CN101762328B - 用于测量熔融金属浴温度的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测量熔融浴的参数的装置，其具有带套壳的光纤和连接到所述光纤的检测器，其中所述套壳以多层包绕所述光纤，一个层包括金属管以及布置在所述金属管下方的中间层，所述中间层包括粉末或者纤维或者颗粒材料，其中所述中间层的材料以多部分的方式包围所述光纤。
Description
本申请是申请日为2007年5月9日的、申请号为200710101770.5的、发明名称为“用于测量熔融金属浴温度的方法和装置”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种借助于由套壳包绕的光纤来测量熔融浴参数的方法，上述参数尤其是温度，熔融浴尤其是熔融金属浴，所述光纤浸入在熔融金属浴中，并且把熔融金属浴中的光纤吸收的辐射馈送到检测器中，其中当浸入熔融浴中时所述光纤被加热。此外，本发明还涉及一种测量熔融浴参数的装置，上述参数尤其是温度，熔融浴尤其是熔融金属浴，该装置具有带套壳的光纤和连接到所述光纤的检测器，其中所述套壳以多层的方式包绕所述光纤。在本发明意义上的参数还可以是：例如熔融金属浴的高度或者组成，换言之，可以是成分的比例。还可以在其它的熔融浴中进行测量，譬如熔融的盐浴、熔融冰晶石浴或者熔融玻璃浴。
背景技术
这种方法例如从JP 11118607中所公知。该文献描述如何使用光纤在熔融金属浴中测量温度。从线轴上退卷光纤，并且经馈送管线将光纤送到熔融金属浴中。通过检测器测算由光纤吸收的辐射。对应的光纤例如从JP 10176954中公知。在此文献中所描述的光纤在远端由金属管包绕。围绕该金属管，布置由绝热材料制造的管，该绝热材料制造的管由外部金属管包绕。该结构防止内部的金属管熔化过快。绝热材料制造的管包含碳颗粒，从而在对应的管部浸入熔融金属浴中之前，内部的金属管不会熔化。把光纤浸入进熔融金属浴中，并且以事先确定的速度跟踪光纤，从而可以即使在光纤的端部被摧毁了的情况下也可以连续地测量。一种用于测量温度的类似的光纤披露于JP7151918中。该文献描述的光纤由包以塑料材料层的保护性金属管包绕。
还公知这样的多层线，在钢铁厂中将其用于选择性地把掺杂物引入到熔融金属浴中(例如在DE 199 16 235、DE 37 12 619、DE 19623 194、US 6,770,366中)。
发明内容
本发明的目的是改进借助于光纤在熔融金属浴中的参数测量。
根据本发明的一个方面，提供一种通过光纤测量熔融浴参数的方法，上述参数尤其是熔融浴的温度，熔融浴尤其是熔融金属浴，该光纤由套壳包绕，该光纤浸入熔融浴中，并且把熔融浴中光纤吸收的辐射馈送到检测器中，其中，当浸入熔融浴中时光纤被加热，光纤的加热曲线具有至少一个点P(t0、T0)，其中，在第一时间间隔t0-Δt中经过时间Δt后光纤的温度T达到温度T0的增量为ΔT1，以及，在紧接其后的第二时间间隔t0+Δt中，经过时间Δt后光纤温度的增量为ΔT2，ΔT1小于ΔT2。
当光纤浸入进熔融金属浴中时，或者当它接近熔融金属浴时或者接近熔融金属浴上方的浮渣时(例如在熔融钢浴的情况下)，所述光纤自然被加热。加热尤其涉及光纤的端部或者说浸入端。因为石英玻璃不能够长时间耐受熔融钢浴的高温，光传导件通常为石英玻璃的光纤在相关的端部处必须不断地更换。因此，根据本发明的方法在各情况下涉及渗入进熔融浴中或者熔融浴上方的熔渣层中的光纤前部。根据本发明，光纤的加热曲线(加热曲线代表作为时间t的函数的温度T的增量)具有至少一个点P(t0、T0)，其中，在第一时间间隔t0-Δt中经过时间Δt后光纤温度达到温度T0的增量为ΔT1，以及，在随后的第二时间间隔t0+Δt中经过时间Δt后光纤温度的增量为ΔT2，ΔT1小于ΔT2。
这种类型的温度进程意味着：从加热曲线上的特定时刻起，原则上具有弯曲(近似不连续性)，在此处，与以前的进程相比加热速度显著地增加。已经证明，光纤或者紧靠其周围的环境产生机械运动，该机械运动的幅度取决于加热速度变化的大小和所对应时间间隔缩短的量。加热速度的改变越大且所述时间间隔Δt越小，在加热曲线中发生这种近似不稳定的变化时，光纤或者紧靠其周围的环境的机械运动越大。该运动辅助光纤浸入熔融浴中以及辅助光纤端部的更换，光纤端部几乎是通过突然的上升运动(振动)推出，从而可以跟踪还没有被高温损毁的玻璃纤维的新端部。
在第二时间间隔t0+Δt后温度T的增量ΔT2是第一时间间隔t0-Δt中温度的增量ΔT1的至少5倍，更好为至少10倍，优选为至少20倍。在所述第二时间区域中，温度增量特别优选的是50倍，或者更好是100倍。两个时间区域的持续时间Δt有利地应当最长为500ms，优选的是最长为200ms。
在两个时间间隔之间t0时刻处的光纤温度T0适宜设定为最高600℃，较佳的是最高200℃，优选的是最高100℃。狭义的实际光纤温度，换言之石英玻璃的温度，应当如此考虑。加速速度的变化基于该温度T0，T0越低，则这种变化就可以越强并且更有效。
光纤浸入所述熔融金属浴中或者说馈送进熔融金属浴中的速度对应于其端部玻璃结构损毁的速度，从而持续地馈给适于接收和传送辐射的新的玻璃纤维材料，而没有因为损毁的纤维结构而导致的辐射损耗。
根据本发明，一种测量参数特别是温度参数的装置，上述参数尤其是熔融浴的温度，尤其是熔融金属浴，该装置具有带套壳的光纤以及连接到光纤的检测器，其中套壳以多层包绕光纤，其特征在于一个层设计成金属管，以及，布置在金属管下的中间层由粉末或者纤维或者颗粒材料形成，其中，中间层的材料以多个分开的部分包围所述纤维。在本发明中，中间层的材料以多个分开的部分包围纤维的特征指的是，多个部分的结构存在于工作状态，换言之，存在于浸入要测量的熔融浴的过程中或者之后。在此情况下，温度至少为1000℃，优选为至少1400℃。在此状态下，粘接剂(制造过程中可能用在中间层的部分之间)被分解或者烧除，从而各个部分不再相互连接，或者在很大程度上不再相互连接。这些部分既可以形成小的颗粒也可以形成较大的粘结单元，譬如堆集体，或者例如布置在纤维周围的壳。因此，中间层的材料整体上不是刚性的，而是至少本身有限程度可移动。
在光纤浸入熔融金属浴或者熔融金属浴上的熔渣层的过程中，这种中间层被加热，出人预料的事实证明，对于金属管与中间层(由粉末或者纤维或者颗粒材料制成并布置于金属管上)的组合，从存在气体的加热曲线上特定时刻起，在加热时，即如果把金属管加热到这样的程度，因加热而使中间层气体膨胀从而在金属管内部引起压力，而金属管不能再耐受这样的压力时，中间层的这种材料能够突然大程度膨胀。在此情况下，快速上升的应力形成在金属管内侧，直到其突然破裂，或者以某种其他方式被摧毁为止，从而使光纤的套壳几乎爆裂式从纤维脱离。总体上，根据本发明的装置的特征在于，在金属管摧毁过程中或者金属管解体后，中间层作为层体会快速崩解，其组成部分从纤维脱离。以此方式，一方面光纤在其浸入端部非常快速并突然地暴露于熔融金属浴，另一方面使光纤端部推进到熔融金属浴中的操作相当容易。
中间层优选用二氧化硅、氧化铝或者对熔融金属浴耐火的材料或者惰性材料形成。中间层的材料本身不是刚性的，但是各材料颗粒可以彼此相对移动，从而，一方面使带有光纤的套壳尽可能具备柔性，另一方面，又保证了这种材料胀裂或者释放的突发性。所述套壳可以具有金属外层，尤其是锌外层；也可以具有陶瓷纸、纸板或者塑料材料的外层。
所述套壳优选具有振动器，或者在套壳上或者挨着套壳布置振动器，以改进从光纤释放套壳材料或者光纤被毁端部的去除(断开)。振动器也可以由中间层的材料形成，因为事实已经证明，在加热时中间层的材料颗粒彼此相向地移动，这种移动局部突然地发生，于是在此材料内或者在中间层内产生振动。
这种振动器可以由在100℃至1700℃之间形成气体的材料(例如塑料材料或者其它在该温度范围内燃烧或者放出气体的材料)形成。适宜的是，还可在振动器与套壳之间布置中间空间，该空间小于振动器的振荡幅度。尤其是，如果振动器布置在套壳的外侧，其周期性地机械作用在套壳上，从而振动最优由这种击打传播。另一个有利的可供选择替代方案是，套壳的外侧具有沿纵向接续布置的凹凸部，其中在套壳旁布置的(尤其是在光纤引导装置上布置的)障碍物起作用，从而在推进光纤时产生振动。
另外，光纤可以由作为内层的金属套管包绕。套壳的各层可以直接彼此紧靠另外一层布置，在内侧的层优选直接靠在光纤上。有利的，套壳的金属管还有金属套管由钢制成，尤其是如果该装置用于在熔融钢浴或者熔融铁浴中测量时。通常，金属管或者金属套管的材料的熔点应当对应于待测量熔融金属浴的熔点。
总体上说，根据本发明的装置具有石英玻璃纤维的套壳，所述石英玻璃纤维在浸入进熔融金属浴中时被不连续地摧毁。以此方式，光纤在相对长的时间内保持于非常低的温度，并且从特定温度起把纤维突然地加热到熔融金属浴的平均温度，从而可以在光纤或者其浸入进熔融金属浴中的端部被摧毁以前，非常迅速地进行测量。通过利用与其浸入端部毁损相同的速度连续跟踪进入熔融金属浴中的纤维，在熔融金属浴中总是有可用于测量的纤维材料。纤维的端部被连续地摧毁，从而纤维的侵蚀面几乎是静止的。因此，纤维或者其浸入端应当在其降解的开始时刻达到熔融物温度(因此，在此情况下这种所谓的临界速度等于侵蚀速度，即纤维侵蚀面移动的速度)。如果侵蚀速度低于临界速度，纤维在其达到熔融物温度以前被摧毁。
附图说明
下面以举例的方式，参照附图说明本发明的实施例，在附图中：
图1示出根据本发明一个实施方式的方法的加热曲线，该加热曲线的特征在说明书的引言部分中述及；
图2示出根据本发明一个实施方式的装置的示意图；
图3示出所述装置的机械振动供选方案的图示；
图4a至图4c示出各带有检测器的根据本发明不同实施方式的装置的示意图；
图5a至图5d是所述装置中带有套壳的纤维的多种实施方式的剖视图；以及
图6以剖视图示出纤维的细节。
具体实施方式
在图1中，示出根据本发明方法在熔融钢浴中浸入光纤的温度/时间进程。带有套壳的石英玻璃纤维在熔融钢浴中的浸入速度等于其摧毁速度(侵蚀速度)，从而所述侵蚀面在熔融金属浴中接近于静止。此速度对应于临界速度，从而在摧毁面(侵蚀面)上的光纤达到熔融物温度。
在较长时间段内，石英玻璃纤维本身在其套罩内只有非常小的温度上升。在一定时刻突然去除套壳，于是其温度在短时间内急速上升直到温度达到熔融钢浴中的平衡温度。
在图2中示出带有钢熔融浴2的熔融盆1。光纤组件3浸入于该熔融盆中。在熔融金属浴上方，光纤组件3具有外部套罩4，该外部套罩用于容易地通过推进装置5推进。在套罩4中正对钢熔融浴2的端部布置振动器6，该振动器以短的间隔击打套罩4，从而一旦石英玻璃纤维的套壳达到预定的温度，由于产生的振动，使石英玻璃纤维的套壳突然摧毁。此时外部钢套壳的温度已经非常高，布置在石英玻璃纤维与外部钢套壳之间的粉末或者包含在中间层中的气体已经很大程度地膨胀，并且在振动器6的机械作用的辅助下，各因素促使受到热-机械应力的钢套壳爆裂。结果，石英玻璃纤维立即暴露于熔融钢浴的温度环境，从而石英玻璃纤维被极快速地加热到平衡温度。中间层由二氧化硅粉末或者氧化铝粉末形成。
图3示出带套壳的光纤组件3，所述套壳在其外侧具有沿纵向接连布置的凹凸部分。光纤组件3由引导套管7引导，该引导套管在其内侧具有支承件8，沿该支承件引导光纤组件3。在光纤组件3中与支承件8相对一侧，引导套管7的边缘向内切向弯曲，从而在该处形成障碍物9。该障碍物9接合在凹凸部分中，从而在光纤组件3的推进运动中不断地振动光纤组件3。
图4a示出光纤组件3，其中光纤10(即石英玻璃纤维)由钢管11包绕。在钢管11内布置由氧化铝粉末制造的中间层12。石英玻璃纤维10在其光纤浸入端的相反侧端部连接到检测器13上。在图4b中示出类似布置，其中石英玻璃纤维10由金属套管14包绕。可以经金属套管14传送冷却气体，在光纤组件3的检测器方端部，将冷却气体引导出钢管11，从而附加地冷却石英玻璃纤维10。图4c示出同样类似于图4a的光纤组件3。借助于垂直于光纤10布置的纸板圆盘15，将位于钢管11与石英玻璃纤维10之间的中间空间分成多个腔室。一方面，纸板圆盘15起稳定中间层12的作用。沿纵向行进，在光纤组件3的摧毁过程中，该纸板圆盘尤其稳定中间层12的粉末。另一方面，在纸板圆盘15由于受热而燃烧的过程中，产生附加的不连续性/间断，这有助于将石英玻璃纤维10快速地暴露于熔融金属浴，从而在摧毁套壳以后，石英玻璃纤维非常快速地变热。
图5a至图5d中示出用于在光纤组件3套壳的中心稳定石英玻璃纤维10的几种可供选择的替代方案。根据图5a，以使之整体地形成同心方式布置的内管16的方式，弯曲钢管11，所述内管通过沿套壳行进的连接板17连接到外部的钢管11。外部的钢管11在接缝点18处焊接在一起，并且具有大约0.5mm的壁厚。石英玻璃纤维10布置在内管16中。在如图5b所示的实施方式中，石英玻璃纤维10布置在中间层12的材料中，位于中心处位置。图5c示出类似于图5a的光纤组件3另一实施方式。但是，其中钢管11由两个半管构成，在每个半管中以接合的方式形成两个连接板17，通过该连接板将石英玻璃纤维10锁定在中心处。根据图5d的实施方式以类似方式构造。该实施方式另外具有第二外钢管19，所述外钢管把用两个壳体形成的钢管11保持在一起。相对于其它实施方式，这两个钢管11、19的壁可以相应减薄，各减至约0.25mm。在接缝点20处需要单独焊接。
图6详细地示出光纤截面。石英玻璃纤维10以很小的间距由钢壳21包绕，从而虽然加热时有两种材料的不同膨胀，但石英玻璃纤维10总是稳定的。在钢壳21与钢管11之间布置由氧化铝颗粒制成的中间层12。钢管11由金属片卷成并且通过折叠部23封闭。
Claims (14)
1.一种用于测量熔融浴的参数的装置，具有带套壳的光纤和连接到所述光纤的检测器，其中所述套壳以多层包绕所述光纤，一个层包括金属管以及布置在所述金属管下方的中间层，所述中间层包括粉末或者纤维或者颗粒材料，其中所述中间层的材料以多部分的方式包围所述光纤，
其中，所述套壳具有振动器，或者，振动器布置在所述套壳上或靠近所述套壳。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述参数是温度。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中，所述熔融浴包括熔融金属浴。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述中间层包含惰性材料或者对熔融浴耐火的材料。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，外层包括金属、陶瓷纸、纸板或者塑料材料。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述金属包括锌。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述振动器包括在100℃至1700℃之间形成气体的材料。
8.根据权利要求1或权利要求7所述的装置，其中，在所述振动器与所述套壳之间，布置有小于所述振动器的振荡幅度的中间空间。
9.根据权利要求1或权利要求7所述的装置，其中，所述套壳的外侧具有沿纵向接续布置的凹凸部分，在其中接合有障碍物，所述障碍物布置在所述套壳旁。
10.根据权利要求1或权利要求7所述的装置，其中，所述套壳的外侧具有沿纵向接续布置的凹凸部分，在其中接合有障碍物，所述障碍物布置在光纤引导装置上。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光纤由作为内层的金属套管包绕。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述套壳的各层直接与另外的层紧靠方式布置。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，在内侧上的层直接紧靠在所述光纤上。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述中间层包含二氧化硅或氧化铝。
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