专利名称：用于检测和显示金属熔体的变化液面的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于例如在连铸模具、中间包、铸块等中检测和显示金属熔体的变化液面的设备。
背景技术：
在连铸エ艺中，有必要检测例如相应的模具中的金属熔体的液面，因为铸造金属带的质量与例如所述模具中的熔体液面的恒定性相关。存在许多种方法和相应的硬件用于建立流动的液体的液面，诸如电容液面传感器、超声方法、磁阻测量、传导液面传感器。所有这些在用于在连铸期间检测模具中的熔体液面时都具有缺点。ー个主要的问题是金属熔体的高温(约1500°C)，另ー问题是这些方法和硬件的可靠性。出于所提及的目的，期望以至少+/_3_的确定性来确定熔体液面。 根据EP 0859223A1,已知通过测量从安装在模具ー侧的同位素源发射的伽马辐射因模具内的熔融金属而衰减的程度，来检测该模具内的所述熔融金属的液面。相应的设备包括模具ー侧的辐射光子源和相对侧的辐射检测器阵列以及用于对单位时间中每个检测器接收到的入射光子的数目进行计数并且从其提供模具内的金属熔体的高度值的装置。仅在熔体液面上方的检测器接收信号。尽管过去已经使用这种基于伽马射线的方法，但是仍存在用于增加这种测量的精确性和可再现性的需求。
发明内容
因此本发明的目的在于提供ー种方法和/或一种设备，其允许尽可能精确地和可再现地至少建立作为连铸エ艺的一部分的模具中的金属熔体的液面。在深入的研究工作和测试期间，已明显的是，限制已知方法和设备的精确度的决定性因素是金属熔体表面的区域中的其他成分的存在，这些其他成分包括例如润滑粉末(模具粉末)，其可能以液相、固相和/或混合相存在。这些材料(以下通常称为熔渣)可能引起伽马辐射的变化的和不同的衰减并且因此影响相应的测量的精确度和可再现性。尽管在EP 0859223A1中已提到了该问题，但是已知的设备并未充分地解决该问题。点状放射性源仅允许那些布置在点源上方到钢液面线的检测器接收信号。此外，測量时的灵敏度等于检测器阵列的直线长度并且液面测量的不确定性至少等于各个检测器的长度。通过检测器的相应的尺寸微型化，可以减小该问题，但是导致相应的大量的检测器以便完成必要的直线长度，这增加了成本。现在发现，安装沿纵向方向中的不同长度布置在模具ー侧的至少ー个辐射源可以克服这些问题。这允许不仅检测金属柱的位置，而且检测相关联的熔渣层的存在和厚度。这典型地増加了相应的测量的可靠性和可再现性并且允许以更高的精确度执行连铸エ艺，改进了诸如坯段、板材等的各个半成品的质量。这种伸长的辐射源允许沿相应的直线长度发射辐射光子而非朝向模具的相对侧的点发射，其配备有沿纵向方向上的第二直线长度的灵敏检测器。 纵向方向被限定为金属流动进入模具的方向，典型地是竖直的。在本发明的最一般的实施例中，本发明涉及一种同时检测和显示连铸模具中的金属熔体和相关联的熔渣层的变化液面的设备，其包括
至少ー个辐射源，沿纵向方向上的第一不同长度布置在模具的一侧并且朝向模具的相对侧发射辐射光子，
至少一系列的灵敏检测器，在模具的所述相对侧沿所述纵向方向上的第二不同长度彼此相邻地布置，
每个检测器被布置以便接收由所述辐射源遍及第一长度发射的入射光子。在一个实施例中，所述第一和第二不同长度的终点(端点)布置在估计的待检测的最大和最小液面上方和下方。直线延伸的(多个)放射性源允许模具的接收侧(接收端)的所有检测器元件(例如对所述放射性敏感的晶体)能够根据相应熔体(钢熔体)和熔渣液面的位置，检测可变的各个信号。辐射源可以是整件源，被定形为例如棒形，或者被设计为彼此相邻以形成相应的列的许多个较小的辐射源。各个源甚至可以是“点状”辐射源，但是以相应的数目布置以形成特定长度的行。源和每个检测器之间的光子通量按如下因子衰减
^ -dx p X
e
其中UX是光子所通过的材料的阻尼系数，空气的阻尼系数是Pa，特定粉末的阻尼系数是UP并且特定金属熔体的阻尼系数是Pm，并且dx是相应材料的厚度。由于空气、粉末和熔体的不同的物理性质，PaデV- mo结果每个检测器(检测器/闪烁装置沿特定长度并排安置)将从直线取向的辐射源接收不同的信号，只要这些检测器以不同的方式被其间的金属熔体和/或熔渣掩蔽。换言之本发明的布置允许根据每个检测器相对于金属熔体和/或任何粉末/熔渣层的位置，由每个检测器竖直地接收独立信号。这将结合附图被进ー步描述。通过比较由各个检测器接收到的相应辐射数据并且通过诸如半导体的相关联的检测器部件以及相应的算法评估这些数据，可以通过相应的校准(算法、软件)分别提取金属熔体和熔渣的准确液面。这是由金属熔体和熔渣分别引起的变化的衰减的结果。熔体和熔渣引起了相对于它们的不同的密度和组分的不同的掩蔽功率。这些仅是系统中的相关变量，因为源类型(例如钴60或铯137)、壁厚度(包括围绕模具的水箱)和辐射路径(在源和每个相应检测器之间)是恒定的。 清楚的是，必须有规律地进行对应的测量以接收鋳造期间的相应液面的高度的任何变化的即时信息。因此，这些測量可以连续地进行或者以短的时间间隔进行。根据ー个实施例，推荐IOms和Is之间的时钟速率。此外，仅在同时进行所有检测器处的测量以避免通过分析检测器数据比较不同的熔体液面的情况下才获得可靠的結果。
通过在限定的时间比较每个检测器的信号，可以认为同时地并且高分辨率地提取熔融金属液面和淀积在其上的任何其他材料的厚度(“熔渣”厚度)。新的布置允许低至3_或甚至低至1_的分辨率。根据新设备，每个检测器的尺寸(长度)不再直接与測量数据及其不准确性相关，因此使得可以使用有限数量的被适当定尺寸的检测器，所述有限数量例如是3至15，可替换地最少为4或5并且最多为6、7、8或10，然而可以使用更多得多的检测器(例如，取决于它们的尺寸以获得所述直线程度。这种相对小数量的检测器和小的晶体尺寸允许设计适当的、可行的和廉价的集成读出电子装置。在典型的连铸系统中，熔体和/或熔渣液面可以在100至300mm的范围内变化。这导致对应范围中的辐射源和检测器行两者的直线长度，根据本发明的ー个实施例从50_开始，较佳为IOOmm并且结束于约400mm，典型地在100和250mm之间。根据另外的实施例，辐射源的轴向(纵向)长度比检测器行的轴向长度长或者与之相等。基于半导体的光电装置，诸如硅光电倍增管(SiPM)或者多像素光子计数器(MPPC)可以与检测器和对应的读出电子装置组合使用以估计来自检测器晶体的信号/数据。特别地，SiPM和MPPC具有非常小的设计并且允许与模具自身或者模筒极为接近地安装。只要可以使辐射源和检测器之间的距离最小并且同时在不损失测量的精确度的情况下减小辐射能量。它们读出闪烁装置并且将这些数据转发到电子装置(数据处理器)。该数据处理器(包括适当的算法)以与时间有关的方式计算数据/信号并且根据该计算，基于在特定时间收集的信号/数据得到金属熔体和/或相关联的熔渣层的相应液面。在本发明的范围内的是，布置多于ー个的检测器列(行)，例如平行的并且彼此具有一定距离的两行，因此允许測量液体钢(金属熔体)液面以及熔渣层两者的波动。此两者典型地不是完全平坦的而是起伏的。如已提及的，源和/或检测器可以布置在金属熔体的通路区域外部的任何位置，包括模具的金属外壳(主要由铜制成)，围绕模具的任何水箱等。源典型地安装在屏蔽体中(出于避免非有意的辐射逸出的安全原因)。检测器(闪烁装置/晶体)可以安装在所提及的水套内部和外部。
在从属权利要求和其他申请文件中描述了本发明的另外的特征，包括下面的具体实施例的描述，在附图中
图I示意性地公开了连铸エ艺中的对应模具处的设备的布置；
图2a至2d示意性地公开了示例性的測量情形。
具体实施例方式在图I中，中间包的标号是10，相关联的喷嘴的标号是12。喷嘴12的自由下端进 入模具14的开放上端。定期地将润滑粉末给送到模具中，形成了模具14内的金属熔体液面上的类似盖的熔渣。模具14布置在水冷套16内。所有这些是公知技术并且不作进ー步描述。
在所述水冷套16内，棒状的直线延伸的辐射源20，即铯137伽马辐射源，在模具14的ー侧布置在竖直方向上(箭头V ;对应于从中间包10到模具14并且继续深入的熔体的主流动方向(箭头M))。轴向长度(在纵向方向上，參见箭头V)是200mm。遍及棒的长度发射辐射。用于所述源20的罩是必要的，用于避免除了通过模具14的任何其他方向上的辐射，但是是常见的并且因此未被示出。八个检测器30. I. . . 30. 8相对伽马发射源20沿行等距地布置，该行在模具14的相对侧与棒形源20平行地延伸(S卩，也在竖直方向上延伸)。每个检测器(晶体)30. I. . . 30. 8具有25 mm的长度(在方向V上，即在所述检测器列的纵向方向上)，因此相加高达所述列的200mm的总长度。与示意图相 反，在相邻的检测器之间不存在空间，但是每个检测器是独立的并且可以独立地接收任何信号。源20和检测器列30. I. . . 30. 8两者的終点(端点)T1、T2被布置在预期的熔体和熔渣的最小和最大液面上方。所有图2a至2d描绘了铸造エ艺期间的ー个特定时间处的ー个特定情形，熔体液面的标号是ML并且熔渣液面的标号是SL。此时，八个检测器中的每个接收的光子能量被測量并且被登记。通过图2a至2d的比较可以看到，不同的检测器接收因接收到的伽马光子的不同的衰减引起的不同的信号。參照图2a，直线A表示光子从源20到检测器30. I的路线，光子仅通过空气，由此按因子Pa衰减。对于沿直线B输送的光子，情况也是这样。沿直线C行进的那些光子首先通过空气，随后通过熔渣层并且最后再次通过空气，因此相应的衰减由因子Pa和Up根据它们各自的沿辐射路线(源和检测器之间的距离)的參与而引起。直线D表示穿越空气、熔体和空气的光子的路线。由于熔体的衰减因子Pm不同于熔渣的衰减因子(yp)并且两者都不同于Pa(与空气相关)，而进一歩地，对于沿直线A、B、C和D传送的光子，空气通路、熔体通路和熔渣通路的相应长度是不同的，从沿所述的从源20到检测器30. I的不同路线通过的所述光子接收的信号是不同的。在末端处，检测器30. I (在測量期间)接收根据熔体和熔渣的实际位置的特定的总信号。在每个检测器处进行对应测量。图2b至2d图示了从源20到另外的检测器30. 6、30. 4和30. 2的光子的对应跃迁路线。因此每个检测器30. I. . . 30. 8接收不同的总(相加)信号。使用的检测器越多，可以收集的数据越多，并且通过相关联的数据处理设备中的相应的算法程序最終计算的金属熔体液面ML和熔渣液面SL的准确位置的计算可靠性就越高。已表明在测试期间3至8个检测器是以+/_ I至2_的精确度实现计算准确液面的非常好的结果的合适数目。
权利要求
1.一种同时检测和显示连铸模具中的金属熔体和相关联的熔渣层的变化液面的设备，包括 至少ー个辐射源(20)，其沿纵向方向上的第一不同长度布置在模具(14)的一侧并且朝向模具(14)的相对侧发射辐射光子， 至少一系列的灵敏检测器(30. I. . . 30. 8)，其在模具(14)的所述相对侧沿所述纵向方向上的第二不同长度彼此相邻地布置， 每个检测器(30. I. . . 30. 8)被布置以便接收由所述辐射源(20)遍及第一长度发射的入射光子。
2.根据权利要求I所述的设备，其中3至15个检测器(30.I. . . 30. 8)沿所述第二不同长度布置。
3.根据权利要求I所述的设备，其中第一不同长度超过5cm并且第二不同长度超过 5cm。
4.根据权利要求I所述的设备，其中第一不同长度超过IOcm并且第二不同长度超过IOcm0
5.根据权利要求I所述的设备，其中所述第一不同长度对应于所述第二不同长度。
6.根据权利要求I所述的设备，其中所述第一不同长度比所述第二不同长度长。
7.根据权利要求I所述的设备，其中每个检测器(30.I. . . 30. 8)具有0. 2至3cm的纵向方向上的长度。
8.根据权利要求I所述的设备，其中每个检测器(30.I. . . 30. 8)具有0. 5至I. 5cm的纵向方向上的长度。
9.根据权利要求I所述的设备，其中所述第一不同长度和所述第二不同长度的終点(Tl，T2)布置在估计的待检测的最大和最小液面上方和下方。
10.根据权利要求I所述的设备，包括用于下述的装置估计从检测器(30.I. . . 30. 8)接收的信号并且将所述信号转发到数据处理器，以与时间有关的方式收集由每个检测器(30. I. . . 30. 8)接收的可变信号，并且基于在特定时间收集的信号，分别计算金属熔体和相关联的熔渣层的相应液面。
11.根据权利要求10所述的设备，其中收集信号和计算金属熔体和相关联的熔渣层的相应液面是连续实现的。
12.根据权利要求10所述的设备，其中收集信号和计算金属熔体和相关联的熔渣层的相应液面以循环的方式以0. 01至2秒的时钟速率来实现。
全文摘要
本发明涉及用于检测和显示金属熔体的变化液面的设备。本发明涉及一种用于例如在连铸模具、中间包、铸块等中检测和显示金属熔体的变化液面的设备。
文档编号G01F23/288GK102650543SQ20121003348
公开日2012年8月29日 申请日期2012年2月15日 优先权日2011年2月28日
发明者A.斯格罗, E.博尔萨托, F.D.科尔索, G.米凯隆, L.切斯塔里 申请人:Sms康卡斯特股份公司