CN102112253B - 通过纤维光学的测量方法在结晶器中的铸造液面测量 - Google Patents

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Abstract

本发明示出了一种用于借助于用于以纤维光学的方式获取温度的探测器在结晶器中进行铸造液面测量的方法，该探测器在结晶器铜板中布置在铸造液面的高度上。此外，本发明包括相应的探测器。在该探测器中布置有光波导，该光波导通过合适的温度评估系统允许在铸造液面的高度上简单地且可靠地且以高空间分辨率进行温度监测。然后，借助于通过探测器获得的温度，可推断出铸造液面的准确的高度。此外，可确定铸造液面波的形状，由此可得到铸造过程的其它参数。

Description

通过纤维光学的测量方法在结晶器中的铸造液面测量
技术领域
本发明示出了一种用于借助于一个或多个测量纤维(Messfaser)和/或借助于用于以纤维光学的方式获取温度的探测器(Sonde)在结晶器(Kokille)中进行铸造液面测量(Gieβspiegelmessung)的方法，该探测器在结晶器铜板中布置在铸造液面(Gieβspiegel)的高度上。借助于通过用于以纤维光学的方式获取温度的探测器获得的温度，可推断出铸造液面的准确的高度。此外，本发明包括相应的探测器。
背景技术
已知的和通常的用于确定铸造液面的高度的方法使用放射性的粒子(Partikel)，该粒子被引入到结晶器中，其中，测量在结晶器的不同高度中放射的辐射，由此，推断出铸造液面的高度。为了改进测量可能的是，将更高密度的这种粒子引入到结晶器中。
这种方法具有的缺点为，其必须满足越来越严格的辐射保护规定。使用放射性的材料妨碍了简单的维护工作，并且前提为昂贵的材料来源。此外，该方法不适合用于确定铸造液面波(Gieβspiegelwelle)的形状，从铸造液面波的形状中可得到可用的关于其它铸造参数的信息，例如铸造速度(Gieβgeschwindigkeit)。
此外，已知这样的方法，即，在其中通过借助于热电偶(Thermoelement)获取温度以确定结晶器的铸造液面。
该方法具有的缺点为，在实际中不可以非常窄的间距布置热电偶。此外，对于每个单独的测量点需要单独的热电偶，从而由此也产生了大的材料消耗且主要产生大的布线消耗。最后，热电偶同样在电磁制动的磁场方面易受影响或易受电磁搅动线圈(Rührspule)的影响。此外，在定期更换结晶器时必须繁琐地重新联接缆线，其中，可出现混淆或忘记连接。
文件EP 1 769 864描述了一种用于确定连续铸造结晶器(Stranggieβkokille)的熔池液面的方法，在该方法中应使用摄影机，该摄影机对准结晶器的铜板的背侧，并且在红外线的区域中检测结晶器铜板的颜色变化。在这种布置方案中的缺点为，这种摄影机系统需要很多空间，并且此外，通常由结晶器铜板之后的冷却水构件严重地妨碍对铸造液面的监测。如果根据该方法使用光波导(Lichtwellenleiter)，以用于将红外线辐射直接从结晶器铜板的点处引导到摄影机处，则对于每个测量点都需要必须引导到摄影机且正确连接的光波导。
公开文件DE 26 55 640公开了一种用于确定在连续铸造结晶器中的熔液液面的装置，其中，使用由热敏感的磁性材料制成的检测元件。那么，通过在结晶器壁中的温度变化可最终推断出铸造液面高度。该系统的庞大的布置使的高空间分辨率的铸造液面获取是不可能的。此外，在外部磁场的方面该方法易受到干扰，如以上所提及的那样。同样利用多个这种装置也不可能得到足够的关于铸造液面波的形状的信息。
由此，提出的技术目的为，消除以上提及的缺点。
发明内容
以上撰写的技术目的通过本发明实现，并且通过用于在用于金属铸造的结晶器中进行铸造液面测量的方法给出，其中，在铸造方向上在结晶器的高度上获取在铸造液面的区域中的温度分布以用于确定铸造液面的高度，其特征在于，借助于一个或多个测量纤维和/或借助于至少一个测量探测器实现该温度获取，该测量探测器装配(verbauen)到结晶器铜板中并且包括纤维光学的传感器，其中，借助于评估装置从获取的温度分布中确定铸造液面的高度。
该方法使在结晶器中可靠地且高空间分辨率地获取铸造液面成为可能。不必如在放射性的检测方法的范围中那样考虑辐射规范。此外，与利用热电偶时可行的空间分辨率相比，该系统具有更高的空间分辨率。此外，消除了这种系统的布线消耗。不易受周围的磁场的干扰。该系统可容易地结合到已有的结晶器铜板中，并且同时可重复使用。
在该方法的优选的实施形式中，为了在结晶器的下端部的区域中调节铸造过程(Angieβvorgang)布置有至少另一用于获取温度的测量探测器，其包括纤维光学的传感器和/或热电偶。
这种有利的特征使控制铸造过程成为可能，并且在使用纤维光学的传感器的情况下相对于已知的方法具有已经提及的优点。
在该方法的另一优选的实施形式中，在宽度方向上，垂直于铸造方向布置有至少两个测量探测器，以使得在宽度方向上可至少在两个测量部位处确定铸造液面高度，从而获得关于铸造液面波的形状的信息。
通过纤维光学的传感器或探测器的这种布置方案，由于高的空间分辨率可确定铸造液面波的形状，由此，可推断出铸造速度。由此，借助于调节回路也可例如控制电磁的制动。
在该方法的另一优选的实施形式中，使用纤维布拉格光栅方法(FBG方法)或光学时域反射方法(OTDR方法)或光学频域反射方法(OFDR方法)以用于评估。
在该方法的另一优选的实施形式中，将评估系统的数据传输到调节系统处，该调节系统可控制在结晶器中的铸造液面高度。
除了该方法，根据本发明要求保护一种用于在铸造液面的区域中通过在用于金属铸造的结晶器中获取温度来确定铸造液面的高度的探测器，其特征在于，该探测器设有至少一个光波导，并且可安装到结晶器的铜板中。此外，通过使用这种探测器实现以上提及的有利的效果。
在优选的实施形式中，探测器基本上为方形的，以使得其可装配到结晶器铜板的背离熔液(Schmelze)的侧边上的槽中。
在另一优选的实施形式中，在探测器的在铸造液面的方向上接触铜板的部分中设置有多个平行的槽，该槽垂直于铸造液面伸延，并且在该槽中分别布置有至少一个光波导。
在另一优选的实施形式中，在每个槽中布置有至少一个光波导，其中，光波导以根据长度错位的方式布置在槽中。
通过该布置可进一步提高垂直于铸造液面的测量部位数量。
在另一优选的实施形式中，探测器基本上具有圆柱体的形状，其中，该至少一个光波导螺旋形地围绕该圆柱体缠绕，并且探测器可插入到结晶器铜板中的孔中。
通过将光波导缠绕到这种探测器上，可根据缠绕的密度或角度增大垂直于铸造液面的测量部位的密度。
在另一优选的实施形式中，多个光波导螺旋形地围绕圆柱体缠绕，并且波导分别在分立的(diskret)相继的(hintereinanderliegend)区域中缠绕在圆柱体上。
在另一优选的实施形式中，探测器具有板件的形状，该板件可布置在结晶器铜板的背离熔液的侧边上，或可布置在结晶器铜板中的槽口中，其中，该至少一个光波导布置在探测器的接触结晶器铜板的侧边上。
这种探测器也可提供在宽度方向上的温度信息。
在另一优选的实施形式中，该至少一个光波导曲折形地和/或螺旋形地布置在板件上。
通过这种布置方案，可提高在板件上的可能的测量部位的密度。
在另一优选的实施形式中，该至少一个光波导在探测器上布置在槽中。
在另一优选的实施形式中，探测器由至少一个光波导形成，该光波导可直接地布置在结晶器铜板中的至少一个孔中。
附图说明
以下简要地描述实施例的附图，其中，在之后的描述中详细地解释实施例。其中：
图1a显示了根据本发明的用于安装到结晶器的铜板中的槽中的探测器的实施例；
图1b显示了图1的设有测量部位的区域的俯视图；
图2显示了根据本发明的用于安装在结晶器的铜板中的孔中的探测器的另一实施例；
图3a显示了根据本发明的探测器的另一实施例，该探测器具有板件的形状；
图3b在探测器的面向熔液的侧边的俯视图中显示了图3a的探测器的实施例，其中，光导纤维螺旋形地布置在板件上的槽中；
图3c显示了根据图3a的探测器的另一实施例，其中，在探测器的面向熔液的侧边上，光导纤维曲折形地布置在槽中；
图3d显示了根据图3a的探测器的另一实施例，其中，基本上多个光导纤维布置在面对熔液的侧边上的槽中；
图4显示了根据本发明的实施例的结晶器的示意性的三维的横截面，其中，在结晶器的宽侧的铜板中布置有根据图1的探测器；
图5显示了根据本发明的另一实施例的结晶器的示意性的三维的横截面，其中，在结晶器的宽侧上的铜板中的孔中布置有根据图2的探测器；
图6显示了根据本发明的另一实施例的结晶器的示意性的三维的横截面，其中，在结晶器的宽侧的铜板中，在背离熔液的侧边上布置有根据图3a，3b，3c或3d中的一个的探测器；
图7显示了根据本发明的另一实施例的结晶器的示意性的三维的横截面，其中，在结晶器的宽侧的铜板中设置有探测器，该探测器由单独的光波导组成，该光波导布置在垂直于铸造液面伸延的孔中。
具体实施方式
在图1a中显示了探测器11的根据本发明的实施例。可看出探测器11的基本上方形的基体，该基体在上端部和下端部处倒圆成弧形。在探测器11中设置有四个槽4，在这些槽4中分别布置有光波导(光波导纤维)或纤维光学的传感器2。此外，显示了测量部位3，在该测量部位3处可确定温度。例如，探测器11可安装到结晶器铜板的背离熔液的侧边中的槽中，以使得光波导2在熔液的方向上定向。在此，如此进行探测器11的安装，即，光波导2与铜板处于直接接触中，并且在熔液的方向上布置在铜板的水冷部件(Wasserkühlung)和熔液之间。所显示的探测器11也可具有其它几何形状，只要其适合安装在结晶器铜板的槽中。该探测器或槽探测器11也可结合到已经存在的系统中，在其中，探测器或槽探测器11(同样除了已有的用于温度监测的系统之外)装配到铜板的槽中。
图1b显示了图1a的这样的区域(即，光波导2的测量部位3位于该区域中)的放大的俯视图。在该实施例中，该区域的总的垂直的尺寸为120mm。在该区域中布置有四个并排的光波导2。所示出的区域的总的宽度约为5mm，由此，探测器11是非常紧凑的。单个平行的光导2的间距以及由此测量部位3的宽度间距约为1mm。在该实施例中，光波导2的测量部位3的垂直的间距为4mm。然而，通过在图1b中示出的光波导2的有利的错位，在探测器11的垂直方向上存在间距为1mm的测量部位3，因为四个平行的光波导2布置成按照长度分别以1mm错位。由此，在120mm的长度上得到120个测量部位3。也可根据应用情况以不同的方式选择光波导2的间距、探测器11的尺寸、槽4和光波导2的数量以及测量部位3的间距，从而可实现测量部位3的任意的密度。所有提及的尺寸仅仅用于更好地理解实施例。
此外可能的是，为了改进空间分辨率，在一个槽4之内错位地布置多个光波导纤维2。由此，可进一步改进温度获取的精度。
通常优选地，槽4的直径可在0.5mm和10mm之间，或根据应用情况也可为数厘米大。
在图1a和1b中显示的光波导2与相应的温度评估系统相连接，其中，将激光引导到光波导2中，并且可借助于合适的评估方法沿着各个光波导确定温度。用于纤维光学的测量方法的适合的评估方法例如为已知的纤维布拉格光栅方法(FBG方法)。在该方法中使用光波导2，该光波导2压印有带有折射系数的周期变化的测量部位或带有这种变化的光栅。在图1a和1b中绘出了这种测量部位3。折射系数的周期变化导致，取决于周期性针对一定的波长，光波导2在测量部位3处表现为电介质的镜面。通过在一点处的温度变化，布拉格波长改变，其中，刚好该波长被反射。通过布拉格光栅基本上不影响不满足布拉格条件的光。那么，不同的测量部位3的不同的信号可由于运行时间不同而彼此区别。这种纤维布拉格光栅的详细结构以及相应的评估单元是普遍已知的。通过压印的测量部位的间距给出空间分辨率的精度。
备选地，也可使用光学频域反射方法(OFDR方法)或光学时域反射方法(OTDR方法)以用于测量温度。两个方法都基于纤维光学的拉曼反散射原理，其中利用的是，在光导2的点处的温度改变引起光波导材料的拉曼反散射的改变。那么，借助于评估单元(例如拉曼反射计)，可沿着纤维2以空间分辨率确定温度值，其中，在该方法中在导体2的一定的长度上取平均值。因此，在该方法中，测量部位3在纤维2的一定的区域上延伸。现在该长度为几厘米。通过光的运行时间不同使不同的测量部位彼此分离。用于根据所提及的方法进行评估的这种系统的结构以及所需的用于在纤维2之内产生激光的激光器为通常已知的。
图2显示了根据本发明的用于测量温度的探测器的另一实施例。所显示的探测器21基本上具有纵向延伸的圆柱体或棒的形状，光波导2螺旋形地缠绕在其上。同样可能的是，将该光波导2以同样形状设置在圆柱体的表面上的槽中。尤其地，在图2中四个光波导2缠绕在圆柱体上。在此，四个光波导2中的每个单独的光波导布置在这样的区域(22，22′，22″，22″′)中，即，该区域仅仅由该个光波导2监测。光波导的螺旋形的布置使得垂直于铸造液面实现测量部位3的更大的密度，这尤其地在OTDR方法和OFDR方法中是有利的。在图中不可看出光波导2的联接。然后，这种探测器21可布置在结晶器铜板的孔中，该孔垂直于铸造液面。根据应用情况将孔选择成以最小程度大于包括光波导2的探测器21的直径。尤其地，在图2中显示的探测器21具有设有光导2的120mm的测量区域，该测量区域划分成分别30mm的四个区域(22，22′，22″，22″′)。在此，刚好如此缠绕所显示的探测器21，即，测量部位3位于探测器21的面向熔液的侧边上。测量部位3位于一条线上，并且具有1mm的间距。由此，沿着探测器21在120mm的长度上存在120个测量部位。此外，同样可能的是，在探测器21的表面上或在相应的槽中仅仅设置有一个光波导2。在区域(22，22′，22″，22″′)中光波导2的其它数量或区域(22，22′，22″，22″′)的其它数量也是可行的。所有提及的数值仅仅用于增进理解。探测器21可安装在结晶器的每个高度中以用于监测温度，但尤其地安装在铸造液面的高度中，由此，使得确定准确的铸造液面高度成为可行的。根据针对图1a和1b描述的方法实现对由探测器21收集的信息的评估。
图3a显示了探测器的另一根据本发明的实施例。该探测器31具有基本上板件的形状，或为面型的这种探测器31可装配在铜板的背离熔液的侧边上，或者可装配在铜板中的槽口中。在此，如在图3b，3c和3d中示例性地显示的那样，在探测器上光波导2布置在相应的槽中，在熔液的方向上该槽与结晶器铜板处于接触中。
如在图3b中显示的那样，在此，光波导2或槽的布置可为螺旋形的。此外，在利用FBG方法评估的情况中，光导2的多个测量部位3是可见的。相似地，对于图3a至3d的所有实施例，也可通过OTDR或OFDR方法实现评估。
图3c显示了与图3b相似的布置，然而带有光波导2或槽的曲折形的布置。为了监测铸造液面，优选地如此布置带有光波导2的探测器31，即，尽可能多的光波导2布置成垂直于铸造液面，由此，使准确的高度测量成为可能。此外，通过在板件形的探测器31上大范围地布置光波导2实现铸造液面高度在宽度方向上的分辨率由此，更好地可能的是，得到关于铸造液面波的形状的信息。
图3d显示了光波导2在板件形的探测器31上的布置方案的另一可能性，其中，两个或多个光波导2螺旋形地布置在板件上或槽中。在该情况中，回环形地敷设光波导2，以使得其起点和终点位于相同的部位处。
在根据图3a，3b，3c，3d的实施例中，也可设置成一个槽多个光波导2。此外，这些光波导2可根据长度布置成错位的，以使得进一步提高测量部位的数量和密度。
图4示意性地显示了根据图1的探测器11的安装情况。在图中可看见结晶器8的宽侧的铜板、熔液7以及铸造管(Gieβrohr)6。铸造管6在铸造液面之下通入熔液7中。通过流出的熔液7以及在结晶器中全部向下运动的熔液7，常常在铸造液面的高度上形成波或驻波。在铸造液面的高度上装配有根据图1的探测器11。该探测器11装配在结晶器铜板的槽中，并且优选地如此布置，即，该探测器可在熔液7的方向上测量铜板8的温度，而不由位于其后的水冷部件强烈地影响。因此，该图示仅仅视为示意性的。在结晶器的宽侧中可见的区域5为膨胀螺钉(Dehnschraube)的孔口或这样的位置，即，例如用于测量温度的热电偶可布置在该位置处。然而，其也可不用于确定铸造液面。
图5示意性地显示了根据图2的探测器21的安装情况。结晶器自身的布置相应于图4，但是其中，所使用的探测器21布置在结晶器的宽侧上的结晶器铜板8中的孔中。在此，探测器21覆盖铸造液面之上和之下的区域，如在图4中的探测器11一样。由此，在探测器21和铸造液面或熔液7之间仅仅存在铜板8的铜，从而准确地获取温度是可能的。
图6显示了根据图3的探测器31在结晶器的宽侧的结晶器铜板8中的布置。探测器31装配在相应的结晶器铜板8的垂直于铸造液面的槽口中，其中，纤维光学的传感器2安置在探测器31的面对熔液的侧边上。带有传感器2的板件一般也可在结晶器铜板8的背离熔液7的侧边上安装在相应的凹口中。在此，探测器31覆盖熔液7之上或之下的测量区域。此外，如此布置的探测器31也可提供垂直于铸造方向或在铸造液面的宽度方向上的信息。由此，可给出关于铸造液面波的形状和变化的信息。通过图1，2和7的探测器这同样是可能的，然而那么这种探测器中的多个垂直于铸造方向布置在铸造液面高度上。
图7显示了另一根据本发明的在结晶器铜板8的宽侧中的探测器41。在此，该探测器41由光波导2组成，该光波导2在铸造液面的区域中布置在垂直于铸造液面的孔中。该孔可具有这样的直径，即，其仅仅很小地大于光波导、或光波导纤维或包括可能的外罩(Ummantelung)(例如由不锈钢制成)的光波导的直径。
在根据结晶器的特殊的特性的实施例的所有探测器中应被覆盖的测量区域优选地应在100mm和200mm之间延伸，但也可选择成更大或更小。
可想象的是，这种探测器布置在结晶器的各个高度上，例如也布置在结晶器的下方区域中。例如，该区域可从结晶器的下棱边延伸到在0mm和900mm之间的区域。利用如此布置的探测器可更好地使铸造过程特征化并更好地控制铸造过程。
所有在实施例中显示的探测器都可重复使用。也就是说，在定期应更换结晶器铜板时，可以简单的方式拆卸探测器，并且探测器包括光波导可再次安装在新的结晶器中，这使得根据本发明的探测器尤其地有成本效益。优选地，探测器由导热的材料制成，例如由不锈钢或铜制成。
此外，通常可能的是，为了达到更好地防止外界干扰的目的，光波导2具有不锈钢护罩。此外，通常在不锈钢护罩或不锈钢护套之内可布置有多个这种光导2，从而即使在不常出现的纤维失效时，可继续使用已经铺设在护套中的另一纤维。此外可想象的是，在护罩之内布置多个纤维以用于测量，由此，进一步获得测量精度，由于因此可通过纤维的错位以任意窄的方式选择测量部位的间距。优选地，光导纤维2可具有在0.1mm和0.2mm之间的直径，或具有其它通常的直径。护套的直径(例如由不锈钢制成)通常小于5mm。
此外，光波导可通过透镜耦合器(Linsenkupplung)(所谓的“扩展光束连接器”)与评估装置相连接。这种耦合器允许可靠的信号传输，可非常稳定且简单地操作。
参考标号列表
1     结晶器
2     光波导
3     测量部位
4     槽
5     膨胀螺钉
6     铸造管
7     熔液
8     结晶器铜板
11    探测器
21    探测器
22    第一区域
22′  第二区域
22″  第三区域
22″′第四区域
31    探测器
41    探测器

Claims (14)

1.一种用于在铸造液面的区域中通过在用于金属铸造的结晶器(1)中获取温度来确定铸造液面的高度的系统，该系统包括：
结晶器(1)的结晶器铜板(8)；
至少一个探测器(11,21)，其中，所述探测器(11,21)设有至少一个光波导(2)；
其中，沿着所述光波导(2)设置有压印的测量部位(3)以用于探测温度，
其中，所述探测器(11,21)可重复使用地装配到所述结晶器(1)的所述结晶器铜板(8)中；并且
其中，温度评估装置与所述至少一个光波导(2)相连接以用于确定铸造液面的高度。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探测器(11,21)基本上为方形的，从而所述探测器可装配到所述结晶器铜板(8)的背离熔液(7)的侧边上的槽(4)中。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在所述探测器(11,21)的在铸造液面的方向上接触所述铜板的部分中设置有多个平行的槽(4)，所述槽垂直于铸造液面伸延，并且在所述槽中分别布置有至少一个光波导(2)。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，在每个槽(4)中布置至少一个光波导(2)，并且，所述光波导(2)以根据长度错位的方式布置在槽(4)中。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探测器基本上具有圆柱体的形状，并且，所述至少一个光波导(2)螺旋形地围绕所述圆柱体缠绕，并且所述探测器(11,21)可插入到所述结晶器铜板(8)中的孔中。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，多个光波导(2)螺旋形地围绕所述圆柱体缠绕，并且所述光波导(2)分别在分立的相继的区域中缠绕在所述圆柱体上。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探测器(11,21)具有板件的形状，所述板件可布置在所述结晶器铜板(8)的背离熔液(7)的侧边上，或可布置在所述结晶器铜板(8)中的槽口中，其中，所述至少一个光波导(2)布置在所述探测器(11,21)的接触所述结晶器铜板(8)的侧边上。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述至少一个光波导(2)曲折形地和/或螺旋形地布置在所述板件上。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述至少一个光波导(11,21)在所述探测器上布置在槽(4)中。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探测器(11,21)由所述至少一个光波导形成，所述光波导直接地布置在所述结晶器铜板(8)中的至少一个孔中。
11.一种用于在用于金属铸造的结晶器(1)中进行铸造液面测量的方法，其中，为了确定铸造液面的高度，在结晶器(1)的高度上获取在铸造液面的区域中的温度分布，
其中，借助于根据权利要求1－10中任一项所述的系统实现温度获取，
其中，将激光引导到光波导(2)中，并且借助于评估装置按照纤维布拉格光栅方法从获取的温度分布中确定铸造液面的高度。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，为了在结晶器(1)的下端部的区域中调节铸造过程，布置有至少另一用于获取温度的测量探测器，所述另一测量探测器包括纤维光学的传感器和/或热电偶。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，在宽度方向上，垂直于铸造方向布置有至少两个测量探测器，以使得在宽度方向上可至少在两个测量部位(3)处确定铸造液面高度，从而获得关于铸造液面波的形状的信息。
14.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，将所述评估装置的数据传输到调节系统处，所述调节系统可控制在所述结晶器(1)中的铸造液面高度。
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