CN101021439A - 钢水温度快速响应红外连续测量装置 - Google Patents

Abstract

一种钢水温度快速响应红外连续测量装置，包括测温管9、测温枪5，在测温管上开口端封装有筒状锥轴连接器6；测温枪的上部空腔中央安装有测量探头3；测温枪的上端出口端与一保护性金属软管连接，金属软管既为冷却气体输送通道又为光缆及通信、动力电缆的敷设通道；测温枪上部内测量探头保护外壳外的四周空腔为冷却气道；测温枪的中部设有带气体隔环的测量定位器16，筒状测量定位器联在气体隔环的下面，在测量定位器与气体隔环联接处开有多个出气孔；在隔环中心环口旋有细管状导流管7，锥轴连接器6套插在测量定位器内。本发明采用导流测温枪、单层高导温测温管的独特功能，实现了测温管免烘烤、响应速度快、动态测量精度高。

Description

钢水温度快速响应红外连续测量装置

技术领域

本发明涉及一种熔池中钢水温度的测量装置。

背景技术

目前钢厂普遍采用人工插入“一次性快速热偶”的方式对钢水温度进行测量，该方式属于间歇式测量，测量间隔时间为5～10分钟，每次测量以消耗一只贵金属(铂金)热电偶为代价。由于生产过程中钢水表面结渣，当渣层较厚时则无法将热电偶插进钢水，导致测量上存在时间盲区、影响生产控制甚至导致生产事故的发生。该测量方式：成本高；劳动强度大；不利于实现冶金生产的涉温自动控制。

钢水连续测温是替代快速热偶测温技术的发展趋势，目前国内的少数钢厂，特别是在特钢及薄板坯生产领域已有所应用。钢水连续测温分为：①热电偶连续测温；②红外连续测温。

“热电偶连续测温”——基于热电动势效应的钢水连续测温方式。已有60余年的发展历史，典型文献[1]：专利号为98227343.6的《一种用于炼钢炉内钢水连续测温热电偶》。文献[2]：专利号为92225151.7的《热电偶》。

“红外连续测温”——基于黑体辐射原理的红外温度方式。用于钢水内部温度的连续测量是本世纪初发展起来的技术，典型文献[3]：专利号为00120354.1的《钢水温度连续测量方法和测温管》。

(一)热电偶连续测温

用于钢水连续测温的热电偶有金属丝热偶(铂金热偶—S型；双铂铑热偶—B型；钨铼热偶WRa3—WRa25)以及陶瓷热电偶，虽然陶瓷热电偶有近70年的研究历史但一直没有实用化的产品问世，这里不做进一步讨论。实际应用于钢水温度连续测量的热电偶仅有B型热偶和钨铼热偶，B型热偶在高温下若与CO接触会中毒失效，而钨铼热偶在高温下与O₂接触会迅速脆断，因此两者在钢水连续测温的应用中都需要特殊的保护性封装。其封装方式为一端盲头的空腔管——保护管。保护管要同时满足：①耐高温；②耐侵蚀；③抗冲刷；④抗热震；⑤高温机械强度好；⑥高温气密性好；⑦高温物理、化学性能稳定(不产生有害高温挥发物)；⑧导热率高等要求。由于要求苛刻，使用环境恶劣，因此保护管都采用多层复合结构，以满足多项要求。其典型结构为三层，即在外管层与内管层之间有一填充层。典型的外管材料为铝碳质，等静压加工成形，其耐高温、耐侵蚀、抗冲刷、抗热震性好、导热率高。内管为刚玉管，其物理化学性能稳定、气密性好，但是刚玉管抗热震性差、导热率低。为了保护刚玉管在急冷急热时不炸管，必须在两层保护管之间增加填充层，常见的填充层为Al₂O₃粉体。若采用钨铼热电偶则必须另外考虑抗氧化封装问题(在内管中采取Al₂O₃粉体填充，或真空封装)，这也是钨铼热电偶在钢水连续测温领域不能普及的重要原因之一。

由于采用了多层结构的保护管，其整体导热性能差，实验数据显示：经烘烤后温度达到1100℃的保护管，插入钢水(温度为1520～1570℃)其测量温度的响应时间＞300s(响应率95％)。由于响应速度太慢，不能满足工艺控制以及涉温自动控制的要求。

(二)红外连续测温

本世纪初，红外测温技术在中间包钢水连续测温领域开始得到应用。其基本测温方式是利用类似热电偶连续测温的保护管——测温管，作为温度敏感元件插入钢水，在测温管的开口端安装光电转换器件将测温管发出的色温信号转换为电信号，经黑体辐射理论计算出测温管腔体的温度(等效钢水温度)。

虽然测温管没有保护热电偶的任务，但却具有与热电偶保护管几乎一致的材料和结构，这是由于测温管同时为温度敏感元件和光学测量元件、其空腔为红外信号的传递通道。这就要求测温管的高温物理化学性能特别稳定，不产生污染红外光路的有害高温挥发物，同时对高温气密性要求严格，基本不允许钢水挥发物通过渗透和扩散的方式进入测温管空腔。虽然铝碳质外管耐高温、耐侵蚀、抗冲刷、抗热震、导热率高，但却不能满足高温物理化学性能和高温气密性的要求，而刚玉管恰能满足此要求。因此，测温管同样采取了热电偶保护管相同的两种材质的内、外管复合结构，只是在内、外管之间以空气作为填充物。

由于测温管的内管直径要求远大于保护管的内管直径，因此在两种管子的使用寿命相近的条件下，红外测温的响应速度甚至比热电偶测温的情况还要差。

发明内容

本发明的目的是为了在保证红外温度连续测量的稳定、可靠和高精度的前提下，大幅度提高温度测量的响应速度，使得在钢水连铸中间包等容器正常工作状态时红外连续测温装置对高温熔融物质的测量温度为其实时温度而提供一种钢水温度快速响应红外连续测量装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种钢水温度快速响应红外连续测量装置，包括测温管、仪表柜，其特点是：所述的测温管9为具有高导温系数的单层结构、其下端盲头、上端开口，在上开口端封装有筒状锥轴连接器6；它还包括一只管状测温枪5，测温枪的上部空腔中央安装有测量探头3，光缆或信号电缆以及动力电缆和设置在测量探头内的其它传感器件的动力、信号电缆1从测温枪的上端口连接至仪表柜；测温枪的上端出口端与既为冷却气体输送通道又为光纤、供电电缆、信号电缆的敷设通道的金属软管连接，金属软管外设有耐火纤维织物的增强保护套；在光学镜头的下方设有防尘镜4，测温枪5上部内测量探头保护套的四周有冷却气道空腔；测温枪的中部设有带气体隔环的测量定位器16，筒状测量定位器联在气体隔环的下面，在测量定位器与气体隔环联接处开有多个出气孔；在隔环中心环口旋有细管状导流管7，导流管的上口正对防尘镜，锥轴连接器6套插在测量定位器内。

本发明在钢水红外测温装置中所采用的是枪、管一体化设计，按照现有的技术，单层高导温测温管无法同时满足钢水红外测温所要求的全部条件，因此在要求测温管满足：耐高温；耐侵蚀；抗冲刷；抗热震；高导热；低密度以及高温机械性能等要求之外，不要求其同时满足高温化学性能稳定(不产生有害挥发性气体)以及高温气密性(不允许钢水中的挥发性气体进入测温管空腔)的条件，而采用导流测温枪的独特功能来保证测温管空腔满足红外测温所要求的光学测量条件，从而使得测温装置在总体上实现了响应速度快、动态测量精度高、测温管免烘烤的目的。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的带气体隔环的测量定位器的放大示意图。

图中：1.光缆及通信、动力电缆；2.冷却气体通道；3.测量探头；4.防尘镜；5.测温枪；6.锥轴连接器；7.导流管；8.冷却气体回流通道；9.测温管；10.钢水液面；11.来自测斑的红外光束；12.测斑；13.冷却气体入口；14.冷却气体流线示意；15.冷却气体出口；16.带气体隔环的测量定位器；17.出气孔。

具体实施方式

从图1可见，本发明的下部是一只管状测温管9，测温管9为单层结构，其下端盲头、上端开口，在上开口端封装有筒状锥轴连接器6；测温管9满足耐高温、耐侵蚀、抗冲刷、抗热震、导热率高、密度小等要求，可简称其为：单层高导温测温管。允许测温管9的管壁产生有害气体物质并在其腔体内挥发，允许钢水中的有害气相通过渗透、扩散的方式进入测温管9的腔体内。测温管盲头端部内、外表面采用同心球面设计，以消除冷管插入高温介质时的热应力集中效应。

本发明的上部是一只管状测温枪5，测温枪的上部空腔内可以仅安装光学镜头再通过光缆将光学镜头接受的红外信号输送至设在远处的光电传感器及处理电路，也可以将光学镜头、光电传感器和前置放大电路组成的测量探头3安装在测温枪的上部空腔内再通过电缆将电信号输出，光缆及通信、动力电缆1从测温枪的上端口接出；测温枪的上端口为冷却气体入口13；在光学镜头的下方设有防尘镜4，在测温枪5上部内光、电器件外保护套的四周为冷却气道，环绕而过的冷却气体用于保护处于高温区的光、电器件不致过热。

从图2可见，测温枪的中部设有带气体隔环的测量定位器16，筒状测量定位器联在气体隔环的下面，在测量定位器与气体隔环联接处开有多个出气孔17；在气体隔环中心环口旋有细管状导流管7，导流管7的上口正对防尘镜4，锥轴连接器6套插在测量定位器内。导流管7的主要作用是将冷却气流导入测温管9，进入测温管的冷却气流达到一定深度后流速减慢并裹挟部分管内原有气体从导流管7外壁与锥轴连接器6内壁间通过出气孔17最终经测量定位器外壁与测温枪下部外壳的内壁间腔体放散至外部空间。进入测温管9的冷却气体具有三个方面的作用：第一，造成测温管腔体内气体成分浓度分布和压力分布的改变，使得测温管管壁气固两相反应的平衡点向固相一侧偏移；第二，稀释有害气体；第三，裹挟有害气体并将其带出测温管。以上三种作用降低了管壁高温挥发气体的生成速度；降低了有害气相物质的分压或分布浓度；使得测温管空腔在其整个寿命周期内环境良好，保证在正常条件下红外测温的稳定性和可靠性，即测温管非大面积穿孔或断管时在空腔遭受有害气体污染的情况下，保证红外温度测量保持高精度。

测温枪的出口端与一保护性金属软管连接，金属软管外有耐火纤维织物的增强保护套。金属软管既为冷却气体输送通道又为光纤、供电电缆、信号电缆(包括设置在测温枪中的其它传感器件的信号、动力电缆)的敷设通道，金属软管和冷却气体同时为这些缆线提供可靠保护及电磁屏蔽。

钢水红外测温时，实际测量的是测温管9空腔底部中央处一圆形区域即图1中的测斑12的内表面温度，测温管为单层结构、具有高导温系数，在材料性质不变的情况下其响应速度直接取决于测斑12的厚度，厚度越薄、响应速度越快。

本装置工作时，测温管9的下部插在钢水10内，测温管底部的测斑12发出的红外光束11垂直向上经测温管9腔体、导流管7通过防尘镜4射向光学镜头，可采用两种处理方式：(1)红外信号由光学镜头直接耦合入光缆，由光缆穿过金属软管将红外信号传输至远离极端高温区的仪表柜中进行光电转换、放大、数模转换及运算处理；(2)光学镜头、光电转换、信号放大、数模转换及处理运算的器件和电路集成在测温枪内，红外信号进入该集成器件后直接转化为温度数字信号由信号电缆经金属软管输出。两种处理方式获得的温度信号最后都远传至显示大屏、纪录显示仪或工控机。其中为测温枪体内的器件供电的动力电缆以及连接测温枪内其它探测传感器的通信电缆都经由金属软管与测温枪和仪表柜相连。

本发明可用于各类熔池中钢水温度的测量(例如：连铸中间包；大包；炼钢炉；精炼炉内钢水温度的测量)；也可用于各类熔池中高温金属熔融物体温度的测量(例如：铜水；铝水的温度测量)；还可用于各类高温炉窑窑内温度的测量(例如：钢铁冶金行业的热风炉；加热炉；工业陶瓷行业的氮化炉；真空炉炉内温度测量)。

Claims (4)

1、一种钢水温度快速响应红外连续测量装置，包括测温管、仪表柜，其特征在于：所述的测温管(9)为具有高导温系数的单层结构、其下端盲头、上端开口，在上开口端封装有筒状锥轴连接器(6)；它还包括一只管状测温枪(5)，测温枪的上部空腔中央安装有测量探头(3)，光缆或信号电缆以及动力电缆和设置在测量探头内的其它传感器件的动力、信号电缆(1)从测温枪的上端口连接至仪表柜；测温枪的上端出口端与既为冷却气体输送通道又为光纤、供电电缆、信号电缆的敷设通道的金属软管连接，金属软管外设有耐火纤维织物的增强保护套；在光学镜头的下方设有防尘镜(4)，测温枪(5)上部内测量探头保护套的四周有冷却气道空腔；测温枪的中部设有带气体隔环的测量定位器(16)，筒状测量定位器联在气体隔环的下面，在测量定位器与气体隔环联接处开有多个出气孔；在隔环中心环口旋有细管状导流管(7)，导流管(7)的上口正对防尘镜，锥轴连接器(6)套插在测量定位器内。

2、根据权利要求1所述的一种钢水温度快速响应红外连续测量装置，其特征在于：所述测温管盲头端部内、外表面采用同心球面设计。

3、根据权利要求1或2所述的一种钢水温度快速响应红外连续测量装置，其特征在于：所述的测量探头(3)包括光学镜头、光电转换、信号放大、数模转换及处理运算的电路板；红外信号进入测量探头后直接转变为被测温度的数字电信号，再经穿过金属软管的信号电缆输出至仪表柜。

4、根据权利要求1或2所述的一种钢水温度快速响应红外连续测量装置，其特征在于：所述的测量探头(3)仅由光学镜头构成，红外信号经光学镜头耦合入光缆后穿过金属软管将红外信号传输至远离极端高温区的仪表柜中的光电转换、放大、数模转换及处理运算的电路板。

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