверхности формирующегося слитка в зоне первичного охлаждения (т. е. непосредственно в кристаллизаторе машины непрерывной разливки металла), нахождении истинной температуры, выявлении зарождающихся трещин и выдаче сигналов управления технологическим процессом непрерывной разливки металла, причем температура приемных концов световодов не поднимается выше 473 К, благодаря тепловому контакту с охлаждаемыми рабочими стенками кристаллизатора.

Устройство работает следующим образом. Тепловое излучение покрытого тонкой затвердевающей корочкой слитка 3 через входные торцы волоконно-оптического зонда 1 вводится в передающие волоконные световоды 5. По передающим волоконным световодам 5 тепловое излучение передается к входной плоскости 6 спектрального прибора 7. Претерпев спектральное разложение, излучение регистрируется набором 11 фотоприемников (D₁¹, D₁², ...D₁^m), (D₂¹, D₂², ... D₂^m), . .. (D_n¹, D_n², ...D_n^m). Причем выходные торцы волоконных световодов f₁^вых, f₂^вых, ...f_n^вых и фотоприемники расположены так, что излучение торца f₁^вых, претерпев спектральное разложение, на первой длине волны λ_o⁽¹⁾ попадает на фотоприемник D₁¹, на второй длине волны λ_o⁽²⁾ - на фотоприемник D₂² и, если это необходимо, на m-й длине волны λ₁(^m) - на фотоприемник D₁^m. Сигналы фотоприемников поступают в блок обработки 12, где по соотношению (4) отыскивается текущее значение температуры Т₁ поверхности слитка на участке, попадающем в поле зрения входного торца f₁^вх. Это значение Т₁поступает в блок анализа данных 13. Излучение поверхности слитка, захваченное входной апертурой световода f₂^вх, с выхода f₂^вых после спектрального разложения попадает на фотоприемники D₂¹, D₂²,...D₂^m и по их сигналам отыскивается текущее значение температуры Т₂, которое также поступает в блок анализа данных 13. Аналогично обрабатывается излучение и со всех остальных n световодов.

В блоке анализа данных 13 осуществляется слежение за текущей температурой по всем волоконным каналам. В случае обнаружения аномального повышения температуры, длительность которого отвечает типичной ширине трещины с учетом скорости вытяжки, осуществляется слежение за выявленной аномалией через другие каналы по схеме задержанных совпадений, запаздывание в которых определяется текущей скоростью вытяжки. В случае подтверждения существования трещины информация об этом поступает на систему 14 управления параметрами процесса непрерывной разливки металла, где принимается адекватное ситуации решение (например, о забраковке участка слитка, изменении скорости разливки и т.п.).

Максимальная чувствительность устройства по выявлению трещинообразования достигается соответствующим выбором длины волны λ_o, на которой ведется регистрация и которая обеспечивает максимальную зависимость потока излучения от изменений температуры [см. соотношение (1) и оценки на его основе) при сохранении хорошего пропускания излучения волоконными световодами.

Выбор материала волоконных световодов и типа фотоприемников определяется пределами изменения температуры поверхности слитка в кристаллизаторе. Это определяет применение кварцевых волоконных световодов, диапазон прозрачности которых, простираясь 0,4-2,0 мкм, допускает измерение температур 700-2300 К, а также кремниевых фотоприемников, обычно используемых для регистрации температуры тел, нагретых выше 900 К.

Выше указывалось, что по мере остывания слитка значение оптимальной волны регистрации λ_o увеличивается, а зависимость потока теплового излучения dE от температуры Т становится более слабой, сходя практически на нет при температурах, характерных для зоны вторичного охлаждения и это обстоятельство учитывается в конструкции устройства путем выбора такого взаимного расположения вдоль оси дисперсии выходных торцев волоконных световодов f₁^вых, f₂^вых, . ..f_n^вых во входной плоскости спектрального прибора и отвечающих каждому из них набора фотоприемников (D₁¹, D₁²,...D₁^m), (D₂¹, D₂²,.. .D₂^m), ... (D_n¹, D_n²,...D_n^m) в плоскости спектра, чтобы по мере регистрации излучения все более остывающего слитка значение λ_o сдвигалось к более длинным волнам. Как вариант наиболее простой конструкции используется фиксированное расположение выходных торцев f₁^вых, f₂^вых, ...f_n^вых вдоль входной щели спектрального прибора и фиксированное расположение матрицы фотоприемников в плоскости спектра. Электронным переключением выбирается оптимальная волна регистрации. Если условиться, что номер входного торца f₁^вх, f₂^вх,... f_n^вх возрастает по ходу слитка (т.е. по мере снижения средней температуры его поверхности), то соответствующие элементы f₁^вых, f₂^вых,...f_n^вых и (D₁¹, D₁², D₁²,...D₁^m), (D₂¹, D₂², ...D₂^m), ... (D_n¹, D_n², ...D_n^m) юстируются (во втором варианте - переключаются) таким образом, что рабочая длина волны λ_o увеличивается по мере роста номера световода 1, 2...n [см. (1) и последующие оценки].

Оценки эффективности работы устройства показывают, что увеличение числа спектральных каналов, усложняя устройство, не дает существенного выигрыша в точности определения локальной температуры слитка. Таким образом, для работы устройства выбираются два или три спектральных канала. Т.е. количество m используемых для измерений линеек или столбцов в матрице фотоприемников (D₁¹, D₁², ...D₁^m), (D₂¹, D₂², ...D₂^m), ... (D_n¹, D_n^2, ...D_n^m) принимается равным m = 2 или m = 3. При этом, как показывают расчеты по формулам (1), (3), (4) и не слишком жестких требованиях на шумовые характеристики и чувствительность фотоприемников обеспечивается разрешение по температуре не хуже 1 К в диапазоне температур 800 К - 2000 К при регистрации сигнала в полосе частот 50 кГц.

Цель изобретения - повышение оперативности и достоверности контроля технологического процесса непрерывной разливки металла достигается благодаря решению проблем, связанных с выводом излучения из зоны первичного охлаждения слитка, и высокому пространственному и временному разрешению устройства.

Размещение входных торцов f₁^вх, f₂^вх, ...f_n^вх волоконных световодов в матрице из высокотеплопроводного материала (например, из меди), которая находится в тепловом контакте с охлаждаемыми стенками кристаллизатора, позволяет решить три технические проблемы, связанные с выводом излучения из зоны первичного охлаждения слитка: во-первых, гарантировать механическую прочность оптического приемного узла и обеспечить удобство эксплуатации, во-вторых, исключить паразитное влияние на результаты измерения собственного теплового излучения материала световодов за счет их эффективного охлаждения, и, в-третьих, открыть оптический доступ к поверхности слитка, формируемого в кристаллизаторе. Решение первой проблемы гарантируется конструкцией медной матрицы, в которую жестко заделываются (запрессовкой или вклеиванием) приемные концы световодов или оптически прозрачные стержни, например, из кварца или сапфира, которые затем соединяются (разъемно - оптическими соединителями или неразъемно - сваркой) с соответствующими световодами волоконно-оптического жгута 5.

Вторая проблема - подавление собственного излучения световодов, решается благодаря хорошему тепловому контакту по большой площади между медной матрицей 13 и охлаждаемыми стенками кристаллизатора, средняя температура рабочей поверхности которых даже вблизи зеркала металла равна 373-393 К. Температура стенки кристаллизатора в 2 мм от поверхности, обращенной к металлу, повышается только время от времени на короткий срок до температур не выше 473 К [1, с.163-164]. Оценки в соответствии с законом Стефана-Больцмана показывают, что если приемные концы световодов принимают температуру стенок кристаллизатора, то по отношению к интенсивности излучения слитка собственное излучение материала световода не превышает 1%.

При решении третьей проблемы - получении оптического доступа к поверхности слитка в кристаллизаторе, важную роль играет то обстоятельство, что из-за большого поверхностного натяжения жидкого металла даже в наиболе критичной по отношению к герметичности и гладкости стенок кристаллизатора области зеркала жидкого металла допускается наличие зазоров между стенками кристаллизатора до (0,3-0,4) мм, а также углублений не более 1,5 мм. Вдали от зеркала металла, именно в той области формирования слитка, где имеет место наиболее интенсивное образование трещин, сформировавшаяся поверхность слитка отделена от стенок кристаллизатора зазором благодаря усадке металла [1, с. 121-122, 169]. В этой части кристаллизатора ограничения на величину зазора и глубину выемки могут быть еще более слабыми. Учет указанных физических явлений, имеющих место при непрерывной разливке металла, позволяет определить следующие конструктивные характеристики волоконно-оптического зонда: толщина матрицы δ ≅ 1,5 мм, диаметр световодноприемных отверстий d ≅ 1 мм, глубина расположения светоприемных торцев δ x ≈ 1,0-1,5 мм. Полученные ограничения на геометрические размеры матрицы не являются с точки зрения конструирования оптического зонда слишком жесткими, значительно превышая типичный диаметр кварцевого волоконного световода 125-200 мкм.

Пространственное разрешение устройства по измерению температуры определяется числовой апертурой приемного световода и расстоянием от него до поверхности слитка. Для типичных промышленных кварцевых световодов с числовой апертурой NA ≈ 0,5-0,6 диаметр площадки, с которой собирается излучение в световод, примерно равен расстоянию от его торца до нагретой поверхности. С учетом заглубления приемного торца δ x и величины зазора между слитком и стенками кристаллизатора разрешение составляет δ l ≈ 3 мм.

При типичных скоростях вытяжки слитка V = (1,66-27) ˙10^-3 м/с и частотах качания кристаллизатора от ν = (0,33-2,0) с^-1 граница минимальной длительности сигнала повышения температуры τ_мин может быть определена как частное от деления минимального элемента разрешения δ l на десятикратное значение максимальной скорости вытяжки. Оценки показывают, что даже в предположении самого неблагоприятного сочетания параметров технологического процесса, длительность сигнала повышения температуры не становится короче τ_мин > 0,01 с, что намного больше собственного быстродействия устройства. По мере вытяжки слитка, когда движения качания кристаллизатора усредняются, временная задержка Δ t между сигналами повышения температуры в двух соседних каналах составляет Δ t = =Δ/V. Выбор расстояния между соседними каналами Δ , превышающего амплитуду качания кристаллизатора, исключает одновременную выдачу устройством сигнала о повышении температуры, отвечающего одному и тому же дефекту поверхности слитка. Однако для повышения достоверности регистрации дефектов целесообразно увеличивать количество каналов регистрации, применив схемы совпадения не для соседних каналов, а для каналов, отстоящих друг от друга на расстояния, которые превышают амплитуду качания кристаллизатора. При выбранном расстоянии Δ = 1-3 см временная задержка между соседними каналами Δ t ≈ 1-10 с, задержка между удаленными каналами оказывается, как правило, больше 10 с, что открывает возможность для надежного усреднения сигналов, например, с постоянной времени 0,5-2 с, повышающего достоверность выявления дефектов поверхности слитка.

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна" и "существенные отличия".

Собран макет устройства. В оптическом зонде и для передачи излучения использовалось 10 многомодовых кварцевых световодов с диаметром световедущего сердечника 50 мкм и внешним диаметром 150 мкм, которые передавали излучение нагретого слитка на расстояние 25 м на входную щель дифракционного монохроматора. В плоскости спектра дифракционного монохроматора была помещена кремниевая ПЗС-матрица 256х256, сигналы которой обрабатывались микропроцессором, причем данные о температуре выдавались с периодичностью 25 отсчетов/с на каждый канал. Разрешение по температуре составило 0,5 К при средней температуре объекта 1200-1600 К. При этом заключенные в медной матрице приемные торцы волоконных световодов эффективно охлаждались, не давая доступной регистрации фонового теплового излучения, которое могло бы помешать измерениями в указанном выше диапазоне температур. Эксперименты показали, что метод позволяет выявлять зарождение трещин шириной 1,5-2 мм в слитке и с опережением (еще до выхода слитка из кристаллизатора) принимать решения об изменении параметров технологического процесса. При этом для повышения надежности измерений в части исключения ложных сигналов о трещинах собирающие излучение торцы световодов должны располагаться с шагом 1-2 см. Суммирование задержанных на время вытяжки слитка между ними сигналов четырех соседних каналов позволяет примерно вдвое снизить вероятность ложных сообщений о трещинах.

Технико-экономические преимущества заявляемых способа и устройства по сравнению с базовым объектом, за который взяты способ и устройство, заключаются в улучшении важнейших характеристик, что иллюстрируется таблицей.

Изобретение может быть использовано при создании систем контроля технологических процессов непрерывного литья металлов. Применение изобретения позволяет резко увеличить достоверность измерений режима охлаждения слитка в кристаллизаторе машины непрерывного литья. Результатом этого является повышение производительности машин непрерывной разливки и качества слитков.

Формула изобретения

1. Способ контроля технологического процесса непрерывной разливки металла, включающий пирометрическое измерение на нескольких длинах волн температуры поверхности непрерывноотливаемого слитка с последующей обработкой получаемых данных, отличающийся тем, что возможность трещинообразования в слитке определяют по пространственному распределению вариаций температуры его поверхности, измеряемой в зоне первичного охлаждения.

2. Устройство для контроля технологического процесса непрерывной разливки металла, содержащее волоконно-оптический зонд, соединенный передающими волоконными световодами с входом спектрального прибора с фотоприемниками, выходы которых через блок обработки сигналов соединены с блоком анализа данных, причем входные торцы волоконных световодов обращены к поверхности слитка, отличающееся тем, что волоконно-оптический зонд выполнен в виде набора волоконных световодов, помещенных в теплопроводную матрицу, размещенную в стенке кристаллизатора, при этом входные торцы волоконных световодов заглублены по отношению к рабочей поверхности кристаллизатора на глубину не более 1,5 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4