用于測量熔融金屬的溫度的方法和設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及利用光纖測量熔化物，尤其是熔融金屬的溫度的方法，光纖經(jīng)由一次性引導(dǎo)管被饋送到熔化物中，光纖和一次性引導(dǎo)管的浸入端浸入熔化物中，二者具有彼此獨立的饋送速度。本發(fā)明還涉及用于測量上述溫度的裝置和設(shè)備，包括光纖和一次性引導(dǎo)管，一次性引導(dǎo)管具有浸入端和相反的第二端，光纖部分地布置在一次性引導(dǎo)管中，一次性引導(dǎo)管的內(nèi)徑大于光纖的外徑，在第二端處或一次性引導(dǎo)管內(nèi)布置有彈性插塞，光纖被饋送通過彈性插塞，并且彈性插塞減小了光纖與一次性引導(dǎo)管之間的間隙。設(shè)備包括光纖卷和用于饋送光纖和一次性引導(dǎo)管的饋送機構(gòu)，饋送機構(gòu)包括至少兩個獨立的饋送電動機，一個電動機用于饋送光纖，一個電動機用于饋送一次性引導(dǎo)管。
【專利說明】用于測量熔融金屬的溫度的方法和設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及利用光纖來測量熔化物、尤其是例如熔融鋼等熔融金屬的溫度的方法、裝置和設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002]用于生產(chǎn)熔融鋼的電弧爐(EAF)工藝是由如下操作構(gòu)成的批量工藝:金屬組分的爐裝料、熔化、精煉、去渣、出鋼以及爐轉(zhuǎn)向。在稱為出鋼的工藝中從熔化爐中移除稱為一爐(heat)的每批鋼，因此，所涉及的鋼生產(chǎn)的循環(huán)批率通常是指稱為出鋼到出鋼時間(tap-to-tap time)的時間單位?，F(xiàn)代的EAF操作致力于使出鋼到出鋼循環(huán)小于60分鐘，甚至達(dá)到35-40分鐘的等級。
[0003]在EAF產(chǎn)率方面所實現(xiàn)的許多進(jìn)展促進(jìn)快速出鋼到出鋼時間成為可能，并且涉及到對爐的電功率輸入(在350-400kWh/t的范圍內(nèi))的提高以及替代形式的能量輸入(氧氣切割、氧氣燃料燃燒器)。最先進(jìn)的EAF操作消耗18-27Nm3/t量級的補充氧氣，這占總功率輸入的20%-32%。另外，允許更快速爐移動的部件的改進(jìn)已經(jīng)減少了爐空轉(zhuǎn)的時間量。EAF操作員的行業(yè)目標(biāo)是使得爐通電時間最大化，得到最大的產(chǎn)率，從而降低固定成本，且同時從電功率輸入獲得最大收益。在EAF中生產(chǎn)一爐鋼所耗費的大部分時間是在熔化工藝步驟中。
[0004]熔化周期是EAF操作的核心，現(xiàn)代EAF的大部分發(fā)生在兩階段工藝中。經(jīng)由石墨電極供給電能并且該電能是熔化操作中的最大貢獻(xiàn)者。為熔融鋼屑，要消耗的理論最小值為300kWh/t。為了為熔融金屬提供鋼熔點之上的溫度，需要額外的能量。對于典型的出鋼溫度要求，所需的總理論能量通常在350-400kWh/t的范圍內(nèi)。然而，EAF制鋼僅有55%_65%的能效，結(jié)果是，對于最現(xiàn)代的操作而言總的等效能量輸入通常在650kWh/t的范圍內(nèi)，其中60%-65%是通過電功率供給的，其余的需求由化石燃料燃燒以及精煉工藝的化學(xué)氧化能量來供給。
[0005]在第一金屬裝料過程中，通常選擇中間電壓抽頭(tap )，直到電極能夠充分地鉆入碎屑。未熔化的碎屑在電極電弧與熔化容器的側(cè)壁之間的位置保護(hù)爐結(jié)構(gòu)免于受損，使得在鉆入操作之后能夠使用長電弧(高電壓)抽頭。在初始鉆入期間內(nèi)大約15%的碎屑熔化。通過爐壁中的專用噴嘴添加的化石燃料燃燒有助于碎屑加熱和熱均勻。隨著爐氣氛加熱，電弧趨于穩(wěn)定，能夠提高平均功率輸入。長電弧使傳遞到碎屑的功率最大化，在爐床中開始形成液體金屬池。對于一些特定的EAF類型，優(yōu)選的慣例是以從稱為“留鋼(hot heel)”的前一爐繼續(xù)保持得到的小池來開始批量熔化工藝。
[0006]當(dāng)足夠的碎屑已經(jīng)熔化而適應(yīng)第二裝料的體積時，重復(fù)裝料工藝。一旦在爐中產(chǎn)生熔融鋼池，則將利用諸如氧氣燃料燃燒器和氧氣切割等多個源來供給化學(xué)能。一旦熔融金屬高度足夠高且清除了阻礙性碎屑，則可以將氧氣直接噴到池中。
[0007]在接近最終碎屑裝料完全熔化時間的情況下，爐側(cè)壁會暴露于來自電弧的高輻射。結(jié)果是，必須降低電壓，或者形成包圍電極的泡沫狀爐渣。爐渣層可在起泡沫的同時具有多于一米的厚度。于是將電弧掩埋起來且將保護(hù)爐外殼。另外，較大的能量被保持于爐渣中并且被傳遞到池中，得到更大的能效。該工藝將在覆蓋鋼的爐渣層中產(chǎn)生大量熱，使得溫度比鋼的溫度高200°C，從而形成了對于工藝控制測量而言非常獨特且困難的環(huán)境，稍后將解釋其原因。
[0008]減少一爐的出鋼到出鋼時間，在許多情況下，特別是在用留鋼來操作的現(xiàn)代EAF操作中，氧氣可在整個熱循環(huán)過程中吹入池中。該氧氣將與池中的包括鋁、硅、錳、磷、碳和鐵在內(nèi)的多種組分反應(yīng)。所有這種反應(yīng)都是放熱的(即，產(chǎn)生熱)并且將供給能量以輔助碎屑的熔化。所形成的金屬氧化物最終將留在爐渣中。
[0009]當(dāng)最終碎屑裝料和原材料基本熔化時，達(dá)到平坦池條件。在此刻，將取得池溫度和化學(xué)分析樣品以確定大約氧氣精煉周期以及計算出鋼之前的剩余通電時間。
[0010]無論可根據(jù)可用原材料的利用、爐設(shè)計、本地操作慣例以及本地制造經(jīng)濟而變化的具體本地處理步驟如何，顯而易見的是，可以以各種策略采用輸入爐中的多種形式的能量輸入，從而使得出鋼到出鋼時間最小化并且在固態(tài)碎屑和爐渣組分轉(zhuǎn)換成處于正確的化學(xué)組成和期望溫度以便于出鋼的熔融鋼和爐渣的過程中提高能效。
[0011]如其它制鋼工藝一樣，EAF的出鋼到出鋼生產(chǎn)工藝是利用數(shù)學(xué)模型指導(dǎo)的，該數(shù)學(xué)模型考慮到原材料的數(shù)量和質(zhì)量，從而考慮給定能量輸入和熱輸出預(yù)測工藝結(jié)束點。這種變量的列表可見于EP0747492。在本領(lǐng)域中已知許多用于控制和預(yù)測EAF性能的工藝模型。當(dāng)與高爐到轉(zhuǎn)換器的經(jīng)典制鋼工藝相比時，在EAF工藝中所使用的原材料的變動更大并且因此需要不斷的調(diào)節(jié)。校正和指導(dǎo)工藝所需的這些模型的多種輸入信息中的一種是熔融金屬溫度。
[0012]為EAF操作員提供最佳的且最近期的熔融金屬溫度信息應(yīng)當(dāng)滿足如下要求:
[0013]-整體金屬的精確溫度表示，
[0014]-與爐傾斜無關(guān)的固定浸入深度，
[0015]-連續(xù)或幾乎連續(xù)可用，
[0016]-用于浸入深度調(diào)節(jié)的池水平確定。
[0017]通常，熔融金屬的溫度測量是利用諸如在US2993944中所描述的公知的一次性熱電偶來實現(xiàn)的。操作員能夠借助于鋼柱手動地浸入這些熱電偶，鋼柱具有適應(yīng)的電布線和連接部將熱電偶信號發(fā)送到適當(dāng)?shù)膬x器。另外，現(xiàn)在利用許多自動熱電偶浸入機械系統(tǒng)來提供熱電偶浸入，諸如WWW.more-oxy.com公開地提供的那些或者在Metzen等人的文獻(xiàn)MPTInternat1nal4/2000, pp.84 中所描述的那些。
[0018]一旦實現(xiàn)熔融金屬的蓄集，池溫度將緩慢升高。對于給定的能量輸入，非熔融碎屑的含量越高，溫度升高速率越低。一旦所有的碎屑熔融，池的溫度將極快速地以350C _70°C /分鐘的量級升高直至工藝結(jié)束。為了預(yù)測最優(yōu)工藝結(jié)束、金屬準(zhǔn)備出鋼的時間，工藝控制模型需要具有以足夠高測量頻率得到的精確的溫度信息以形成對停止各種能量輸入最佳時刻的精確預(yù)估。使用機器人浸入設(shè)備的測量工藝要求出入口、通常是爐渣門(在US2011/0038391和US7767137中給出了概述)打開以允許插入支撐一次性熱電偶的機械臂。在大多數(shù)現(xiàn)代操作中，該門還用于提供進(jìn)入爐的通路，以便氧氣燃料燃燒器和氧氣噴槍借助于與浸入噴槍的操縱器類似的操縱器到達(dá)適當(dāng)位置。更近期以來，還可以在用于燃燒器的爐外殼周圍提供多個附加孔口，如US6749661中所描述的。
[0019]出于隨后在工藝中獲得溫度的目的而打開爐渣門，這允許大量空氣進(jìn)入爐中。該打開的結(jié)果是冷卻了局部區(qū)域并且提供了氮氣源。在電弧放電過程中，氮氣轉(zhuǎn)換成Ν0χ，Ν0χ是EAF工藝的非期望排出物。雖然需要通過該開口對爐進(jìn)行去渣，但在需要重復(fù)溫度測量的期間機器人浸入設(shè)備(也使用上述開口來測量溫度)的使用將爐內(nèi)部暴露于不必要的氮氣進(jìn)入以及無意的去渣。
[0020]由于在金屬精煉工藝的結(jié)束階段期間的快速升溫，最佳情形下的工藝控制模型的更新時間不能趕上現(xiàn)代的高功率爐。理想地，精煉結(jié)束過程中的快速溫度更新以及在出鋼前最后幾分鐘內(nèi)的連續(xù)溫度信息提供了現(xiàn)代預(yù)測精度和結(jié)束點確定的最佳組合。用于典型機器人系統(tǒng)的I分鐘的實際測試間隔限制了這種動態(tài)工藝的點測量的有效性。除了低采樣頻率之外，常規(guī)的一次性熱電偶和機器人浸入設(shè)備還受到多種附加限制，當(dāng)應(yīng)用于精確的結(jié)束點確定時，這最終降低了工藝模型的預(yù)測成功率。
[0021]在熔化工藝和精煉工藝過程中，池將具有溫度梯度，而池的表面將具有比整體熔融金屬顯著高的溫度。金屬的熱點和冷點設(shè)置成遍及爐內(nèi)部，使得需要使用專用的燃燒器和定向化石燃料加熱器來幫助內(nèi)部均勻化。如ΕΡ1857760中所論述，一個冷點位于爐渣門的區(qū)域中，在此處通常由于典型機器人浸入設(shè)備的大出口要求而發(fā)生一次性熱電偶的浸入。EAF已經(jīng)具有“搖動”爐的能力，即，從前到后傾斜爐的水平位置，從而使得池進(jìn)一步均勻，對爐進(jìn)行去渣和出鋼，如US2886617中所描述的。
[0022]幾乎所有機器人浸入設(shè)備都安裝在爐渣門的區(qū)域中并且安裝到操作地板上，因此不會由于傾斜爐的角度而傾斜。因此，這些操縱器不能總是在所有情形下都將一次性熱電偶設(shè)置到池中。此外，熱電偶的浸入深度與機器人設(shè)備的機械臂的關(guān)節(jié)聯(lián)接關(guān)聯(lián)，因此由于爐傾斜的角度而不能輕易地根據(jù)池水平變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。雖然出于EAF工藝的操作模型的目的在反應(yīng)整體溫度的位置處反復(fù)測量是重要的，但是利用手動或自動噴槍進(jìn)行的實際溫度測量在穩(wěn)定浸入深度方面顯現(xiàn)出難度，在浸入噴槍的位置未根據(jù)爐的搖動和實際池水平而對準(zhǔn)并且不處于有利于溫度精度的位置的同時，不能提供溫度測量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0023]本發(fā)明利用浸入熔融金屬的自耗光纖以及能夠使溫度裝置穿過EAF的側(cè)壁插入至可預(yù)測熔融鋼浸入深度的浸入裝置來測量冶金容器中的溫度，溫度測量間隔頻率低于20秒。根據(jù)需求單個地或者快速連續(xù)地進(jìn)行采樣的能力允許進(jìn)行能夠在工藝期間的關(guān)鍵時候更新用于EAF操作的數(shù)學(xué)預(yù)測模型的測量策略，快速連續(xù)測量的能力使得以低成本提供大致連續(xù)的溫度數(shù)據(jù)。
[0024]現(xiàn)有技術(shù)存在許多安裝在各種制鋼容器中的溫度測量裝置，這些裝置利用永久光導(dǎo)向光檢測器聚焦輻射。這種現(xiàn)有技術(shù)的實例可見于JP-A61-91529、JP-A-62-52423、US4468771、US5064295、US6172367、US6923573、W098/46971 和 W002/48661 中。這些現(xiàn)有技術(shù)的共同之處在于，光導(dǎo)是永久性的，并且因此需要利用復(fù)雜的安裝設(shè)備來保護(hù)光導(dǎo)免于受損。這些保護(hù)手段可以包括:氣體吹掃，用于冷卻組件或者解除金屬與光學(xué)元件的物理接觸；防護(hù)套層，其相對永久或者略微易受制鋼容器的內(nèi)襯腐蝕；以及光波長和強度的復(fù)雜發(fā)射率校正，用于確定精確溫度。
[0025]JP-A-08-15040的公開內(nèi)容描述了一種將自耗光纖饋送到液態(tài)金屬中的方法。當(dāng)浸入熔融金屬中的可預(yù)測深度時，諸如在JP-A-62-19727中所公開的自耗光纖接收在黑體條件下從熔融金屬發(fā)射的輻射光，使得利用安裝到浸入的自耗光纖的相反端上的光電轉(zhuǎn)換元件得到的福射強度能夠用于確定熔融金屬的溫度。在P.Clymans,“Applicat1ns of animmers1n-type optical fiber pyrometer (浸入型光纖高溫計的應(yīng)用)”中簡要敘述的現(xiàn)有技術(shù)的科學(xué)原理在于，光纖必須浸入到實現(xiàn)黑體條件的深度。利用自耗光纖以及將大長度的纏繞材料饋送到預(yù)定深度所需的裝備對熔融金屬進(jìn)行連續(xù)測量在本領(lǐng)域是公知的，諸如EP0806640和JP-B-3267122。在自耗光纖浸入較高溫度金屬中或者存在覆有爐渣覆蓋物的金屬的惡劣工業(yè)環(huán)境中，已經(jīng)證明由于隨著光纖溫度升高而呈現(xiàn)的光纖的固有脆弱而導(dǎo)致難以在應(yīng)當(dāng)進(jìn)行測量的時間段內(nèi)保持預(yù)定深度。需要利用附加保護(hù)來保護(hù)已經(jīng)覆有金屬的光纖，利用JP-A-2000-186961中的氣體冷卻、EP655613中層疊在覆有金屬的光纖上的附加復(fù)合材料、JP-A-06-058816中的絕緣覆蓋物或者US5163321和JP-B-3351120中的附加金屬蓋。
[0026]上述針對高溫應(yīng)用的改進(jìn)具有如下的缺點:為了提供連續(xù)溫度讀數(shù)而顯著提高了自耗光纖組件的成本。雖然不完全等同于當(dāng)測量EAF中的較高溫度時所遇到的條件，但是JP-B-3351120可用于評估光纖的消耗速度。在所披露的實例中，使用的是用于從線圈饋送光纖的極復(fù)雜的機械裝置。線圈由另外覆有附加的3_厚不銹鋼管道的覆有金屬的光纖構(gòu)成。所披露的推薦用于提高高爐出鋼流的鐵的連續(xù)溫度測量的溫度精度的計算是令人驚訝的500mm/s。在該推薦的饋送速率下，光纖及其外圍的不銹鋼外管的消耗成本高。
[0027]連續(xù)溫度測量的實際經(jīng)濟性取決于消耗盡可能最少量的光纖，同時仍獲得連續(xù)信息的益處。在US5585914和JP-A-2000-186961中描述了以最少量的暴露光纖使光纖到達(dá)測量點，其中經(jīng)由永久噴嘴饋送單根覆有金屬的光纖，噴嘴可安裝到爐壁中，并且可經(jīng)由噴嘴噴射氣體。雖然這些裝置能夠成功地將光纖輸送到測量點，但是由于堵塞和持續(xù)維護(hù)而具有缺點。在饋送模式的階段中，需要振動來防止光纖焊接到噴嘴上。如果孔口由于氣壓不足而阻塞或閉合，則測量終止，且直到噴嘴被修復(fù)之前都不可能恢復(fù)。EP0802401利用設(shè)置在可動滑架上的一系列穿孔桿和引導(dǎo)管解決了通往爐的阻塞開口的問題，從而提供了用于解決阻止光纖穿過噴嘴的任何問題的工具套件。然而，這些都是對不能獲得測量數(shù)據(jù)的閉合出入孔口進(jìn)行疏通的策略。一旦這些孔口被阻塞，則不可能獲得溫度數(shù)據(jù)，這可能發(fā)生在制鋼工藝的關(guān)鍵時刻。
[0028]連續(xù)饋送的光纖存在額外的問題，進(jìn)一步提高了測量的成本以及浸入裝置的復(fù)雜度。浸入型的光纖僅保持其光學(xué)品質(zhì)，因此如果對光纖進(jìn)行熱防護(hù)和污染防護(hù)或者以比光纖劣化速率高的速率更新，則將發(fā)回精確的溫度。對于浸入熔融鋼中的部分，在黑體條件下精確地獲得池溫度的光學(xué)信號。然而，在該部分之上的其余未浸入部分必須保持完好的光導(dǎo)。在高溫下，將發(fā)生光纖的脫?；?，光的透射率下降，并且作為下降強度的函數(shù)的溫度誤差增加。JP-A-09-304185和US7891867披露了一種饋送速率方法，其中光纖消耗的速度必須大于脫?；乃俾?，從而確?？偸强捎眯碌墓饫w表面。簡單的實驗測試表明，光信號在極短時間段內(nèi)保持穩(wěn)定，在低于1580°C的溫度大約保持1.0s，而在1700°C下浸入時僅保持
0.1s。雖然有解決方案用于較低溫度金屬，但在高溫測試下以大于脫?；俾实乃俣瑞佀凸饫w的速度對于簡單的覆有金屬的光纖而言是昂貴的。在EAF的惡劣條件下測量高溫的情況下，現(xiàn)有技術(shù)披露的額外保護(hù)方法同樣以與光纖相同的速率消耗掉。這對于上述雙覆蓋光纖而言變得非常昂貴。
[0029]本發(fā)明完全偏離現(xiàn)有技術(shù)教導(dǎo)，傾向于提供點測量，而不是連續(xù)測量。本發(fā)明是用于溫度測量的低成本解決方案，適合于以足夠高的采樣頻率使用來滿足EAF熔化工藝的數(shù)學(xué)模型的更新需求，同時解決了與在惡劣環(huán)境中浸入的光纖相關(guān)聯(lián)的問題。本發(fā)明提供了大致連續(xù)的溫度測量輸出，包括如下:在不首先接觸爐渣的情況下使光纖經(jīng)由爐渣覆蓋物浸入熔融金屬中；通過受控饋送在測量期間保持預(yù)定浸入深度；保護(hù)非浸入部分免于在EAF內(nèi)部的高環(huán)境熱下發(fā)生脫?；辉跍y量之后移除和重繞未使用的光纖；在重繞時測量池水平；以及使用于重復(fù)測量工藝的浸入裝置總是再現(xiàn)初始開始條件。
[0030]本發(fā)明所解決的問題是改進(jìn)已知的方法和裝置。為EAF操作員提供最佳和最近期的熔融金屬溫度信息應(yīng)當(dāng)滿足以下要求:
[0031]-整體金屬的精確溫度表示，
[0032]-與爐傾斜無關(guān)的固定浸入深度，
[0033]-連續(xù)或幾乎連續(xù)可用，
[0034]-用于浸入深度調(diào)節(jié)的池水平確定。
[0035]一種利用光纖來測量熔化物，尤其是熔融金屬的溫度的方法，其特征在于，所述光纖經(jīng)由一次性引導(dǎo)管被饋送到所述熔化物中，并且由此所述光纖以及所述一次性引導(dǎo)管的浸入端浸入所述熔化物中，所述光纖和所述一次性引導(dǎo)管都具有饋送速度，且所述光纖和所述一次性引導(dǎo)管的饋送速度彼此獨立。優(yōu)選地，在浸入的第一階段，所述一次性引導(dǎo)管和所述光纖浸入所述熔化物中，在第二階段，所述光纖以與所述一次性引導(dǎo)管相比更高的速度浸入所述熔化物中且比所述一次性引導(dǎo)管更深地浸入所述熔化物中。優(yōu)選的是，在所述一次性引導(dǎo)管的浸入端浸入所述熔化物中之后，所述第二階段開始。此外，優(yōu)選的是，在浸入的第三階段，使所述光纖停止或者使所述光纖從所述熔化物中退回。有益的是，在所述第三階段之后，將外側(cè)一次性引導(dǎo)管扔到所述熔化物中。
[0036]在本發(fā)明的有利的實施例中，一次性引導(dǎo)管和/或光纖的速度在浸入的過程中是變化的。此外，有益的是，所述光纖和所述一次性引導(dǎo)管以不相等的速度移動。有益的是，除了溫度之外，還確定所述熔化物的上表面。
[0037]本發(fā)明的裝置用于測量熔化物，尤其是熔融金屬的溫度，且包括光纖和一次性引導(dǎo)管，所述一次性引導(dǎo)管具有浸入端和與所述浸入端相反的第二端，所述光纖部分地布置在所述一次性引導(dǎo)管中，所述一次性引導(dǎo)管的內(nèi)徑大于所述光纖的外徑，在所述一次性引導(dǎo)管的所述第二端處或所述一次性引導(dǎo)管內(nèi)布置有彈性插塞，所述光纖被饋送通過所述彈性插塞，并且所述彈性插塞減小了所述光纖與所述一次性引導(dǎo)管之間的間隙。優(yōu)選地，所述間隙的面積減小至小于2mm2，更優(yōu)選地小于1mm2。
[0038]本發(fā)明還涉及一種利用光纖來測量熔化物，尤其是熔融金屬的溫度的設(shè)備，該設(shè)備包括如上所述的裝置，所述設(shè)備包括光纖和一次性引導(dǎo)管，所述一次性引導(dǎo)管具有浸入端和與所述浸入端相反的第二端，所述光纖部分地布置在所述一次性引導(dǎo)管中，所述一次性引導(dǎo)管的內(nèi)徑大于所述光纖的外徑，在所述一次性引導(dǎo)管的所述第二端處或所述一次性引導(dǎo)管內(nèi)布置有彈性插塞，所述光纖被饋送通過所述彈性插塞，并且所述彈性插塞減小了所述光纖與所述一次性引導(dǎo)管之間的間隙，所述設(shè)備還包括光纖卷和用于饋送所述光纖和所述一次性引導(dǎo)管的饋送機構(gòu)，所述饋送機構(gòu)包括至少兩個獨立的饋送電動機，一個饋送電動機用于饋送所述光纖，一個饋送電動機用于饋送所述一次性引導(dǎo)管。優(yōu)選的是，該設(shè)備的特征在于，所述饋送電動機各自與單獨的饋送控制器結(jié)合。
[0039]此外，本發(fā)明涉及一種將如上所述的設(shè)備用于上文的描述限定的方法中的方法。
[0040]本發(fā)明用于獲得對EAF中的制鋼的最終工藝步驟進(jìn)行控制所需的溫度測量。出于該目的，所述裝置必須實現(xiàn):
[0041]?以如下采樣頻率提供精確的溫度測量:提供了關(guān)于出鋼的工藝模型的精確更新以及操作員信息
[0042].中間測量提供最低成本
[0043]?表不金屬溫度的金屬測量位置
[0044]這是利用如下裝置來實現(xiàn)的:
[0045]總是與儀器連接的連續(xù)溫度測量元件、光纖:
[0046]?總是可用
[0047]?沒有等待連接的可用性損失
[0048]?金屬和爐渣的快速響應(yīng)時間-低接觸時間
[0049]?低成本
[0050]金屬外管
[0051]?在朝向池的快速加速過程中支撐光纖，避免了遠(yuǎn)離金屬彎曲
[0052]?確保光纖進(jìn)入金屬中，避免了朝向爐渣向上偏轉(zhuǎn)
[0053]?保持光纖不接觸液態(tài)爐渣，避免了污染
[0054]?保持光纖的非浸入部分冷卻，避免了脫?；?br> [0055]?是保持退回光纖的筆直性的引導(dǎo)件，準(zhǔn)備光纖以便下一次使用
[0056].是一次性的，每次使用新的筆直件而確保了尺寸
[0057]氣體插塞
[0058]?包圍管，允許在管內(nèi)形成反壓
[0059]?具有柔性以適應(yīng)非理想光纖末端
[0060]利用機器將光纖浸入鋼池中足夠長的長度，該機器:
[0061]?安裝到EAF側(cè)壁上
[0062]?具有優(yōu)選的20s循環(huán)時間
[0063]?總是監(jiān)控光纖末端的位置，直接地和間接地利用編碼器和感應(yīng)位置裝置
[0064]?更新外管和氣體插塞并且將光纖貫通外管和氣體插塞設(shè)置在內(nèi)部
[0065]?將使用過的外管和氣體插塞扔到EAF中，同時重繞未使用的光纖
[0066]?能夠以幾乎瞬時的減速進(jìn)行+2000mm/s的饋送
[0067]?以不同速率將光纖和外管插入到EAF中
[0068]?可逆的和獨立的可逆驅(qū)動能力(沿相反方向移動)
[0069]?用于光纖的拆卷和重繞的動量補償執(zhí)行器
[0070].用于溫度和池水平檢測的遠(yuǎn)程儀器
[0071]US5585914認(rèn)識到間斷的光纖饋送提供了間斷的溫度。當(dāng)需求溫度可用性足以引導(dǎo)冶金工藝時，則對這些數(shù)據(jù)的技術(shù)需要變得不支持對連續(xù)溫度的要求。
[0072]在上述公開中，描述了具有20s停工時間的進(jìn)行1s的lOmm/s饋送對于LD工藝是充足的。在停工時間內(nèi)，光纖必須振動以防止外護(hù)套焊接到噴嘴上。在饋送和等待時間內(nèi)，氣體被吹掃通過噴嘴，噴嘴的直徑被光纖外護(hù)套的OD固定在1.8mm和4.2mm之間。被供給油的殼體中所容納的多個橡膠插塞中所收容的凈化氣體流過該噴嘴。
[0073]EP802401還利用光纖提供了 2_3s持續(xù)期間的需求溫度讀數(shù)，光纖是經(jīng)由氣體吹掃過的引導(dǎo)管或用于保護(hù)光纖的延伸(但未浸入)部分的“延伸裝置”饋送的。這兩個外管都不是自耗的。浸入機器被裝備來切斷光纖的脫?；糠?，因此每4-5次浸入呈現(xiàn)出新的表面。
[0074]JP-B-3351120披露了具有附加自耗金屬外管的連續(xù)饋送的覆有金屬的光纖，金屬外管和光纖同時饋送到金屬中。還描述了饋送機器。JP-B-3351120的自耗保護(hù)管連續(xù)地位于光纖的外側(cè)，如同是光纖的一體部分一樣。本發(fā)明利用了與光纖分離且不同的一次性外管。JP-B-3351120不饋送金屬外管，也不饋送光纖。本發(fā)明的獨特在于附加的金屬外管與光纖的分離。還提供了對于其它問題的解決方案。雖然EP802401認(rèn)識到了對于輔助光纖浸入的延伸管或引導(dǎo)管的需要，但是引導(dǎo)管不是完全地延伸到金屬表面。引導(dǎo)管是不可浸入的且不是一次性的，因此光纖并不能完全地牢固。
[0075]實際上，我們能夠如針對噴嘴那樣來處理該問題，兩者都遇到了阻塞的問題。實際上，所描述的噴嘴和引導(dǎo)管兩者都具有避免孔隙被原料侵入而阻塞的附加機構(gòu)。現(xiàn)有技術(shù)明確地認(rèn)識到了凈化氣體防止?fàn)t渣/鋼浸入饋送光纖的噴嘴的重要性。因為這些噴射不是一次性的，所以將凈化氣體密封在引導(dǎo)管和浸入端之間的方法通常是利用油進(jìn)行永久密封。
[0076]在本發(fā)明中，帶有一次性氣體插塞的一次性外管提供了良好收容性的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠利用氣體的膨脹，而不是凈化氣體。在EP802401中，引導(dǎo)管或延伸管不會接觸到金屬。引導(dǎo)管或延管的開口端不能在受熱氣體膨脹過程中提供增壓。在US5585914的永久封閉空間中，一旦氣體膨脹，則氣體不能再提供針對金屬侵入的位移。在JP-B-3351120中，夕卜管與光纖之間的空間長度有限，并且由于氣體的可壓縮性而不能用于在浸入端提供氣體的受熱膨脹。自凈化外管的獨特性僅在外管的一次性構(gòu)思的情況下才是可能的。這在不同于所有現(xiàn)有技術(shù)。這不是顯而易見的，因為現(xiàn)有技術(shù)解決的問題與從連續(xù)饋送的光纖保持連續(xù)測量有關(guān)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0077]下面通過舉例的方式來描述本發(fā)明。
[0078]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的自耗光纖。
[0079]圖2示出了金屬涂層光纖的前段。
[0080]圖3a示出了浸入光纖之前的浸入裝置。
[0081 ] 圖3b示出了浸入光纖之后的浸入裝置。
[0082]圖3c示出了根據(jù)圖3b的浸入裝置，其采用諸如熔融金屬勺或中間罐等不同的熔化物容器。
[0083]圖4示出了在浸入過程中外管的浸入端和光纖的浸入端兩者的位置的視圖。【具體實施方式】
[0084]下面通過舉例的方式來對裝置進(jìn)行說明。圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的自耗光纖(consumable optical fiber) 10,通常用于液態(tài)金屬的測量,包括光纖、覆蓋光纖的護(hù)套以及覆蓋塑料護(hù)套表面的防護(hù)性金屬管。光纖10典型地是漸變折射率多模光纖，由石英玻璃制成，并且具有直徑62.5 μ m的內(nèi)芯11以及直徑125 μ m的外包層12，外包層覆有聚酰亞胺或類似材料13。防護(hù)性金屬管14通常是具有1.32_外徑(OD)以及0.127_壁厚的不銹鋼。雖然覆有金屬的光纖是優(yōu)選的，但是用獨特的塑料材料替代14和/或13的附加實施例不偏離本發(fā)明的范圍。
[0085]圖2示出了從卷軸20經(jīng)由氣體保持彈性插塞30饋送的金屬涂層光纖10的前段10’，光纖10的前段10’附接到外側(cè)一次性引導(dǎo)管40的相反浸入端50。光纖10和外側(cè)一次性引導(dǎo)管40不采用固定布置，因此，能夠彼此獨立地移動，并且因此能夠在保持相反端處的氣體密封31的同時以不同速率獨立地插入爐渣層51且進(jìn)入到熔池52中。優(yōu)選地，一次性引導(dǎo)管40是具有0.8_至Imm壁厚的低碳鋼，但是可從各種金屬材料、陶瓷、玻璃、硬紙板和塑料或者材料的組合中選擇。在一次性引導(dǎo)管40選自與熔池反應(yīng)的材料的情況下，建議以如下方式制備浸入部分50:為了減少濺射，通過施加本領(lǐng)域已知的材料所制的涂層或覆蓋物，不將熔融金屬濺射到一次性引導(dǎo)管40的內(nèi)側(cè)。
[0086]不使用插塞30地將端部開口的外側(cè)一次性引導(dǎo)管40通過爐渣層51浸入鋼中，這種做法將使得爐渣和鋼侵入該管中。從精煉工藝得到的熔融爐渣的氧化物含量高，諸如易于吸收到光纖結(jié)構(gòu)中的氧化鐵。經(jīng)由容納爐渣和鋼的外側(cè)一次性引導(dǎo)管40饋送的光纖10將在到達(dá)外側(cè)一次性引導(dǎo)管40的開口端之前受損。對于2m長的具有30cm浸入深度且在兩端開口的優(yōu)選的外側(cè)一次性引導(dǎo)管40，外側(cè)一次性引導(dǎo)管40內(nèi)的熔融材料的上涌將是30cm。在采用端部閉合的外側(cè)一次性引導(dǎo)管40的情況下，上涌將是約16cm。這是忽略了包圍空氣的氣體膨脹而計算出的，包圍空氣將由于溫度升高而經(jīng)歷膨脹。測試表明，能夠通過減小外側(cè)一次性引導(dǎo)管40的內(nèi)徑(ID)與光纖10的金屬覆蓋物的OD之間的空氣間隙，使得鋼侵入最小化。非常優(yōu)選的是將該間隙減小至最小，然而，實際上，對于具有1mmID的管，該間隙應(yīng)當(dāng)小于2_2，優(yōu)選地小于1_2。具有較小ID的管將由于包圍空氣的更快加熱速率而允許較大的間隙。
[0087]本發(fā)明的優(yōu)選特征之一是利用一次性引導(dǎo)管40中所容納的氣體的膨脹避免了熔融侵入。利用具有一定密封品質(zhì)的彈性插塞30有效地密封與浸入端相反的端部將在浸入過程中確保氣體從浸入端涌出，從而保持一次性引導(dǎo)管40清潔。盡管如此，在浸入時在一次性引導(dǎo)管40中形成過壓的任何方式也避免鋼侵入，諸如在最低溫度下汽化的材料的內(nèi)涂層。對于在外側(cè)一次性引導(dǎo)管40中形成正壓的卓越構(gòu)思是為了避免金屬、爐渣或其它污染物上涌和侵入到一次性引導(dǎo)管40內(nèi)側(cè)而阻礙光纖10的自由饋送。
[0088]插塞30應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)赜袕椥裕瑥亩a償由于先前浸入引起的非理想的光纖端部。在優(yōu)選的實施例中，用各外側(cè)一次性引導(dǎo)管40代替插塞30。每個代替確保了恰當(dāng)?shù)拿芊猓欢摬迦?0可以構(gòu)造為與多個外側(cè)一次性引導(dǎo)管一起重復(fù)使用且為了維護(hù)而被代替。為易于應(yīng)用，選擇插塞30在外側(cè)一次性引導(dǎo)管40的末端處的優(yōu)選位置。然而，將插塞30放置為更靠近浸入端同樣是可接受的并且將實現(xiàn)浸入過程中的優(yōu)良過壓，從而輔助光纖10的無差錯浸入。插塞30的設(shè)計有利于其放置在一次性引導(dǎo)管40的末端處，并且具有抵靠在管端部上的唇狀件。其它構(gòu)造是可能的。插塞30的精確實施例應(yīng)當(dāng)在不偏離下述主要目的的情況下反應(yīng)出設(shè)置且位置定位的簡易性:插塞限制空氣逸出外管從而確保內(nèi)壓構(gòu)建。
[0089]在浸入鋼管時鋼管內(nèi)的鋼侵入隨以下因素而增加:
[0090]-浸入深度的增加
[0091]-管長度的增加
[0092]-空氣間隙(在另一端處)的增加
[0093]-池溫更低
[0094]-壁厚更厚
[0095]-鋼池氧氣含量更高
[0096]在圖3中描述了浸入裝置。機器100以如下方式適當(dāng)?shù)貥?gòu)造和提供:組件插塞30與外側(cè)一次性引導(dǎo)管40對準(zhǔn)，因此光纖10能夠插入穿過插塞30而進(jìn)入外側(cè)一次性引導(dǎo)管40的內(nèi)部。外側(cè)一次性引導(dǎo)管40和光纖10兩者都經(jīng)由適當(dāng)?shù)某鋈氚?0以約2000mm/s饋送穿過EAF的側(cè)壁。這些板80不是機器100的一部分。機器100具有獨立的100%可逆驅(qū)動或饋送電動機25、45。電動機25驅(qū)動光纖10，而電動機45驅(qū)動一次性引導(dǎo)管40，使得外側(cè)一次性引導(dǎo)管40在任一方向上的速率都獨立于光纖10在任一方向上的速率。
[0097]機器100能夠?qū)⒐饫w10獨立地以低于、等于或高于外側(cè)一次性引導(dǎo)管40速度的速度饋送到池中。優(yōu)選地，將光纖10饋送得更快，使外側(cè)一次性引導(dǎo)管40的浸入端50和光纖10的前段10’幾乎同時到達(dá)金屬的預(yù)定表面。一旦到達(dá)池水平位置，則外側(cè)一次性引導(dǎo)管40在熔融金屬52中減速至大致靜止位置。光纖10的前段10’繼續(xù)以大約200mm/s更深入地在鋼中緩慢移動約0.7s。外側(cè)一次性引導(dǎo)管40和光纖10兩者總是以不相等的速度移動，以避免將兩個金屬表面焊接到一起，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)的問題。
[0098]光纖10的加速和減速的問題比移動外側(cè)一次性引導(dǎo)管40更復(fù)雜。光纖10總是從線圈或卷軸20展開和重繞，從而線圈重量由于光纖消耗而總是在變化。饋送機器必須適應(yīng)額外的力學(xué)原理以避免來自線圈或卷軸20本身的彈性反彈效應(yīng)以及與線圈連接的高溫計的重量。這是通過使用2個伺服電動機或饋送電動機25、45控制光纖移動來解決的。一個饋送電動機25負(fù)責(zé)光纖10的展開和重繞并且以饋送電動機25能夠極快加速的方式預(yù)先饋送光纖10。
[0099]自耗光纖10接收從熔融金屬發(fā)射的輻射光，將該輻射光傳送到安裝于纏繞的自耗光纖的相反端上且與關(guān)聯(lián)儀器組合的光電轉(zhuǎn)換元件，測量輻射強度，利用輻射強度來確定金屬的溫度。光纖卷或卷軸20以及儀器設(shè)置成遠(yuǎn)離EAF且與EAF分離，但是適當(dāng)?shù)胤€(wěn)固以承受制鋼環(huán)境的惡劣條件。光纖10的浸入端的位置總是知曉的并且在整個浸入循環(huán)的浸入部分、測量部分和移除部分期間受機器儀器監(jiān)控。機器裝備有確定光纖通過長度的位置編碼器以及記錄光纖端部的感應(yīng)開關(guān)。
[0100]在測量完成之后，自耗光纖10和金屬的外側(cè)一次性引導(dǎo)管40兩者以將光纖10保留在池中相對較深處的方式按不同速度從鋼中退回。在該移動過程中，能夠與在預(yù)定位置之間提取的光纖10的長度相關(guān)聯(lián)地根據(jù)光強度變化來確定池水平。測量后池水平確定隨后用于下一次浸入。還構(gòu)思的是，在不偏離本發(fā)明方法的情況下，可利用在文獻(xiàn)中詳細(xì)描述的各種技術(shù)在浸入期間確定池水平。
[0101]一旦光纖10離開EAF內(nèi)部，在該點處，外側(cè)一次性引導(dǎo)管40的方向朝向爐內(nèi)部反向。然后，金屬的外側(cè)一次性引導(dǎo)管40被扔出、丟棄并在爐內(nèi)部消耗掉。設(shè)置新的外側(cè)一次性引導(dǎo)管40和氣體插塞30接收光纖10，以便進(jìn)行下一次測量。其余的光纖10在移除過程中重繞且返回起始位置。
[0102]本發(fā)明的關(guān)鍵能力在于:
[0103]?光纖的精確放出和重繞
[0104]?光纖末端的檢測
[0105]?外側(cè)一次性引導(dǎo)管的裝載
[0106]?氣體插塞的裝載和設(shè)置
[0107]?將處于起始位置的光纖引導(dǎo)到氣體插塞中
[0108]?用于光纖和外側(cè)一次性引導(dǎo)管兩者的完全可逆的驅(qū)動
[0109]?光纖和外側(cè)一次性引導(dǎo)管的獨立速度優(yōu)勢
[0110]?用于水平檢測的光纖輸出記錄
[0111]?可附接到爐外殼，用于池水平的傾斜補償
[0112]通過整個循環(huán)描述的例子說明了該方法。該構(gòu)思應(yīng)當(dāng)使得操作員無需控制EAF?？稍O(shè)想的是，最佳操作要快速連續(xù)進(jìn)行多次溫度浸入(大約5次)。每次浸入大約2s ;在單個爐期間總循環(huán)時間應(yīng)當(dāng)少于20s。
[0113]圖4的示意圖給出了在測量循環(huán)的2次浸入過程中外側(cè)一次性引導(dǎo)管40的浸入端50和光纖10的浸入端或前段10’ 二者的位置的視圖。對于光纖的移動，我們跟蹤了光纖的末端位置。
[0114]對于管的移動，我們指示出一次性引導(dǎo)管40的浸入端的位置。外側(cè)一次性引導(dǎo)管40的浸入端50的相反端是氣體插塞30。出于示意的目的，外側(cè)一次性引導(dǎo)管40已經(jīng)就緒于浸入位置。氣體插塞30已經(jīng)附接到后端，并且光纖10恰位于氣體插塞30之內(nèi)。圖示的相對尺寸是為了描述的目的，應(yīng)理解的是絕對距離是根據(jù)實際爐尺寸來預(yù)測的，而實際爐尺寸因不同鋼車間而變化。
[0115]在時間O光纖在金屬外管內(nèi)的起始位置I設(shè)定在熔融金屬/池水平上方350cm處。在時點O金屬外管的浸入端的起始位置I位于池水平上方150cm處。光纖10從位置I饋送到位置2，而外側(cè)一次性引導(dǎo)管40保持幾乎靜止。在時間0.8s和1.2s之間，經(jīng)過位置2至4，光纖10和外側(cè)一次性引導(dǎo)管40兩者都前進(jìn)到熔融爐渣51正上方的位置。在1.2s時且在位置4處，光纖比金屬的外側(cè)一次性引導(dǎo)管40前進(jìn)得略快，穿過爐渣51且進(jìn)入熔融金屬52。金屬的外側(cè)一次性引導(dǎo)管40放緩,而光纖10以約200mm/s前進(jìn),在位置6以及1.5s時達(dá)到最大浸入處而浸入。光纖10和外側(cè)一次性引導(dǎo)管40兩者都在0.1s內(nèi)取出。光纖10繼續(xù)退回并且重繞返回到裝載位置8，而金屬的外側(cè)一次性引導(dǎo)管40的其余部分在位置7處方向反向并且被丟棄。光纖10仍受到丟棄的外側(cè)一次性引導(dǎo)管40的其余部分的保護(hù)。
【權(quán)利要求】
1.一種利用光纖來測量熔化物，尤其是熔融金屬的溫度的方法，所述光纖經(jīng)由一次性引導(dǎo)管被饋送到所述熔化物中，并且由此所述光纖以及所述一次性引導(dǎo)管的浸入端浸入所述熔化物中，所述光纖和所述一次性引導(dǎo)管都具有饋送速度，且所述光纖和所述一次性引導(dǎo)管的饋送速度彼此獨立。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在浸入的第一階段，所述一次性引導(dǎo)管和所述光纖浸入所述熔化物中，在第二階段，所述光纖以與所述一次性引導(dǎo)管相比更高的速度浸入所述熔化物中且比所述一次性引導(dǎo)管更深地浸入所述熔化物中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在所述一次性引導(dǎo)管的浸入端浸入所述熔化物中之后，所述第二階段開始。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在浸入的第三階段，使所述光纖停止或者使所述光纖從所述熔化物中退回。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在所述第三階段之后，將外側(cè)一次性引導(dǎo)管扔到所述熔化物中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，所述一次性引導(dǎo)管和/或所述光纖的速度在浸入的過程中是變化的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于，所述光纖和所述一次性引導(dǎo)管以不相等的速度移動。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的方法，其特征在于，除了溫度之外，還確定所述熔化物的上表面。
9.一種用于測量熔化物，尤其是熔融金屬的溫度的裝置，包括光纖和一次性引導(dǎo)管，所述一次性引導(dǎo)管具有浸入端和與所述浸入端相反的第二端，所述光纖部分地布置在所述一次性引導(dǎo)管中，所述一次性引導(dǎo)管的內(nèi)徑大于所述光纖的外徑，在所述一次性引導(dǎo)管的所述第二端處或所述一次性引導(dǎo)管內(nèi)布置有彈性插塞，所述光纖被饋送通過所述彈性插塞，并且所述彈性插塞減小了所述光纖與所述一次性引導(dǎo)管之間的間隙。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述間隙的面積減小至小于2mm2，優(yōu)選地小于1mm2。
11.一種利用光纖來測量熔化物，尤其是熔融金屬的溫度的設(shè)備，包括根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的裝置，所述設(shè)備包括光纖和一次性引導(dǎo)管，所述一次性引導(dǎo)管具有浸入端和與所述浸入端相反的第二端，所述光纖部分地布置在所述一次性引導(dǎo)管中，所述一次性引導(dǎo)管的內(nèi)徑大于所述光纖的外徑，在所述一次性引導(dǎo)管的所述第二端處或所述一次性引導(dǎo)管內(nèi)布置有彈性插塞，所述光纖被饋送通過所述彈性插塞，并且所述彈性插塞減小了所述光纖與所述一次性引導(dǎo)管之間的間隙，所述設(shè)備還包括光纖卷和用于饋送所述光纖和所述一次性引導(dǎo)管的饋送機構(gòu)，所述饋送機構(gòu)包括至少兩個獨立的饋送電動機，一個饋送電動機用于饋送所述光纖，一個饋送電動機用于饋送所述一次性引導(dǎo)管。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，所述饋送電動機各自與單獨的饋送控制器結(jié)合。
13.一種將根據(jù)權(quán)利要求11或12的設(shè)備用于根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的方法中的方法。
【文檔編號】G01K11/32GK104132750SQ201410125884
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月30日
【發(fā)明者】吉多·雅各布斯·奈葉恩斯, 米歇爾·泰斯, 弗蘭克·史蒂文斯 申請人:賀利氏電子耐特國際股份公司