用于測量熔融金屬的溫度的裝置的制造方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用光纖測量熔體、特別是熔融金屬(例如鋼水)的溫度的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]用于生產(chǎn)鋼水的電弧爐(EAF)工藝是由以下操作組成的分批工藝:金屬原料的裝爐、熔化、精煉、去渣、出鋼以及電弧爐再次準備。因為每一批次鋼(其稱為每爐熔煉量)在稱為出鋼的過程中從熔化爐移出，所以，通常用以時間單位表示的冶煉周期來表示鋼生產(chǎn)的周期批次率?，F(xiàn)代的EAF操作力求達到小于60分鐘的冶煉周期，并且進一步達到約35到40分鐘的冶煉周期。
[0003]在EAF生產(chǎn)率方面獲得的促進可能的快速冶煉次數(shù)的許多進展與增加的電功率輸入(在350到400kWh/t范圍內(nèi))以及到電弧爐中的能量輸入的替代形式(吹氧、氧氣燃料燃燒器)有關(guān)。最先進的EAF操作消耗約18到27Nm3/t的補充氧，這些補充氧供應20%到32%的總功率輸入。另外，對允許更快的電弧爐移動的原料的改進已經(jīng)減少了電弧爐閑置的時間量。EAF操作人員的工業(yè)目的一直是最大化電弧爐通電時間，從而產(chǎn)生最大生產(chǎn)率，以便降低固定成本并同時從電功率輸入獲得最大利益。在EAF中生產(chǎn)一個爐次的鋼所消耗的大部分時間是在熔化的過程步驟中。
[0004]熔化階段是EAF操作的核心，并且在大部分現(xiàn)代的EAF中以兩段過程進行。電能經(jīng)由石墨電極供應并且是熔化操作中的最大貢獻者。為了熔化廢鋼料，理論上最少需要300kffh/to為了給熔融金屬提供高于鋼的熔點溫度的溫度，需要另外的能量。對于典型的出鋼溫度要求，理論上需要的總能量通常處于350到400kWh/t的范圍內(nèi)。然而，EAF煉鋼僅是55%到65%能量有效的，并且因此對于大多數(shù)現(xiàn)代操作總的等效能量輸入通常在650kWh/t的范圍內(nèi)，其中60%到65%通過電功率供應，剩余的需求通過化石燃料燃燒以及精煉過程的化學氧化能供應。
[0005]在首次金屬裝料期間，通常選擇中間電壓出鋼直到電極可以充分鉆入廢料中為止。在電極電弧與熔化容器的側(cè)壁之間的未熔化廢料保護電弧爐結(jié)構(gòu)免受損壞，使得在鉆入之后可以使用長電弧(高壓)出鋼。在初始鉆入階段期間熔化大約15%的廢料。通過爐壁中的特殊噴嘴添加的化石燃料燃燒有助于廢料加熱以及熱均勻性。隨著電弧爐內(nèi)大氣加熱，電弧傾向于穩(wěn)定，平均功率輸入可以增加。長電弧使到廢料的功率的傳遞最大化，在爐膛中將開始形成金屬的液池。對于一些特殊的EAF類型，優(yōu)選的做法是用從先前爐次續(xù)用的小池(稱為“熱跟”)開始分批熔化過程。
[0006]當已經(jīng)熔化足夠的廢料以容納第二次裝料的體積時，重復裝料過程。一旦在電弧爐中產(chǎn)生了鋼的熔池，現(xiàn)在就經(jīng)由幾個源(例如，氧氣燃料燃燒器以及吹氧)來供應化學能。一旦熔融金屬高度足夠且清除了阻塞性廢料，氧氣就可以直接吹入熔槽中。
[0007]在接近最終廢料裝料全部熔化的時刻，電弧爐側(cè)壁可暴露于來自電弧的高輻射。因此，必須減小電壓或形成圍封電極的泡沫渣。熔渣層在發(fā)泡時可以具有超過I米的厚度。現(xiàn)在，電弧被掩埋并將保護爐殼。另外，更大量的能量將保留在爐渣中并且傳遞到熔槽，從而導致更高的能效。此過程將在覆蓋鋼的熔渣層中形成大量的熱，從而導致高達比鋼溫度高200°C的溫度，從而形成對于過程控制測量非常獨特且困難的環(huán)境，原因稍后解釋。
[0008]為了減少一個爐次的冶煉時間，在許多情況下，并且尤其是在用熱跟進行操作的現(xiàn)代EAF操作中，可以在整個爐次周期中將氧氣吹入熔槽中。此氧氣將與熔槽中的若干成分反應，所述成分包含鋁、硅、錳、磷、碳和鐵。所有這些反應都是放熱的(即，它們產(chǎn)生熱量)并且將供應能量以幫助廢料的熔化。所形成的金屬氧化物最終將留在熔渣中。
[0009]當基本上熔化最終廢料裝料以及原材料時，達到平整的熔槽條件。此時，將獲得熔槽溫度以及化學分析樣本以確定大致的氧氣精煉時間段并計算出直到出鋼為止的剩余通電時間。
[0010]無論可取決于可用原材料的利用、電弧爐設計、本地操作實踐和本地生產(chǎn)經(jīng)濟而改變的特定的本地處理步驟如何，顯然，可以各種策略采用許多形式的到電弧爐的能量輸入，以便將冶煉時間減到最少，并且提高在以正確化學組成和出鋼的所需溫度將固體廢料和熔渣成分轉(zhuǎn)化成鋼水和熔渣期間的能效。
[0011]如在其它煉鋼工藝中一樣，由數(shù)學模型指導EAF的冶煉生產(chǎn)過程，所述數(shù)學模型考慮了原材料的數(shù)量和質(zhì)量，以便預測給定能量輸入和熱量輸出的過程結(jié)束點。此類變量的列表在EP 0747492A1中可見。許多用以控制和預測EAF性能的過程模型在本領域中是眾所周知的。當與高爐到轉(zhuǎn)爐的傳統(tǒng)煉鋼工藝相比時，在EAF工藝中使用的原材料的變化要高得多，并且由此需要不斷的調(diào)整。校正和指導該過程所需的到這些模型的若干信息輸入中的一者是熔融金屬溫度。
[0012]為EAF操作人員提供最佳和最新的熔融金屬溫度信息應滿足以下要求:
[0013]-表示內(nèi)部金屬液的精確溫度，
[0014]-與電弧爐傾爐無關(guān)的固定浸入深度，
[0015]-連續(xù)地或近似連續(xù)地可用，
[0016]-用于浸入深度調(diào)整的熔槽液位確定。
[0017]通常，使用熟知的一次性熱電偶(例如在US 2993944中所描述的)完成熔融金屬的溫度測量。這些熱電偶可以由操作人員用鋼桿手動地浸入，所述鋼桿具有經(jīng)調(diào)適的電氣布線和連接以將熱電偶信號傳送到適當?shù)膬x器。另外，現(xiàn)在使用許多自動的熱電偶浸入機械系統(tǒng)以提供熱電偶浸入，例如可自WWW.more-oxy.com公開獲得的或梅森(Metzen)等人在MPT國際(MPT Internat1nal) 4/2000，第84頁的文獻中所描述的那些。
[0018]—旦建立了熔融金屬的匯集，熔槽溫度將緩慢上升。對于給定能量輸入，未熔融廢料的含量越高，溫度上升的速率將越低。一旦全部廢料都被熔融，熔槽溫度就將非常迅速地上升，在接近過程結(jié)束時以大約35°C到70°C /分鐘的速度上升。為了預測最優(yōu)的過程終點(金屬準備好出鋼的時刻)，過程控制模型需要具有精確的且以足夠高的測量頻率測量的溫度信息，以形成對停止各種能量輸入的最佳時刻的精確預報。使用自動式浸入裝置的測量過程要求打開檢查門(通常是熔渣門，US 2011/0038391以及US 7767137中有一般描述)以允許插入支撐一次性熱電偶的機械臂。在大多數(shù)現(xiàn)代的操作中，檢查門還用以為氧氣燃料燃燒器和氧氣噴槍提供到電弧爐的進入口，所述氧氣燃料燃燒器和氧氣噴槍用類似于浸入槍的操縱器的操縱器進行定位。最近，還可以圍繞爐殼的圓周設置用于燃燒器的若干另外的入口，如US 6749661中所描述。
[0019]出于獲得過程中的最新溫度的目的打開熔渣門使得大量空氣進入電弧爐。此打開的后果是冷卻了局部區(qū)域并且提供了氮氣源。在電弧放電期間，氮氣轉(zhuǎn)化成NOx，所述NOx是EAF工藝的不合需要的排出物。然而，有必要通過此開口對電弧爐進行去渣，自動式浸入設備的使用也利用此開口來獲得溫度，因此，在需要重復的溫度測量的時間段期間使電弧爐內(nèi)部暴露于不必要的氮氣進入以及意外去渣下。
[0020]由于在金屬精煉過程的結(jié)束階段期間快速的溫度上升，在最佳情況下過程控制模型的更新時間無法跟上現(xiàn)代高功率的電弧爐。理想的是，在精煉結(jié)束期間的快速溫度更新以及在出鋼之前最后幾分鐘的連續(xù)溫度信息提供用于模型預測精確性和結(jié)束點確定的最佳組合。對于典型自動式系統(tǒng)的I分鐘的實際測試到測試時間限制了此類動態(tài)過程的點測量的實用性。常規(guī)的一次性熱電偶以及自動式浸入設備除了較低的采樣頻率之外還受到一些另外的限制，所述較低的采樣頻率最終降低了在用于精確的結(jié)束點決定時過程模型的預測成功率。
[0021]在熔化和精煉過程期間，熔槽將具有溫度梯度，而熔槽的表面將具有大大高于熔融內(nèi)部金屬液的溫度的溫度。在整個電弧爐內(nèi)部存在金屬的熱點和冷點，從而需要使用專門的燃燒器和定向化石燃料加熱器來幫助使內(nèi)部均勻化。如在EP 1857760 Al中所指示的，由于典型的自動式浸入設備需要頻繁進入，因此一個冷點是在熔渣門的通常出現(xiàn)一次性熱電偶浸入的區(qū)域中。如在US 2886617中所描述，EAF具有“搖動”電弧爐的能力，也就是說，使電弧爐的水平位置前后傾斜，以便進一步使熔槽均勻化、去渣以及使電弧爐出鋼。
[0022]大多數(shù)自動式浸入裝置安裝在熔渣門的區(qū)域中并且安裝在操作臺上，因此不能傾斜到傾斜的電弧爐的角度。因為這一點，這些操縱器并不能在任何時候和在所有情況下都將一次性熱電偶定位至熔槽中。此外，熱電偶的浸入深度與自動式裝置的機械臂的關(guān)節(jié)連接相關(guān)，并且由此，由于電弧爐傾斜的角度而無法容易地調(diào)整浸入深度以適應熔槽液位變化。盡管出于EAF工藝的操作模型的目的，重要的是在反映總體溫度的位置中進行重復測量，但用或者手動或者自動的噴槍獲得的實際溫度測量難以實現(xiàn)穩(wěn)定的浸入深度，在浸入噴槍的位置沒有調(diào)整到與熔爐的搖動和實際熔槽液位相匹配、且不在利于溫度精確性的位置時是不可用的。
[0023]本發(fā)明使用熔融金屬浸入式自耗光纖和能夠?qū)囟妊b置穿過EAF的側(cè)壁插入到可預測的鋼水浸入深度的浸入設備來測量冶金容器中的溫度，其中溫度到溫度的測量頻率小于20秒。單獨地或快速連續(xù)地按需采樣的能力允許可以在過程期間的關(guān)鍵時刻更新用于EAF操作的數(shù)學預測模型的測量策略，其中快速連續(xù)測量的能力以低成本提供近似連續(xù)的溫度數(shù)據(jù)。
[0024]現(xiàn)有技術(shù)中在各種煉鋼容器中安裝有許多溫度測量裝置，它們利用固定的光學光導以朝向光學檢測器聚焦輻射。此類現(xiàn)有技術(shù)的實例可以參見JP-A 61-91529、JP-A-62-52423、US 4468771、US 5064295、US 6172367、US 6923573、WO 98/46971 Al 以及WO 02/48661 Al。這些現(xiàn)有技術(shù)的共性是光導是固定的，并且因為這一點需要使用復雜的設備來保護所述光導不受損壞。這些保護措施可以包括:氣體吹洗以或者冷卻組件或者移除金屬使其不與光學元件進行物理接觸；具有煉鋼容器的襯套的相對