CN102740995B - 冶金容器和用于制造容器的壁的方法 - Google Patents

Abstract

一种冶金容器，其带有用于第一液态金属的处理或用于金属的液化的空腔，所述容器包括由第二金属构成的带有面向空腔的热侧和背对空腔的冷侧的冷却的壁板(1)并且其装备有用于探测冶金容器和第一金属的数据的光波导(5,6,7)，其特征在于，光波导(5,6,7)靠近表面地布置在热侧的区域中。

Description

冶金容器和用于制造容器的壁的方法

技术领域

本发明涉及一种冶金容器，其带有用于第一液态金属的处理或用于金属的液化的空腔，其中，该容器包括由第二金属构成的带有面向空腔的热侧和背对空腔的冷侧的可冷却的壁，并且其中，用于探测冶金容器或第一金属的数据的光波导被引入容器的壁中。在此，第一金属尤其是钢，其中然而其也可以是其它金属。第二金属尤其是铜，其中然而也可被设置有其它金属。此外，本发明涉及一种用于制造用于冶金容器的壁的方法以及光波导在容器的壁中的应用。 

背景技术

对于钢生产已知一系列装置，其经由高炉和转炉与废铁、矿、海绵铁和其它原料相结合地加工大多数热的、液态的生铁。应用熔炼容器、例如电弧炉，在其中应用大多数冷的或预热的原料如废铁和海绵铁。不仅铸模而且电弧炉和其它的用于熔炼或储存熔融的金属的装置被称为冶金容器。 

在文件DE 10 2008 060 507 A1、DE 10 2008 029 742 A1和DE 10 2008 060 032 A1中说明了借助于光学纤维的测量方法测量铸造设备的铸模中的温度。在此使用了用于测量铸模的壁中的至少一个铜板中的温度的传感器。传感器与温度探测系统相连接。 

作为传感器应用了光波导，通过其来传导激光。在铜板的外侧上成形有槽，光波导铺设在其中。借助于光波导的温度探测使比在铸模中使用热电偶元件明显更少的缆线耗费成为可能。此外，需要明显更少的工作耗费和成本耗费用于在铸模-铜板中安装纤维。此外，光波导的应用使比在应用热电偶元件(其插入孔中)时能够达到的更高的区域分辨率(Ortsaufloesung)成为可能。光波导可代替多于一百个热电偶元件连同所属的缆线。 

光波导例如曲折状地在冷却通道之间在铸模的铜板的背面上(即在冷侧上)铺设在槽中。光波导可借助于模铸树脂注入槽中。通过其它的构件或通过电镀的所施加的层来封闭也是已知的。 

由文件DE 10 2008 006 965 A1已知一种用于确定在用于制造液态金属(通常为钢)的电弧炉中从在电极与熔融物之间燃烧的电弧发出的热辐射的辐射量的方法，如果辐射冲击到电弧炉的界限上，那么应用该方法。 

在电弧炉中在使用另外的添加剂的情况下来制造由固态的熔融物(例如废铁或还原的铁)所产生的液态金属。对此借助于一个或多个电极将用于使熔融物熔融的能量引入电弧炉中，通常以在电极与熔融物之间的电弧的形式。为了能够尽可能有效率地实现熔融，尝试尽可能将所有由电弧提供的能量引入熔融物中。待熔融的固体材料、液态金属和/或还有炉渣在此被理解为熔融物。 

然而由于在当今的电弧炉中通常的运行方式可导致，电弧在熔化过程中自由燃烧，即由电弧(其被构造在电极与熔融物之间)所产生的热辐射很大程度上到达电弧炉的界限、尤其电弧炉的被冷却的壁处。通过一方面电弧炉的能量仅以较小的规模被引入熔融物中而另一方面必要时必须提高用于冷却炉壁的冷却效率以便保护壁/铜板(Kupferstave)，由此炉的能量消耗提高。 

在已知的方法中探测了输送给电极的电极电流，其中，电弧炉的固体传声-振动被探测并且从所探测的电极电流来确定关联于所探测的电极电流的频率范围的电流评估信号，其中，从所探测的固体传声-振动来确定振动评估信号，其关联于固体传声-振动的频率范围。在此，作为对热振动的度量，形成对至少一个对于所探测的电极电流和所探测的固体传声振动共同的频率的振动评估信号与电流评估信号的商，以便确定辐射量。 

在炉容器的壁或嵌板处，即在炉容器的外界限处布置有用于探测炉容器处的振动的固体传声传感器。由其所传输的信号优选地至少部分地经由光波导来传导。 

已知将光波导在由铜构成的壁板的背对包含液态金属的空腔的侧面、即冷侧上安装到槽中。在从冷侧引入时，在温度变化时经常存在两秒或三秒的上升时间、即直至达到待达到的温度值的68%的值的时间。这样长的上升时间使得用于铸造面调节的任务的光波导丧失能力。因此在该情况中指示使用辐射测量系统，其应用放射性的辐射，在其中可实现半秒至一秒的提升时间。 

由文件JP 09 047855 A已知光波导在连铸模的壁的内侧上的应用。光波导相应支承在槽中并且置入由带有良好的导热性的环氧树脂和氧化铝粉末构成的混合物中。填料可利用由铜和镍构成的层来涂覆。

发明内容

本发明的目的是如此改进开头提到的类型的已知的冶金容器和用于制造用于该容器的壁的已知的方法以及光波导在容器的壁中的应用，使得涉及容器或容器中的金属的温度数据或膨胀数据的更精确的探测成为可能。 

根据本发明，该目的通过根据本发明的冶金容器来实现。 

概念“冶金容器”在本发明的意义中包括冶金容器的所有类型，也包括熔炉、尤其电弧炉，且也包括尤其用于连铸的铸模。 

概念“壁”在本发明的意义中还包括单个壁元件，例如壁板，作为整个容器壁的部分。反之，壁板的概念不仅可理解为单个元件而且可理解为容器的整个壁。 

通过根据本发明将光波导引入电弧炉的壁中可示出在热侧上在容器的不同的高度中冶金容器的温度或者膨胀特性或振动特性。在此，同样探测了由工艺、例如由熔融物中的流动变化引起的动态变化。该设计方案使能够也与时间相关地示出容器的壁在任何运行状态中的热负载和机械负载。因此也可能有针对性地寻找(工艺)缺陷(如壁中的纵向裂纹或热侧处的熔融物的烧结)作为对于在之后的铸造产品上的特征性的记号的原因。 

在该新的设计方案中，如目前已知的那样，光波导不被从冷却水环流的冷侧这里、而是直接从受热负载的热侧直接引入容器的壁中。这使能够非常即刻地监控板以防过载情况。如果铜板中的光波导LWL显示开始的过热，则可降低电极的加热功率。通过精确的测量，电弧炉可更接近运行极限地以更大加热功率来运行，因为不需要不必要高的安全余量用于板的保护。 

对此，在热侧上铣削有贯通的槽，其之后在热侧上通过由热侧的基本材料构成的填充件来封闭。该填充件优选地通过摩擦-搅拌-焊接又被与基体熔合。在此，槽深度如此来测定，使得由于焊接工艺的热负荷可不损坏光波导。 

该设计方案对于铸造模(Giesskokille)的应用具有该优点，即测量纤维非常靠近铸造过程在其中发生的区域布置。由此光波导可用于温度测量或膨胀测量，而不必忍受太长的上升时间或死时间。在根据本发明铺设光波导的情况下使用纤维-Bragg方法用于温度测量时在使用足够薄的套管(其包围光波导)的情况下实现仅仅0.1s的上升时间。这意味着，在将由套管包围的光波导引入热侧/铜板的槽中时还可接受另外0.25s的附加的上升时间或者死时间的提高，而不获得比已知的辐射测量的方法更差的结果。当光波导处于其中的槽仅具有大约3-12mm的较小的深度时，通过本发明可利用较少的死时间和提升时间实现这样好的测量精度。这意味着，光波导根据本发明例如处于在热侧后面3-12mm的区域中。通过铣削、例如借助于圆盘铣刀来制造槽，其具有一至二厘米的宽度。以套管包裹的光波导可置入其中。接下来，槽优选地通过与槽的宽度相匹配的金属条作为填充件来填充。最后将金属条在其侧棱处与铜板的材料相连接。这可通过许多技术实现，例如通过焊接或钎焊。 

从从属权利要求、说明书和附图中得出本发明的另外的有利的改进方案。 

以有利的方式，填充件(其封闭了槽)由与壁板相同的材料构成。 

有利地也可设置成，槽具有向槽底渐缩的横截面。这阻止在摩擦搅拌焊接(Reibruehrschweissen)中以压力行过焊接物的螺栓可将填充件下压太深且由此压碎光波导-套管。 

对此，槽有利地具有至少大致梯形的横截面。通过梯形的横截面可阻止填充件的下压和套管的压碎。 

应理解的是，填充件优选地具有与槽相匹配的横截面、尤其同样梯形的横截面。 

优选地，填充件相对于槽，尤其在联接到壁件的表面处的区域中具有些微的尺寸不足(Untermass)。由此可能的是，填充件通过机械作用、尤其通过轧制或焊接可与壁板的材料相连接，而不损坏槽底处的光波导-套管。 

优选地，在填充件与壁板的在侧向上包围其的材料之间的连接通过焊接过程来实施，优选地通过摩擦焊接，尤其通过搅拌摩擦焊接。 

有利地，然而非必需地，光波导被引入尤其由金属构成的套管中。 

对此，此外可有利地设置成，填充件和壁板在它的从外可接近的表面上以由镍或铬构成的层来涂覆。 

备选于将光波导引入槽中和接下来利用填充件来填充且备选于应用摩擦焊接，根据本发明在另一有利的实施方案中也可设置成，光波导被引入孔中，其平行于壁板的热侧的表面伸延且其例如通过激光技术来制造。 

优选地，光波导具有大约0.15mm的直径。对此相配合的套管具有大约0.5至1mm的直径。优选地，填充件具有1至2mm的宽度。 

光波导在测量技术上可以以多样的方式来应用。根据其应用目的，其松动地处于槽或孔中，尤其用于温度测量，因为对于温度测量重要的是，光波导可由于温度变化自身无阻碍地收缩或膨胀。 

优选地，光波导铺设在铜板附近的区域中。这具有该优点，即一旦光波导在不久的将来可期待板的失效，那么炉的(多个)电极的加热功率已又可被减小。 

反之，对于膨胀测量重要的是，光波导至少逐点地、然而优选地在其整个长度上与壁的包围其的材料并且/或者与填充件固定地相连接。紧固的该形式是必需的，由此容器的膨胀可直接传递到光波导上，并且光波导可发出信号，其代表了冶金容器的膨胀。同样膨胀、振动和/或温度的在时间上的变化过程如其相应利用光波导来探测的那样也可被记录和处理。应理解的是，在同样的冶金容器中对应于其不同的应用目的，不仅松动地铺设的而且固定粘合的光波导可存在于壁板的热侧上的槽或孔中。 

本发明也涉及光波导在冶金容器的壁中的应用。在此，根据本发明设置成，光波导测量了壁的、容器中第一金属的金属熔融物的温度或壁的机械膨胀或振动。优选地，数据例如被用于铸造面(giessspiegel)的调节。 

本发明也涉及一种用于制造冶金容器的包括壁板的壁的方法。对此根据本发明设置成，在壁的热侧上通过材料削减(Materialabtragung)、尤其通过铣削来制造槽，光波导被置入槽中，槽通过填充件来关闭，并且接下来填充件通过焊接方法、尤其通过搅拌摩擦焊接被与壁板的材料相连接。 

附图说明

下面在实施例中根据附图详细地来阐述本发明。其中： 

图1显示了对铸造模的壁板(用于容纳光波导的槽被引入其中)的透视性的俯视图，

图2相应在横截面中显示了填充件和带有槽(填充件被插入其中)的板，以及

图3与用于搅拌摩擦焊接的示意性地示出的组件相联系地显示了另一壁板(利用梯形的填充件封闭的且容纳光波导的槽被引入其中)的透视性的侧视图。

具体实施方式

冶金容器(例如用于铸造金属、尤其钢的铸模)的壁板1(图1)优选地由铜构成并且在面向容纳液态金属的铸造腔的侧面、所谓的热侧上(即在图示中在上侧上)具有槽2、3和4，其具有矩形的、正方形的或梯形的横截面且其底优选地被倒圆。在槽2、3和4中置入有光波导5、6或7。从上侧/热侧这里相应利用填充件8、9或10来覆盖到槽中的光波导5、6和7上。附加地，为了仅在外部的侧向的端部处、或者也伸入两个端部之间的区域中的固定可设置有压紧器(Niederhalter)13、14或15，其固定了光波导5至7和/或处于其上的填充件8至10，而其通过摩擦焊接过程被与壁板1的在侧向上连接到其处的区域16、17、18和19相连接。 

光波导5至7由光学上传导性的、带有在横截面中从内向外减小的折射率的材料构成；其优选地相应由冶金的壳套或套筒来容纳并且为了温度测量可忍受作为持久负荷的直至600°C的温度。在其背面上壁板1由冷却水流过。冷却水流动通过(未示出的)通道。 

光波导5至7在端侧具有透镜插头(Linsenstecker)，以便耦合出(auskoppeln)光波并且将其输送给评估单元。因为光波经由透镜插头从在相应的测量位置中的构件的壳体被引导至评估单元，实现了强大的信号传输。光波导5至7没有套管具有例如0.15mm的直径而包括套管具有例如1mm的直径。纤维-Bragg光栅测量方法(FBG=Fiber Bragg Grating方法)和/或OTDR方法(OTDR=光时域反射法)以及OFDR方法(光频域反射法)作为测量方法。 

如在图2中根据填充件8所示，填充件8、9、10具有优选地梯形的横截面20。在此，侧壁21、22与填充件8的上棱边优选地构造有也存在于槽2的侧壁23、24与相应在侧向上联接到其处的区域16、17之间的钝角α。在槽2的底25(其优选地被倒圆)上存在由套管26包围的光波导5。填充件8相对于槽2也可具有些微的尺寸不足。其那么在机械上被压入槽2中并且例如通过焊接或钎焊与包围槽2的区域16、17相连接。 

当填充件27(图3)足够精确地与在工件29(即例如用于铸造模的铜板)中的槽(填充件应从热侧这里在上面覆盖其)的形状相匹配时，填充件27在其被置入槽28之后优选地通过搅拌摩擦焊接被与侧向的区域30、31相连接。对此，搅拌焊接装置32在壁板1上方在箭头A的方向上在槽28的走向上被引导经过填充件27，其中，安装在工具凸肩(Werkzeugschulter)33处的焊针(Schweisspin)34与填充件27相接触地同时实行旋转运动。在此，填充件27和区域30、31如此强烈地加热，使得它们由于彼此间的摩擦热而达到具有高稳定性的材料连接。 

光波导在冷却元件(例如所谓的铜板)的区域中引入冶金容器的热侧中有利地使纤维引入的非常快速且合理的方式成为可能。 

容器的壁的或容器中的金属熔融物的温度的在时间上的变化过程和/或容器的膨胀的在时间上的变化过程可借助于光波导来探测并且例如被用于电极功率的优化/提高。电极功率根据所考虑的在时间上的变化过程如此来控制，使得容器的壁不被损坏。尤其地，通过评估时间上的变化过程可确定容器的失效极限，并且电极的电功率可在达到失效极限之前被如此及时地减小。 

 附图标记清单 

1 壁

2 槽

3 槽

4 槽

5 光波导

6 光波导

7 光波导

8 填充件

9 填充件

10 填充件

13 压紧器

14 压紧器

15 压紧器

16 区域

17 区域

18 区域

19 区域

20 横截面

21 侧壁

22 侧壁

23 侧壁

24 侧壁

25 底

26 套管

27 填充件

28 槽

29 工件

30 区域

31 区域

32 搅拌焊接装置

33 工具凸肩

34 焊针

35 熔融物

36 喷枪

37 喷管

38 喷头

39 涂覆装置

40 削刮器(Abstreifer)

41 输送管路。

Claims (20)

1.一种冶金容器，其带有用于液态的第一金属的处理或者用于第一金属的液化的空腔，其中，所述容器包括由第二金属构成的带有面向所述空腔的热侧和背对所述空腔的冷侧的可冷却的壁(1)，并且其中，所述壁(1)在所述热侧的区域中装备有靠近表面布置的用于探测所述冶金容器或所述第一金属的数据的光波导(5, 6, 7)，其中，所述光波导(5, 6, 7)被引入槽(2, 3, 4; 28)中，其从热侧这里被引入所述壁(1)中，并且带有所引入的所述光波导的所述槽(2, 3, 4; 28)通过在所述热侧上的填充件(8, 9, 10; 27)来封闭，

其特征在于，

所述槽(2, 3, 4; 28)具有朝向其槽底(25)渐缩的横截面。

2.根据权利要求1所述的容器，

其特征在于，

所述填充件(8, 9, 10; 27)由与所述壁(1)相同的材料构成。

3.根据权利要求1或2所述的容器，

其特征在于，

所述槽(2, 3, 4; 28)具有梯形的横截面。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的容器，

其特征在于，

所述填充件(8, 9, 10; 27)具有与所述槽(2, 3, 4; 28)相匹配的横截面。

5.根据权利要求1至2中任一项所述的容器，

其特征在于，

所述填充件(8, 9, 10; 27)相对于所述槽(2, 3, 4; 28)具有些微的尺寸不足。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的容器，

其特征在于，

所述填充件(8, 9, 10; 27)具有1至2mm的宽度。

7.根据权利要求1至2中任一项所述的容器，

其特征在于，

带有所述填充件(8, 9, 10; 27)的所述壁在所述热侧上利用由镍或铬构成的层来涂覆。

8.根据权利要求1至2中任一项所述的容器，

其特征在于，

所述光波导(5, 6, 7)被引入平行于所述热侧在所述壁(1)中伸延的孔中。

9.根据权利要求8所述的容器，

其特征在于，

所述光波导(5, 6, 7)在套管中被引入所述槽或孔中。

10.根据权利要求9所述的容器，

其特征在于，

所述套管(26)具有0.5-1mm的直径。

11.根据权利要求1至2中任一项所述的容器，

其特征在于，

所述光波导(5, 6, 7)具有约0.15mm的直径。

12.根据权利要求9所述的容器，

其特征在于，

所述光波导(5, 6, 7)为了温度测量松动地铺设在所述槽(2, 3, 4; 28)、孔或套管中，或者为了探测所述冶金容器的膨胀逐点地或在其整个长度上与所述壁、所述填充件和/或所述套管的包围其的材料固定地相连接，其中，所述套管为了膨胀测量而与所述壁相连接。

13.根据权利要求1至2中任一项所述的容器，

其特征在于，

所述填充件(8, 9, 10; 27)具有与所述槽(2, 3, 4; 28)相匹配的、同样梯形的横截面。

14.根据权利要求1至2中任一项所述的容器，

其特征在于，

所述填充件(8, 9, 10; 27)相对于所述槽(2, 3, 4; 28)在联接到相邻的壁区域的表面处的区域中具有些微的尺寸不足。

15.根据权利要求8所述的容器，

其特征在于，

所述光波导(5, 6, 7)在由金属构成的套管中被引入所述槽或孔中。

16.光波导在根据权利要求1至15中任一项所述的冶金容器的壁中的一种应用，

其特征在于，

所述光波导(5, 6, 7)被用于测量所述容器的壁的温度、或在所述容器中第一金属的金属熔融物的温度、或所述容器的膨胀，作为数据来探测所述容器的壁或金属熔融物的温度或所述容器的膨胀的在时间上的变化过程并且被用于电极功率的优化/提升，而不损坏所述容器的壁，或者由于所述光波导测量值能够在达到失效极限之前不久来限定所述电极功率。

17.根据权利要求16所述的应用，

其特征在于，

所述容器的所测量的膨胀的在时间上的变化过程代表所述容器的振动特性。

18.一种用于制造冶金容器的壁的方法，

其中，所述壁(1)具有热侧和冷侧，

其中，光波导(5, 6, 7)为了探测数据被引入所述壁中；

其特征在于，

所述光波导的引入包括以下步骤：

在所述热侧上：通过材料削减将槽(2, 3, 4; 28)引入所述壁(1)中，

将所述光波导(5, 6, 7)置入所述槽(2, 3, 4; 28)中，以及

在所述热侧上通过填充件(8, 9, 10; 27)封闭所述槽(2, 3, 4; 28)，其中，所述填充件(8, 9, 10; 27)通过摩擦焊接来与所述壁的材料相连接，

并且其中，所述槽(2, 3, 4; 28)具有朝向其槽底(25)渐缩的横截面。

19.根据权利要求18所述的方法，

其特征在于，

所述光波导的引入包括以下步骤：

在所述热侧上：通过铣削将槽(2, 3, 4; 28)引入所述壁(1)中。

20.根据权利要求18或19所述的方法，

其特征在于，

所述光波导的引入包括以下步骤：

在所述热侧上通过填充件(8, 9, 10; 27)封闭所述槽(2, 3, 4; 28)，其中，所述填充件(8, 9, 10; 27)通过搅拌摩擦焊接来与所述壁的材料相连接。