專利名稱：鋼水溫度快速響應(yīng)紅外連續(xù)測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熔池中鋼水溫度的測量裝置。
背景技術(shù)：
目前鋼廠普遍采用人工插入“一次性快速熱偶”的方式對鋼水溫度進(jìn)行測量，該方式屬于間歇式測量，測量間隔時(shí)間為5～10分鐘，每次測量以消耗一只貴金屬(鉑金)熱電偶為代價(jià)。由于生產(chǎn)過程中鋼水表面結(jié)渣，當(dāng)渣層較厚時(shí)則無法將熱電偶插進(jìn)鋼水，導(dǎo)致測量上存在時(shí)間盲區(qū)、影響生產(chǎn)控制甚至導(dǎo)致生產(chǎn)事故的發(fā)生。該測量方式成本高；勞動強(qiáng)度大；不利于實(shí)現(xiàn)冶金生產(chǎn)的涉溫自動控制。
鋼水連續(xù)測溫是替代快速熱偶測溫技術(shù)的發(fā)展趨勢，目前國內(nèi)的少數(shù)鋼廠，特別是在特鋼及薄板坯生產(chǎn)領(lǐng)域已有所應(yīng)用。鋼水連續(xù)測溫分為①熱電偶連續(xù)測溫；②紅外連續(xù)測溫。
“熱電偶連續(xù)測溫”——基于熱電動勢效應(yīng)的鋼水連續(xù)測溫方式。已有60余年的發(fā)展歷史，典型文獻(xiàn)[1]專利號為98227343.6的《一種用于煉鋼爐內(nèi)鋼水連續(xù)測溫?zé)犭娕肌?。文獻(xiàn)[2]專利號為92225151.7的《熱電偶》。
“紅外連續(xù)測溫”——基于黑體輻射原理的紅外溫度方式。用于鋼水內(nèi)部溫度的連續(xù)測量是本世紀(jì)初發(fā)展起來的技術(shù)，典型文獻(xiàn)[3]專利號為00120354.1的《鋼水溫度連續(xù)測量方法和測溫管》。
(一)熱電偶連續(xù)測溫用于鋼水連續(xù)測溫的熱電偶有金屬絲熱偶(鉑金熱偶—S型；雙鉑銠熱偶—B型；鎢錸熱偶WRa3—WRa25)以及陶瓷熱電偶，雖然陶瓷熱電偶有近70年的研究歷史但一直沒有實(shí)用化的產(chǎn)品問世，這里不做進(jìn)一步討論。實(shí)際應(yīng)用于鋼水溫度連續(xù)測量的熱電偶僅有B型熱偶和鎢錸熱偶，B型熱偶在高溫下若與CO接觸會中毒失效，而鎢錸熱偶在高溫下與O2接觸會迅速脆斷，因此兩者在鋼水連續(xù)測溫的應(yīng)用中都需要特殊的保護(hù)性封裝。其封裝方式為一端盲頭的空腔管——保護(hù)管。保護(hù)管要同時(shí)滿足①耐高溫；②耐侵蝕；③抗沖刷；④抗熱震；⑤高溫機(jī)械強(qiáng)度好；⑥高溫氣密性好；⑦高溫物理、化學(xué)性能穩(wěn)定(不產(chǎn)生有害高溫?fù)]發(fā)物)；⑧導(dǎo)熱率高等要求。由于要求苛刻，使用環(huán)境惡劣，因此保護(hù)管都采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，以滿足多項(xiàng)要求。其典型結(jié)構(gòu)為三層，即在外管層與內(nèi)管層之間有一填充層。典型的外管材料為鋁碳質(zhì)，等靜壓加工成形，其耐高溫、耐侵蝕、抗沖刷、抗熱震性好、導(dǎo)熱率高。內(nèi)管為剛玉管，其物理化學(xué)性能穩(wěn)定、氣密性好，但是剛玉管抗熱震性差、導(dǎo)熱率低。為了保護(hù)剛玉管在急冷急熱時(shí)不炸管，必須在兩層保護(hù)管之間增加填充層，常見的填充層為Al2O3粉體。若采用鎢錸熱電偶則必須另外考慮抗氧化封裝問題(在內(nèi)管中采取Al2O3粉體填充，或真空封裝)，這也是鎢錸熱電偶在鋼水連續(xù)測溫領(lǐng)域不能普及的重要原因之一。
由于采用了多層結(jié)構(gòu)的保護(hù)管，其整體導(dǎo)熱性能差，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示經(jīng)烘烤后溫度達(dá)到1100℃的保護(hù)管，插入鋼水(溫度為1520～1570℃)其測量溫度的響應(yīng)時(shí)間＞300s(響應(yīng)率95％)。由于響應(yīng)速度太慢，不能滿足工藝控制以及涉溫自動控制的要求。
(二)紅外連續(xù)測溫本世紀(jì)初，紅外測溫技術(shù)在中間包鋼水連續(xù)測溫領(lǐng)域開始得到應(yīng)用。其基本測溫方式是利用類似熱電偶連續(xù)測溫的保護(hù)管——測溫管，作為溫度敏感元件插入鋼水，在測溫管的開口端安裝光電轉(zhuǎn)換器件將測溫管發(fā)出的色溫信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)黑體輻射理論計(jì)算出測溫管腔體的溫度(等效鋼水溫度)。
雖然測溫管沒有保護(hù)熱電偶的任務(wù)，但卻具有與熱電偶保護(hù)管幾乎一致的材料和結(jié)構(gòu)，這是由于測溫管同時(shí)為溫度敏感元件和光學(xué)測量元件、其空腔為紅外信號的傳遞通道。這就要求測溫管的高溫物理化學(xué)性能特別穩(wěn)定，不產(chǎn)生污染紅外光路的有害高溫?fù)]發(fā)物，同時(shí)對高溫氣密性要求嚴(yán)格，基本不允許鋼水揮發(fā)物通過滲透和擴(kuò)散的方式進(jìn)入測溫管空腔。雖然鋁碳質(zhì)外管耐高溫、耐侵蝕、抗沖刷、抗熱震、導(dǎo)熱率高，但卻不能滿足高溫物理化學(xué)性能和高溫氣密性的要求，而剛玉管恰能滿足此要求。因此，測溫管同樣采取了熱電偶保護(hù)管相同的兩種材質(zhì)的內(nèi)、外管復(fù)合結(jié)構(gòu)，只是在內(nèi)、外管之間以空氣作為填充物。
由于測溫管的內(nèi)管直徑要求遠(yuǎn)大于保護(hù)管的內(nèi)管直徑，因此在兩種管子的使用壽命相近的條件下，紅外測溫的響應(yīng)速度甚至比熱電偶測溫的情況還要差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了在保證紅外溫度連續(xù)測量的穩(wěn)定、可靠和高精度的前提下，大幅度提高溫度測量的響應(yīng)速度，使得在鋼水連鑄中間包等容器正常工作狀態(tài)時(shí)紅外連續(xù)測溫裝置對高溫熔融物質(zhì)的測量溫度為其實(shí)時(shí)溫度而提供一種鋼水溫度快速響應(yīng)紅外連續(xù)測量裝置。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種鋼水溫度快速響應(yīng)紅外連續(xù)測量裝置，包括測溫管、儀表柜，其特點(diǎn)是所述的測溫管9為具有高導(dǎo)溫系數(shù)的單層結(jié)構(gòu)、其下端盲頭、上端開口，在上開口端封裝有筒狀錐軸連接器6；它還包括一只管狀測溫槍5，測溫槍的上部空腔中央安裝有測量探頭3，光纜或信號電纜以及動力電纜和設(shè)置在測量探頭內(nèi)的其它傳感器件的動力、信號電纜1從測溫槍的上端口連接至儀表柜；測溫槍的上端出口端與既為冷卻氣體輸送通道又為光纖、供電電纜、信號電纜的敷設(shè)通道的金屬軟管連接，金屬軟管外設(shè)有耐火纖維織物的增強(qiáng)保護(hù)套；在光學(xué)鏡頭的下方設(shè)有防塵鏡4，測溫槍5上部內(nèi)測量探頭保護(hù)套的四周有冷卻氣道空腔；測溫槍的中部設(shè)有帶氣體隔環(huán)的測量定位器16，筒狀測量定位器聯(lián)在氣體隔環(huán)的下面，在測量定位器與氣體隔環(huán)聯(lián)接處開有多個(gè)出氣孔；在隔環(huán)中心環(huán)口旋有細(xì)管狀導(dǎo)流管7，導(dǎo)流管的上口正對防塵鏡，錐軸連接器6套插在測量定位器內(nèi)。
本發(fā)明在鋼水紅外測溫裝置中所采用的是槍、管一體化設(shè)計(jì)，按照現(xiàn)有的技術(shù)，單層高導(dǎo)溫測溫管無法同時(shí)滿足鋼水紅外測溫所要求的全部條件，因此在要求測溫管滿足耐高溫；耐侵蝕；抗沖刷；抗熱震；高導(dǎo)熱；低密度以及高溫機(jī)械性能等要求之外，不要求其同時(shí)滿足高溫化學(xué)性能穩(wěn)定(不產(chǎn)生有害揮發(fā)性氣體)以及高溫氣密性(不允許鋼水中的揮發(fā)性氣體進(jìn)入測溫管空腔)的條件，而采用導(dǎo)流測溫槍的獨(dú)特功能來保證測溫管空腔滿足紅外測溫所要求的光學(xué)測量條件，從而使得測溫裝置在總體上實(shí)現(xiàn)了響應(yīng)速度快、動態(tài)測量精度高、測溫管免烘烤的目的。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的帶氣體隔環(huán)的測量定位器的放大示意圖。
圖中1.光纜及通信、動力電纜；2.冷卻氣體通道；3.測量探頭；4.防塵鏡；5.測溫槍；6.錐軸連接器；7.導(dǎo)流管；8.冷卻氣體回流通道；9.測溫管；10.鋼水液面；11.來自測斑的紅外光束；12.測斑；13.冷卻氣體入口；14.冷卻氣體流線示意；15.冷卻氣體出口；16.帶氣體隔環(huán)的測量定位器；17.出氣孔。
具體實(shí)施例方式
從圖1可見，本發(fā)明的下部是一只管狀測溫管9，測溫管9為單層結(jié)構(gòu)，其下端盲頭、上端開口，在上開口端封裝有筒狀錐軸連接器6；測溫管9滿足耐高溫、耐侵蝕、抗沖刷、抗熱震、導(dǎo)熱率高、密度小等要求，可簡稱其為單層高導(dǎo)溫測溫管。允許測溫管9的管壁產(chǎn)生有害氣體物質(zhì)并在其腔體內(nèi)揮發(fā)，允許鋼水中的有害氣相通過滲透、擴(kuò)散的方式進(jìn)入測溫管9的腔體內(nèi)。測溫管盲頭端部內(nèi)、外表面采用同心球面設(shè)計(jì)，以消除冷管插入高溫介質(zhì)時(shí)的熱應(yīng)力集中效應(yīng)。
本發(fā)明的上部是一只管狀測溫槍5，測溫槍的上部空腔內(nèi)可以僅安裝光學(xué)鏡頭再通過光纜將光學(xué)鏡頭接受的紅外信號輸送至設(shè)在遠(yuǎn)處的光電傳感器及處理電路，也可以將光學(xué)鏡頭、光電傳感器和前置放大電路組成的測量探頭3安裝在測溫槍的上部空腔內(nèi)再通過電纜將電信號輸出，光纜及通信、動力電纜1從測溫槍的上端口接出；測溫槍的上端口為冷卻氣體入口13；在光學(xué)鏡頭的下方設(shè)有防塵鏡4，在測溫槍5上部內(nèi)光、電器件外保護(hù)套的四周為冷卻氣道，環(huán)繞而過的冷卻氣體用于保護(hù)處于高溫區(qū)的光、電器件不致過熱。
從圖2可見，測溫槍的中部設(shè)有帶氣體隔環(huán)的測量定位器16，筒狀測量定位器聯(lián)在氣體隔環(huán)的下面，在測量定位器與氣體隔環(huán)聯(lián)接處開有多個(gè)出氣孔17；在氣體隔環(huán)中心環(huán)口旋有細(xì)管狀導(dǎo)流管7，導(dǎo)流管7的上口正對防塵鏡4，錐軸連接器6套插在測量定位器內(nèi)。導(dǎo)流管7的主要作用是將冷卻氣流導(dǎo)入測溫管9，進(jìn)入測溫管的冷卻氣流達(dá)到一定深度后流速減慢并裹挾部分管內(nèi)原有氣體從導(dǎo)流管7外壁與錐軸連接器6內(nèi)壁間通過出氣孔17最終經(jīng)測量定位器外壁與測溫槍下部外殼的內(nèi)壁間腔體放散至外部空間。進(jìn)入測溫管9的冷卻氣體具有三個(gè)方面的作用第一，造成測溫管腔體內(nèi)氣體成分濃度分布和壓力分布的改變，使得測溫管管壁氣固兩相反應(yīng)的平衡點(diǎn)向固相一側(cè)偏移；第二，稀釋有害氣體；第三，裹挾有害氣體并將其帶出測溫管。以上三種作用降低了管壁高溫?fù)]發(fā)氣體的生成速度；降低了有害氣相物質(zhì)的分壓或分布濃度；使得測溫管空腔在其整個(gè)壽命周期內(nèi)環(huán)境良好，保證在正常條件下紅外測溫的穩(wěn)定性和可靠性，即測溫管非大面積穿孔或斷管時(shí)在空腔遭受有害氣體污染的情況下，保證紅外溫度測量保持高精度。
測溫槍的出口端與一保護(hù)性金屬軟管連接，金屬軟管外有耐火纖維織物的增強(qiáng)保護(hù)套。金屬軟管既為冷卻氣體輸送通道又為光纖、供電電纜、信號電纜(包括設(shè)置在測溫槍中的其它傳感器件的信號、動力電纜)的敷設(shè)通道，金屬軟管和冷卻氣體同時(shí)為這些纜線提供可靠保護(hù)及電磁屏蔽。
鋼水紅外測溫時(shí)，實(shí)際測量的是測溫管9空腔底部中央處一圓形區(qū)域即圖1中的測斑12的內(nèi)表面溫度，測溫管為單層結(jié)構(gòu)、具有高導(dǎo)溫系數(shù)，在材料性質(zhì)不變的情況下其響應(yīng)速度直接取決于測斑12的厚度，厚度越薄、響應(yīng)速度越快。
本裝置工作時(shí)，測溫管9的下部插在鋼水10內(nèi)，測溫管底部的測斑12發(fā)出的紅外光束11垂直向上經(jīng)測溫管9腔體、導(dǎo)流管7通過防塵鏡4射向光學(xué)鏡頭，可采用兩種處理方式(1)紅外信號由光學(xué)鏡頭直接耦合入光纜，由光纜穿過金屬軟管將紅外信號傳輸至遠(yuǎn)離極端高溫區(qū)的儀表柜中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、放大、數(shù)模轉(zhuǎn)換及運(yùn)算處理；(2)光學(xué)鏡頭、光電轉(zhuǎn)換、信號放大、數(shù)模轉(zhuǎn)換及處理運(yùn)算的器件和電路集成在測溫槍內(nèi)，紅外信號進(jìn)入該集成器件后直接轉(zhuǎn)化為溫度數(shù)字信號由信號電纜經(jīng)金屬軟管輸出。兩種處理方式獲得的溫度信號最后都遠(yuǎn)傳至顯示大屏、紀(jì)錄顯示儀或工控機(jī)。其中為測溫槍體內(nèi)的器件供電的動力電纜以及連接測溫槍內(nèi)其它探測傳感器的通信電纜都經(jīng)由金屬軟管與測溫槍和儀表柜相連。
本發(fā)明可用于各類熔池中鋼水溫度的測量(例如連鑄中間包；大包；煉鋼爐；精煉爐內(nèi)鋼水溫度的測量)；也可用于各類熔池中高溫金屬熔融物體溫度的測量(例如銅水；鋁水的溫度測量)；還可用于各類高溫爐窯窯內(nèi)溫度的測量(例如鋼鐵冶金行業(yè)的熱風(fēng)爐；加熱爐；工業(yè)陶瓷行業(yè)的氮化爐；真空爐爐內(nèi)溫度測量)。
權(quán)利要求
1.一種鋼水溫度快速響應(yīng)紅外連續(xù)測量裝置，包括測溫管、儀表柜，其特征在于所述的測溫管(9)為具有高導(dǎo)溫系數(shù)的單層結(jié)構(gòu)、其下端盲頭、上端開口，在上開口端封裝有筒狀錐軸連接器(6)；它還包括一只管狀測溫槍(5)，測溫槍的上部空腔中央安裝有測量探頭(3)，光纜或信號電纜以及動力電纜和設(shè)置在測量探頭內(nèi)的其它傳感器件的動力、信號電纜(1)從測溫槍的上端口連接至儀表柜；測溫槍的上端出口端與既為冷卻氣體輸送通道又為光纖、供電電纜、信號電纜的敷設(shè)通道的金屬軟管連接，金屬軟管外設(shè)有耐火纖維織物的增強(qiáng)保護(hù)套；在光學(xué)鏡頭的下方設(shè)有防塵鏡(4)，測溫槍(5)上部內(nèi)測量探頭保護(hù)套的四周有冷卻氣道空腔；測溫槍的中部設(shè)有帶氣體隔環(huán)的測量定位器(16)，筒狀測量定位器聯(lián)在氣體隔環(huán)的下面，在測量定位器與氣體隔環(huán)聯(lián)接處開有多個(gè)出氣孔；在隔環(huán)中心環(huán)口旋有細(xì)管狀導(dǎo)流管(7)，導(dǎo)流管(7)的上口正對防塵鏡，錐軸連接器(6)套插在測量定位器內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋼水溫度快速響應(yīng)紅外連續(xù)測量裝置，其特征在于所述測溫管盲頭端部內(nèi)、外表面采用同心球面設(shè)計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種鋼水溫度快速響應(yīng)紅外連續(xù)測量裝置，其特征在于所述的測量探頭(3)包括光學(xué)鏡頭、光電轉(zhuǎn)換、信號放大、數(shù)模轉(zhuǎn)換及處理運(yùn)算的電路板；紅外信號進(jìn)入測量探頭后直接轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y溫度的數(shù)字電信號，再經(jīng)穿過金屬軟管的信號電纜輸出至儀表柜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種鋼水溫度快速響應(yīng)紅外連續(xù)測量裝置，其特征在于所述的測量探頭(3)僅由光學(xué)鏡頭構(gòu)成，紅外信號經(jīng)光學(xué)鏡頭耦合入光纜后穿過金屬軟管將紅外信號傳輸至遠(yuǎn)離極端高溫區(qū)的儀表柜中的光電轉(zhuǎn)換、放大、數(shù)模轉(zhuǎn)換及處理運(yùn)算的電路板。
全文摘要
一種鋼水溫度快速響應(yīng)紅外連續(xù)測量裝置，包括測溫管9、測溫槍5，在測溫管上開口端封裝有筒狀錐軸連接器6；測溫槍的上部空腔中央安裝有測量探頭3；測溫槍的上端出口端與一保護(hù)性金屬軟管連接，金屬軟管既為冷卻氣體輸送通道又為光纜及通信、動力電纜的敷設(shè)通道；測溫槍上部內(nèi)測量探頭保護(hù)外殼外的四周空腔為冷卻氣道；測溫槍的中部設(shè)有帶氣體隔環(huán)的測量定位器16，筒狀測量定位器聯(lián)在氣體隔環(huán)的下面，在測量定位器與氣體隔環(huán)聯(lián)接處開有多個(gè)出氣孔；在隔環(huán)中心環(huán)口旋有細(xì)管狀導(dǎo)流管7，錐軸連接器6套插在測量定位器內(nèi)。本發(fā)明采用導(dǎo)流測溫槍、單層高導(dǎo)溫測溫管的獨(dú)特功能，實(shí)現(xiàn)了測溫管免烘烤、響應(yīng)速度快、動態(tài)測量精度高。
文檔編號G01J5/08GK101021439SQ20061009816
公開日2007年8月22日 申請日期2006年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月2日
發(fā)明者白建忠, 蔣明學(xué) 申請人:馬鋼(集團(tuán))控股有限公司