CN102089095A - 通过光纤测量方法在结晶器中进行的温度测量 - Google Patents

通过光纤测量方法在结晶器中进行的温度测量 Download PDF

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Abstract

本发明描述一种使用光纤测量方法测量结晶器中的温度的方法和一种相应构造的结晶器。为此，光导纤维设置在结晶器铜板外侧面上的槽中，激光通过这些光导纤维进行传导。使用温度检测系统可沿测量光纤在多个测量位置处确定温度。特别是，在所述方法中，相比于使用热电偶的已知温度检测系统，将实现改善在结晶器中进行温度测量的位置分辨率。

Description

通过光纤测量方法在结晶器中进行的温度测量
发明领域
本发明描述一种借助光纤测量方法来测量结晶器(Kokille)中的温度的方法和一种相应构造的结晶器。为此，在结晶器的外侧面上设置光导纤维，激光通过该光导纤维传导。本发明用于相对于已知的温度检测系统改善在结晶器中进行的温度检测的位置分辨率
Figure BPA00001325003100011
并特别地允许改善对纵向裂纹和断裂的识别。
现有技术
结晶器中的温度测量是较为重要的问题，这在快速浇铸的浇铸设备过程中越来越重要。通常，主要通过热电偶来检测结晶器中的温度，这些热电偶要么穿过结晶器铜板上的孔，要么焊接在结晶器的铜板上。这些测量方法基于对温差电压的评价。这种热电偶的数目和尺寸是受限的。因此，若不付出很大的改造耗费，热电偶通常就只能用在膨胀螺钉位置处。此外，随着热电偶数量增加，还会带来相当高的布线费用。此外，这些传感器易受例如通过电磁制动或搅拌器产生的电磁场的干扰。此外，为保护热电偶包括其布线，还必须提供昂贵的保护装置。在定期更换结晶器的铜板时，必须重新对热传感器布线，其中除了大量人工成本外，还可能产生差错。
WO 2004/082869公开了一种用热电偶确定连铸浇铸结晶器中的温度的方法，这些热电偶布置在结晶器外的铜板上，并通过孔插入结晶器中。
DE 3436331公开了一种用于测量冶金器皿中、特别连铸浇铸结晶器中的温度的类似方法，在这种冶金器皿中，热电偶布置在大量横孔中。
这两种方法具有上述缺点。此外，钻大量孔需要较大资金和时间耗费。遗憾的是，大量如此安装的热电偶导致巨大的布线费用。
在DE 102 36 033中，从监测熔炉、特别是感应炉的防火外套的区域中，描述了一种借助光导纤维测量温度的方法，其中，光导纤维布置在多个隔离层后的管道材料上，并用于光纤式的反散射测量。然而，这种形式的系统对于结晶器中的温度测量来说并不合适，且不是为浇铸结晶器中的精确的局部温度测量而设计的。
由此而产生的技术任务是，能改进、即特别是位置分辨率较高地在结晶器中进行温度测量，此外，这种温度测量本身带来尽可能低的安装耗费，以便特别是改进结晶器中对纵向裂纹和/或断裂的识别。
本发明的公开
上述技术任务通过下述公开的本发明来解决，特别是本发明描述一种测量浇铸设备的结晶器中的温度的方法，其中，使用传感器来测量在结晶器的至少一个铜板中的温度，且传感器与温度检测系统相连接，其特征在于，使用至少一根光导纤维作为传感器，激光通过该光导纤维传导，其中，在结晶器铜板外侧面上形成槽，在这些槽中布置至少一根光导纤维。
相比于在结晶器中使用热电偶，借助光导纤维的温度测量使得布线费用大大减少。此外，为在结晶器-铜板中安装光纤所需要的人工耗费和成本耗费大幅减少。此外，按照上述方法使用光导纤维，相比于通过所述系统利用孔中的热电偶进行温度测量能大幅提高位置分辨率。因此，光导纤维能代替例如连同线缆的多于百个的热电偶。也无需为连同布线在内的热电偶更多地提供昂贵的保护装置。
在另一个优选形式中，该方法具有至少一根光导纤维，其曲折形地布置在结晶器-铜板外侧面上的槽中。
在另一个优选实施方式中，该方法具有至少两根按照长度错开的、分别布置在槽中的光导纤维。由此，还可进一步改善温度测量的位置分辨率。
在另一个优选实施方式中，该方法具有冷却管道之间的槽，这些槽布置在结晶器-铜板的外侧面上。
在另一个优选实施方式中，该方法具有光导纤维，这些光导纤维分别布置在结晶器的固定侧、松侧，并优选分别布置在结晶器的两窄侧中。
在另一个优选实施方式中，每个单独侧的光导纤维分别通过联接器并分别通过另一根分离的光导纤维与温度检测系统相连接。
在另一个优选实施方式中，每个单独侧的光导纤维通过联接器串联连接，并通过另一个联接器与温度检测系统相连接。
在该方法的另一个优选实施方式中，激光通过至少一个联接器引向结晶器，通过该联接器同时传递多个光导纤维的管道。
在该方法的另一个优选实施方式中，联接器是透镜联接器。
在该方法的另一个优选实施方式中，温度检测系统的数据传递到处理计算机处，该计算机处理这些数据，并通过这些数据控制浇铸过程。
此外，本发明由用于浇铸金属的结晶器构成，该结晶器具有至少一个铜板，且其特征在于，在结晶器-铜板的外侧面上设置有槽，在这些槽中布置用于测量温度的光导纤维。
在结晶器的另一个优选实施方式中，光导纤维曲折形地布置在槽中。
在结晶器的另一个优选实施方式中，在各槽中布置至少两根按照长度错开的光导纤维。
在结晶器的另一个优选实施方式中，这些槽布置在结晶器-铜板外侧面上的冷却管道之间。
附图简要说明：
图1示意性示出带有槽和在这些槽中布置的光导纤维的结晶器铜板外侧面的二维视图。
图2示出带有冷却切口和布置在冷却切口之间的光导体的结晶器宽侧的横截面。非常简化的视图并未示出正确的尺寸比例。
图3示出用于将光导纤维布置在结晶器的不同侧并连接到温度检测单元和处理计算机的示意图。
图4示出用于将光导纤维布置在结晶器的不同侧、串联连接这些光导纤维及使得这些光导纤维前后相继地与温度检测单元和处理计算机连接的另一个示意图。
图5示意性示出透镜联接器的横截面。
实施例的详细说明
在图1中示出本发明的实施例，其中光导纤维2曲折形地在结晶器铜板1背面上的冷却管道6之间铺设在槽4中。在本实施例中，为明了起见，选择只包含少数测量位置3的光导纤维2。当然可设置明显更多的测量位置3。此外，在该实施例中可看到膨胀螺钉5，在这些膨胀螺钉5中例如曾布置或可以布置热电偶。在该实施例中可看出，相比只将热电偶布置在膨胀螺钉5中，垂直于浇铸方向的分辨率成倍增长、例如增加一倍。通过这种对光导纤维2的有利的布置和使用，能更好地监测纵向裂纹的产生。分辨率的这种改善甚至可能是决定性的，这是因为膨胀螺钉5的间距通常大于热电偶的温度检测半径。因此，单将热电偶布置在膨胀螺钉5中时，在铜板中存在借助热电偶未被监测到的区域。如在图1中所示出那样，光导纤维2的这种布置方式克服了这个问题，并保证对结晶器1的铜板中的温度的区域覆盖式
Figure BPA00001325003100041
监测。
与该实施例无关，例如光导纤维2可以借助浇铸树脂浇铸到槽4中，但光导纤维也可用其他常见的方法固定在槽4中。
此外，为了更好地保护光导纤维2避免外部影响，这些光导纤维可以具有特种钢外套。此外，一般可在特种钢外套或特种钢套管内布置多个这种光导纤维2，从而即便在某一光纤2极少出现缺陷时，可以继续使用已经铺设在套管中的另一根光纤2。此外可考虑，在套管中布置多个用于测量的光纤2，由此提高测量精度，这是因为可任意窄地选择测量位置3的间距。
光导纤维2可优选具有在0.1毫米与0.2毫米之间的直径或其它常见的直径。由例如特种钢制成的套管的直径可在0.5毫米和6毫米之间变换。槽4的直径可优选在1毫米和10毫米之间，或也可视应用而定为多个厘米大。
此外，为了改善位置分辨率，可以在槽4中布置多个光导纤维。由此可大幅提高测量位置数3。由此，在冷却管道6方向上、即在浇铸方向上的分辨率相对于附图来说可变成任意多倍，例如双倍或四倍。
通常，通过使用一至两根玻璃纤维线缆和光导纤维可代替包括布线的60到120个热电偶。测量位置数原则上只受所用的温度检测系统10的计算容量限制。因此可以借助相应的温度检测系统10实现测量位置的数目的进一步大幅提高，这样每条光导纤维2就能实现500个以上的测量位置。通过这种明显密集的测量位置数可使位置分辨率进一步翻倍。
图2示出根据本发明的另一个实施例的结晶器宽侧的结晶器-铜板1‘的横截面。附图下方可看见结晶器的内侧。冷却管道6‘位于结晶器-铜板1‘的外侧(上方)，切口和槽4‘位于这些冷却管道之间，光导纤维2与结晶器-铜板接触地布置在这些切口和槽中。在该实施例中，光导纤维2具有特种钢外套7，然而，这些光导纤维也可以不加外套地设置在系统中。此外，多个光波导或光导纤维2可布置在这种外套7内。此外，在该实施例中，光导纤维2优选用浇铸树脂浇铸到槽4‘中。图2未示出在槽4‘、冷却管道6‘、光导纤维2和结晶器-铜板1‘之间的真实尺寸比例。槽4‘、光导纤维2和冷却管道6‘的尺寸取决于专门使用的结晶器，并位于如在针对图1的描述中所提及的数量级内。
图3示出与温度检测系统10相连接的光导纤维2的示例性线路图。在该实施例中，光导纤维2布置在结晶器的固定侧11、松侧13和两窄侧12、14中。各侧的光导纤维分别通过光导纤维线缆或其它光导纤维与评价单元10相连。为将每个单独的光导纤维2与温度检测系统10相连接，设置所谓的透镜联接器9。也可有选择地在评价单元和结晶器中的光纤之间设置明显更多的(或不设置)透镜联接器，这远远不会明显影响信号的质量。也可以在每个结晶器侧11、12、13、14都设置多个光纤2，并且同样将其与温度检测系统10相连接。此外，也可以规定仅在结晶器的一侧、两侧或三侧11、12、13、14进行温度检测。
温度检测系统10与处理计算机20相连接。借助这种温度检测系统10或也可有选择地用另一个外部系统产生输入到光导纤维2中的激光。由光导纤维2所收集的数据将借助温度检测系统换算成温度，并指配于结晶器的不同位置。例如可采用已知的光纤-布拉格-光栅-方法(FBG方法)进行评价。在这种方法中使用合适的光导纤维，这些光导纤维“记住”般地
Figure BPA00001325003100051
获得带有计算指数周期变化的测量位置或带有这种变化的光栅。这种计算指数的周期变化导致，取决于测量位置处特定波长的周期性，光导纤维形成介电的反射镜。通过一点处的温度变化来改变布拉格波长，此时精确地反射这种波长。不满足布拉格条件的光基本上不受布拉格光栅的影响。不同测量位置的各种不同信号于是能根据传输时间差异而彼此区分。这种光纤-布拉格-光栅的具体构造及相应的评价单元通常是已知的。通过“记住”的测量位置数目得出位置分辨率的精度。测量位置的尺寸例如可在1毫米至5毫米范围内。
另外，“光-频域-反射计”方法(OFDR-方法)或“光-时域-反射计”方法(OTDR方法)也可用于温度测量。这两种方法基于光纤Raman反散射原理，其中，充分利用光导纤维的一点处的温度变化引起光导纤维材料的Raman反散射的变化。借助评价单元例如Raman反射计，然后可位置分辨地确定沿光纤的温度值，其中在该方法中在光纤的一定长度上求平均。该长度目前为几厘米。不同测量位置又通过传输时间差彼此分开。这种按照所述方法进行评价的系统的结构通常是已知的，同样地，所需要的、在光纤2内产生激光的激光器也是已知的。
通过温度检测单元10获得的位置分辨的温度数据随后优选传递到处理计算机20处，该处理计算机可根据结晶器中的温度分布情况来调节浇铸参数、例如浇铸速度或冷却和/或其他通用的参数。
图4示出在结晶器侧壁中布置光导纤维2的示意线路图。然而与图3相反，结晶器各个侧壁中的光导纤维2现通过串联彼此连接。也就是说在这种情况下，第一窄侧12的光导纤维2通过透镜联接器9与松侧13的光导纤维2相连接，且松侧13的光导纤维2通过透镜联接器9与第二窄侧14的光导纤维2相连接，且第二窄侧14的光导纤维2通过透镜联接器9与固定侧11的光导纤维2相连接，且固定侧11的光导纤维2通过透镜联接器9与温度检测系统10相连接。显然的是，四侧的传感器的顺序，如果期望的话，也可以随意以不同的方式选择。通过这种方式的串联，布线的耗费再一次大幅降低。也可以在每个结晶器侧11、12、13、14使用多个光纤2，且将这些光纤串联联接。此外，也可以规定仅在结晶器侧11、12、13和14的一侧、两侧或三侧进行温度检测。
如在图3中那样，在评价时可考虑采用FBG方法、OTDR方法或OFDR方法。此外，一般也可以使用其他合适的方法来确定沿光纤的温度走势。
如在图3和4中所示的那样，图5示出透镜联接器9的示例性横截面。联接器9由两个半件构成，这两个半件在其端部分别与光导纤维2相联接。这些联接器拥有内部透镜系统，其中，待传递的激光束在射出光纤时作扇形放射，并在联接器另一侧又聚集成束。在两个联接器半件之间并行导入激光束。在这种联接器中可同时传递多个光导纤维管路。透镜联接器也能以所谓的室外-EBC-连接器(“延伸式光束连接器”)方式来实施。这种联接器非常耐用，并对于可能的污染不敏感。
附图标记清单
1.、1.‘结晶器-铜板
2.     光导纤维
3.     测量位置
4.、4‘.槽
5.     膨胀螺钉
6.、6‘.冷却管道
7.     特种钢外套
9.     透镜联接器
10.    温度检测系统
11.    固定侧
12.    第一窄侧
13.    松侧
14.    第二窄侧
20.    处理计算机

Claims (14)

1.用于测量浇铸设备的结晶器中的温度的方法，其中，使用用于测量所述结晶器(1、1‘)的至少一个铜板中的温度的传感器，所述传感器与温度检测系统(10)相连接，其特征在于，使用至少一个光导纤维(2)作为传感器，通过所述光导纤维传导激光，其中在所述结晶器-铜板(1、1‘)的外侧面上形成槽(4、4‘)，在所述槽中布置至少一根光导纤维(2)。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在所述结晶器-铜板(1、1‘)的外侧面上的槽(4、4‘)中曲折形地布置至少一根光导纤维(2)。
3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，至少两个按照长度错开的光导纤维(2)布置在各个所述槽(4、4‘)中。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述槽(4、4‘)在所述结晶器-铜板(1、1‘)的外侧面上布置在冷却管道(6、6‘)之间。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述光导纤维(2)分别布置在所述结晶器的固定侧(11)、松侧(13)，并优选分别布置在结晶器的两窄侧(12、14)。
6.如权利要求5所述的方法，其中，每个单独侧(11、12、13、14)的光导纤维(2)分别通过联接器(9)并分别通过另一分开的光导纤维(2)与温度检测系统(10)相连接。
7.如权利要求5所述的方法，其中，每个单独侧(11、12、13、14)的光导纤维(2)通过联接器(9)彼此串联地相连接，并通过另一个联接器(9)与温度检测系统(10)相连接。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，激光通过至少一个联接器(9)引向所述结晶器，通过所述联接器同时传递多个光导纤维(2)的管道。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述联接器(9)是透镜联接器。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述温度检测系统(10)的数据传递到处理计算机(20)处，所述处理计算机(20)处理这些数据并通过这些数据控制浇铸过程。
11.用于浇铸金属的结晶器，其包括至少一个结晶器-铜板(1、1‘)，其特征在于，在所述结晶器-铜板(1、1‘)的外侧面上设置有槽(4、4‘)，在这些槽中布置有用于温度测量的光导纤维(2)。
12.如权利要求11所述的结晶器，其中，光导纤维(2)曲折形地布置在槽(4、4‘)中。
13.如权利要求11所述的结晶器，其中，在各槽(4、4‘)中布置有至少两根按照长度错开的光导纤维(2)。
14.如权利要求11所述的结晶器，其中，所述槽(4、4‘)在所述结晶器-铜板(1、1‘)的外侧面上布置在冷却管道(6、6‘)之间。
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