CN105136305B - 用于测量熔融金属的温度的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量熔体、特别是熔融金属的温度的装置，其包括光纤以及导管，所述导管具有浸入端以及与所述浸入端相反的第二端，所述光纤部分地布置在所述导管中，所述导管的内径大于所述光纤的外径，在所述导管的所述浸入端处或在所述导管内靠近所述导管的所述浸入端处布置第一塞，穿过所述第一塞进给所述光纤并且所述第一塞减小在所述光纤与所述导管之间的间隙。

Description

用于测量熔融金属的温度的装置

技术领域

本发明涉及一种用光纤测量熔体、特别是熔融金属(例如钢水)的温度的装置。

背景技术

用于生产钢水的电弧炉(EAF)工艺是由以下操作组成的分批工艺：金属原料的装炉、熔化、精炼、去渣、出钢以及电弧炉再次准备。因为每一批次钢(其称为每炉熔炼量)在称为出钢的过程中从熔化炉移出，所以，通常用以时间单位表示的冶炼周期来表示钢生产的周期批次率。现代的EAF操作力求达到小于60分钟的冶炼周期，并且进一步达到约35到40分钟的冶炼周期。

在EAF生产率方面获得的促进可能的快速冶炼次数的许多进展与增加的电功率输入(在350到400kWh/t范围内)以及到电弧炉中的能量输入的替代形式(吹氧、氧气燃料燃烧器)有关。最先进的EAF操作消耗约18到27Nm³/t的补充氧，这些补充氧供应20％到32％的总功率输入。另外，对允许更快的电弧炉移动的原料的改进已经减少了电弧炉闲置的时间量。EAF操作人员的工业目的一直是最大化电弧炉通电时间，从而产生最大生产率，以便降低固定成本并同时从电功率输入获得最大利益。在EAF中生产一个炉次的钢所消耗的大部分时间是在熔化的过程步骤中。

熔化阶段是EAF操作的核心，并且在大部分现代的EAF中以两段过程进行。电能经由石墨电极供应并且是熔化操作中的最大贡献者。为了熔化废钢料，理论上最少需要300kWh/t。为了给熔融金属提供高于钢的熔点温度的温度，需要另外的能量。对于典型的出钢温度要求，理论上需要的总能量通常处于350到400kWh/t的范围内。然而，EAF炼钢仅是55％到65％能量有效的，并且因此对于大多数现代操作总的等效能量输入通常在650kWh/t的范围内，其中60％到65％通过电功率供应，剩余的需求通过化石燃料燃烧以及精炼过程的化学氧化能供应。

在首次金属装料期间，通常选择中间电压出钢直到电极可以充分钻入废料中为止。在电极电弧与熔化容器的侧壁之间的未熔化废料保护电弧炉结构免受损坏，使得在钻入之后可以使用长电弧(高压)出钢。在初始钻入阶段期间熔化大约15％的废料。通过炉壁中的特殊喷嘴添加的化石燃料燃烧有助于废料加热以及热均匀性。随着电弧炉内大气加热，电弧倾向于稳定，平均功率输入可以增加。长电弧使到废料的功率的传递最大化，在炉膛中将开始形成金属的液池。对于一些特殊的EAF类型，优选的做法是用从先前炉次续用的小池(称为“热跟”)开始分批熔化过程。

当已经熔化足够的废料以容纳第二次装料的体积时，重复装料过程。一旦在电弧炉中产生了钢的熔池，现在就经由几个源(例如，氧气燃料燃烧器以及吹氧)来供应化学能。一旦熔融金属高度足够且清除了阻塞性废料，氧气就可以直接吹入熔槽中。

在接近最终废料装料全部熔化的时刻，电弧炉侧壁可暴露于来自电弧的高辐射。因此，必须减小电压或形成围封电极的泡沫渣。熔渣层在发泡时可以具有超过1米的厚度。现在，电弧被掩埋并将保护炉壳。另外，更大量的能量将保留在炉渣中并且传递到熔槽，从而导致更高的能效。此过程将在覆盖钢的熔渣层中形成大量的热，从而导致高达比钢温度高200℃的温度，从而形成对于过程控制测量非常独特且困难的环境，原因稍后解释。

为了减少一个炉次的冶炼时间，在许多情况下，并且尤其是在用热跟进行操作的现代EAF操作中，可以在整个炉次周期中将氧气吹入熔槽中。此氧气将与熔槽中的若干成分反应，所述成分包含铝、硅、锰、磷、碳和铁。所有这些反应都是放热的(即，它们产生热量)并且将供应能量以帮助废料的熔化。所形成的金属氧化物最终将留在熔渣中。

当基本上熔化最终废料装料以及原材料时，达到平整的熔槽条件。此时，将获得熔槽温度以及化学分析样本以确定大致的氧气精炼时间段并计算出直到出钢为止的剩余通电时间。

无论可取决于可用原材料的利用、电弧炉设计、本地操作实践和本地生产经济而改变的特定的本地处理步骤如何，显然，可以各种策略采用许多形式的到电弧炉的能量输入，以便将冶炼时间减到最少，并且提高在以正确化学组成和出钢的所需温度将固体废料和熔渣成分转化成钢水和熔渣期间的能效。

如在其它炼钢工艺中一样，由数学模型指导EAF的冶炼生产过程，所述数学模型考虑了原材料的数量和质量，以便预测给定能量输入和热量输出的过程结束点。此类变量的列表在EP 0747492A1中可见。许多用以控制和预测EAF性能的过程模型在本领域中是众所周知的。当与高炉到转炉的传统炼钢工艺相比时，在EAF工艺中使用的原材料的变化要高得多，并且由此需要不断的调整。校正和指导该过程所需的到这些模型的若干信息输入中的一者是熔融金属温度。

为EAF操作人员提供最佳和最新的熔融金属温度信息应满足以下要求：

-表示内部金属液的精确温度，

-与电弧炉倾炉无关的固定浸入深度，

-连续地或近似连续地可用，

-用于浸入深度调整的熔槽液位确定。

通常，使用熟知的一次性热电偶(例如在US 2993944中所描述的)完成熔融金属的温度测量。这些热电偶可以由操作人员用钢杆手动地浸入，所述钢杆具有经调适的电气布线和连接以将热电偶信号传送到适当的仪器。另外，现在使用许多自动的热电偶浸入机械系统以提供热电偶浸入，例如可自www.more-oxy.com公开获得的或梅森(Metzen)等人在MPT国际(MPT International)4/2000，第84页的文献中所描述的那些。

一旦建立了熔融金属的汇集，熔槽温度将缓慢上升。对于给定能量输入，未熔融废料的含量越高，温度上升的速率将越低。一旦全部废料都被熔融，熔槽温度就将非常迅速地上升，在接近过程结束时以大约35℃到70℃/分钟的速度上升。为了预测最优的过程终点(金属准备好出钢的时刻)，过程控制模型需要具有精确的且以足够高的测量频率测量的温度信息，以形成对停止各种能量输入的最佳时刻的精确预报。使用自动式浸入装置的测量过程要求打开检查门(通常是熔渣门，US 2011/0038391以及US 7767137中有一般描述)以允许插入支撑一次性热电偶的机械臂。在大多数现代的操作中，检查门还用以为氧气燃料燃烧器和氧气喷枪提供到电弧炉的进入口，所述氧气燃料燃烧器和氧气喷枪用类似于浸入枪的操纵器的操纵器进行定位。最近，还可以围绕炉壳的圆周设置用于燃烧器的若干另外的入口，如US 6749661中所描述。

出于获得过程中的最新温度的目的打开熔渣门使得大量空气进入电弧炉。此打开的后果是冷却了局部区域并且提供了氮气源。在电弧放电期间，氮气转化成NOx，所述NOx是EAF工艺的不合需要的排出物。然而，有必要通过此开口对电弧炉进行去渣，自动式浸入设备的使用也利用此开口来获得温度，因此，在需要重复的温度测量的时间段期间使电弧炉内部暴露于不必要的氮气进入以及意外去渣下。

由于在金属精炼过程的结束阶段期间快速的温度上升，在最佳情况下过程控制模型的更新时间无法跟上现代高功率的电弧炉。理想的是，在精炼结束期间的快速温度更新以及在出钢之前最后几分钟的连续温度信息提供用于模型预测精确性和结束点确定的最佳组合。对于典型自动式系统的1分钟的实际测试到测试时间限制了此类动态过程的点测量的实用性。常规的一次性热电偶以及自动式浸入设备除了较低的采样频率之外还受到一些另外的限制，所述较低的采样频率最终降低了在用于精确的结束点决定时过程模型的预测成功率。

在熔化和精炼过程期间，熔槽将具有温度梯度，而熔槽的表面将具有大大高于熔融内部金属液的温度的温度。在整个电弧炉内部存在金属的热点和冷点，从而需要使用专门的燃烧器和定向化石燃料加热器来帮助使内部均匀化。如在EP 1857760 A1中所指示的，由于典型的自动式浸入设备需要频繁进入，因此一个冷点是在熔渣门的通常出现一次性热电偶浸入的区域中。如在US 2886617中所描述，EAF具有“摇动”电弧炉的能力，也就是说，使电弧炉的水平位置前后倾斜，以便进一步使熔槽均匀化、去渣以及使电弧炉出钢。

大多数自动式浸入装置安装在熔渣门的区域中并且安装在操作台上，因此不能倾斜到倾斜的电弧炉的角度。因为这一点，这些操纵器并不能在任何时候和在所有情况下都将一次性热电偶定位至熔槽中。此外，热电偶的浸入深度与自动式装置的机械臂的关节连接相关，并且由此，由于电弧炉倾斜的角度而无法容易地调整浸入深度以适应熔槽液位变化。尽管出于EAF工艺的操作模型的目的，重要的是在反映总体温度的位置中进行重复测量，但用或者手动或者自动的喷枪获得的实际温度测量难以实现稳定的浸入深度，在浸入喷枪的位置没有调整到与熔炉的摇动和实际熔槽液位相匹配、且不在利于温度精确性的位置时是不可用的。

本发明使用熔融金属浸入式自耗光纤和能够将温度装置穿过EAF的侧壁插入到可预测的钢水浸入深度的浸入设备来测量冶金容器中的温度，其中温度到温度的测量频率小于20秒。单独地或快速连续地按需采样的能力允许可以在过程期间的关键时刻更新用于EAF操作的数学预测模型的测量策略，其中快速连续测量的能力以低成本提供近似连续的温度数据。

现有技术中在各种炼钢容器中安装有许多温度测量装置，它们利用固定的光学光导以朝向光学检测器聚焦辐射。此类现有技术的实例可以参见JP-A 61-91529、JP-A-62-52423、US 4468771、US 5064295、US 6172367、US 6923573、WO 98/46971 A1以及WO 02/48661 A1。这些现有技术的共性是光导是固定的，并且因为这一点需要使用复杂的设备来保护所述光导不受损坏。这些保护措施可以包括：气体吹洗以或者冷却组件或者移除金属使其不与光学元件进行物理接触；具有炼钢容器的衬套的相对永久的或略微易侵蚀的保护性护套层；以及光波长和强度的复杂的发射率校正以便确定精确的温度。

JP-A-08-15040描述了一种将自耗光纤进给到液态金属中的方法。例如JP-A-62-19727中所公开的自耗光纤在以可预测深度浸入熔融金属中时，在黑体条件下接收从熔融金属发射的辐射光，使得使用安装在浸入式自耗光纤相对端上的光电转换元件的辐射强度可以用来确定熔融金属的温度。P.克莱门斯(P.clymans)的“浸入式光纤高温计的应用(Applications of an immersion-type optical fiber pyrometer)”中详细描述的现有技术的科学原理是光纤必须浸入到能实现黑体条件的深度来。使用自耗光纤以及进给较长长度的卷材至预定深度所必需的设备来连续测量熔融金属在本领域中是熟知的，例如EP0806640 A2和JP-B-3267122。在其中自耗光纤浸入到较高温度的金属中的苛刻工业环境中，或在存在具有熔渣覆盖的金属的情况下，由于光纤随着其温度升高而固有的弱点，因此已经证明很难在应进行测量的时间段期间维持预定深度。用附加的保护措施来保护已经覆盖有金属的光纤已经变成必要的，这些附加的保护措施例如是：气体冷却(JP-A-2000-186961)、层叠在覆盖有金属的光纤上的另外的复合材料(EP 655613 A1)、隔绝覆盖件(JP-A-06-058816)、或另外的金属覆盖物(US 5163321以及JP-B-3351120)。

上述对于高温使用的改进的缺点是：为了提供连续的温度读取而大大增加了自耗式光纤组件的成本。尽管与在EAF中测量较高温度时遇到的情况不完全相同，但是JP-B-3351120适用于评价光纤消耗的速度。在所公开的实例中，使用将非常复杂的机械装置从线圈进给光纤。所述线圈由覆盖有金属的光纤再覆盖另外的3mm厚的不锈钢管构成。对于在高炉出钢流的铁中进行连续温度测量来说，所公开为改进温度精度而推荐的计算结果是令人吃惊的500mm/s。光纤及其围封的不锈钢外管的成本在此推荐的进给率下消耗成本较高。

连续温度测量的实用经济性取决于可能消耗最少量的光纤同时仍然获得连续信息的好处。US 5585914以及JP-A-2000-186961中描述了在最少量的暴露光纤的情况下将光纤引入到测量点，其中单个覆盖有金属的光纤通过固定注口进给，所述注口可以安装在炉壁中并且气体通过所述注口注入。虽然这些装置可以成功地将光纤输送到测量点，但是它们的缺点是易于堵塞和需要持续的维护。在进给模式中的多个阶段需要振动以防止光纤焊接到注口上。如果注口因气体压力不足而被阻塞或封闭，那么测量终止而不可能恢复，直至注口修复为止。EP 0802401 A1使用定位在可移动托架上的一系列冲压杆和导管解决了到电弧炉的开口阻塞的问题，提供用于解决防止光纤通过注口的任何问题的成套工具。然而，这些是用以疏通封闭的进入口的策略，从封闭的进入口中不能获得测量数据。一旦这些进入口被阻塞就不可能获得温度数据，而这可能发生在炼钢工艺中的关键时刻。

连续进给光纤的另一个问题是，进一步增加测量的成本以及浸入设备的复杂性。如果浸入类型的光纤保持免受热量和污染影响或以高于其降解速率的速率更新，那么所述光纤仅保持其光学质量，并且因此返回精确的温度。对于浸入在钢水中的部分，在黑体条件下精确地获得熔槽温度的光信号。然而，上方剩余的未浸入的部分必须保持完全的光导。在高温下，将出现光纤的失透，光的透射率降低并且温度误差随着强度的减小而增大。JP-A-09-304185以及US 7891867公开了一种进给速率方法，其中光纤消耗的速度必须大于失透速率，由此确保可始终获得全新的光纤表面。简单的实验室测试表明，光信号在很短的阶段期间保持稳定，在低于1580℃的温度下约为1.0s以及在1700℃下浸入时仅0.1s。尽管是用于较低温度金属的解决方案，但是对于高温测试的以大于失透速率的速度进给光纤的速度对于简单的覆盖有金属的光纤来说是昂贵的。就在EAF的苛刻条件下测量高温来说，现有技术公开的额外保护方法也是以与光纤相同的速率消耗的。对于上述双重覆盖的光纤这变得过于昂贵。

JP-A-2010-071666公开了一种在熔融金属中进行测量的光纤温度测量装置，所述装置使用气密环境以及在喷枪管与光纤之间具有气密密封的测量喷枪。

发明内容

本发明的工作原理不同于现有技术的教导，其更偏向提供一种点测量而不是连续测量。本发明是用于温度测量的低成本解决方案，其适合于以足够高的采样频率用以满足EAF熔化过程的数学模型的更新需求，同时解决了与苛刻环境中浸入的光纤相关联的问题。本发明提供一种近似连续的温度测量输出，其由以下步骤组成：将光纤穿过熔渣覆盖浸入至熔融金属中而不首先接触熔渣；在测量阶段期间通过受控制的进给保持预定浸入深度；防止未浸入部分在EAF内部的高环境热量中的失透；在测量之后移除并重新卷起未使用的光纤；在重新卷起时测量熔槽液位；以及用于重复测量过程的浸入设备始终再现初始启动条件。

通过本发明解决的问题是改进已知的方法和装置。为EAF操作人员提供最佳和最新的熔融金属温度信息应满足以下要求：

-表示内部金属液的精确温度，

-与电弧炉倾炉无关的固定浸入深度，

-连续地或近似连续地可用，

-用于浸入深度调整的熔槽液位确定。

所述问题通过根据独立权利要求所述的装置解决。

一种用于用光纤测量熔体、特别是熔融金属的温度的方法，其特征在于，穿过一次性导管将光纤进给到熔体中，其中光纤以及一次性导管的浸入端两者均以一定的进给速度浸入到熔体中，光纤的进给速度和一次性导管的进给速度彼此独立。优选地，在浸入的第一阶段中，一次性导管以及光纤浸入到熔体中，并且在第二阶段中，光纤以比一次性导管更高的速度浸入到熔体中并且比一次性导管浸入得更深。优选的是，第二阶段在一次性导管的浸入端浸入到熔体中之后开始。另外优选的是，在浸入的第三阶段中，光纤停止或从熔体中抽出。

在所述方法的有利实施例中，一次性导管和/或光纤的速度在浸入期间变化。另外有利的是，光纤以及一次性导管以不相等的速度移动。有利的是，除确定温度之外，还确定熔体的上表面。

本发明的用于测量熔体、特别是熔融金属的温度的装置包括光纤以及(优选地，一次性)导管，所述导管具有浸入端以及与浸入端相反的第二端，所述装置的特征在于，光纤部分地布置在一次性导管中，导管的内径大于光纤的外径，在导管的浸入端处或在导管内靠近导管的浸入端处布置第一塞或导管的直径减小的部分，可以在导管的第二端处或在导管内靠近导管的第二端处布置第二塞，光纤穿过第一塞、第二塞或导管的直径减小的部分进给，第一塞以及优选地还有第二塞或导管的直径减小的部分减小或甚至封闭在光纤与导管之间的间隙。作为另外一种选择，导管的直径减小的部分还可以理解为导管在其浸入端处或靠近其浸入端处的横截面面积减小的部分。导管可以优选地是一次性的，这意味着其可以容易地替换(例如，如果损坏)而不必使用工具。优选地，间隙的面积被减小到小于2mm²，更优选地小于1mm²。间隙可以甚至封闭。优选地，第一塞和第二塞中的一者或两者是弹性的，更优选地是用弹性材料制成的。另外优选的是，第一塞的浸入端或导管的直径减小的部分与导管的浸入端的距离(如果第一塞布置在导管中)不超过导管内径的5倍。如果第二塞布置在导管内，那么第二塞布置在第一塞或导管的直径减小的部分与导管的第二端之间。

优选地，至少第一塞(或第一塞以及第二塞)至少在其浸入端处具有锥形形状，由此其壁厚朝向其浸入端减小。可能有利的是，至少第一塞的内径朝向浸入端减小。

优选的是，所述装置还包括光纤线圈以及用于进给光纤和导管的进给机构，进给机构包括至少两个独立的进给电机，一个进给电机用于进给光纤，另一个进给电机用于进给导管。优选的是，所述装置的特征在于，这些进给电机各自与单独的速度控制器组合。

另外，本发明涉及一种使用在由前面的描述限定的方法中所述的装置的方法。

本发明用以获得控制在EAF中的炼钢的最终处理步骤所需的温度测量值。为了可用于此目的，所述装置必须：

-以提供关于出钢的过程模型和操作人员信息的精确更新的采样频率来提供精确温度测量

-中间测量提供最低成本

-表示金属温度的金属测量位置。

这通过以下装置来完成：

始终连接到仪器上的连续温度测量元件(光纤)

-始终可用

-等待连接的可用性无损失

-快速响应时间-在金属和熔渣中的低接触时间

-低成本

外金属管

-在朝向熔槽快速加速期间支撑光纤-避免弯曲远离金属

-保证光纤进入金属-避免向上朝向熔渣偏转

-阻止光纤接触液态熔渣-避免污染

-保持光纤的未浸入部分冷却-避免失透

-是保持抽出的光纤的直度的导引物-准备光纤以用于接下来的使用

-是一次性的-每次使用新的直式件-保证尺寸

-气体塞在管内封入一定体积的气体-允许在管内形成正压

-柔性以容纳不理想的光纤末端。

使用机器将光纤在钢熔槽中浸入足够长的长度，所述机器：

-安装在EAF侧壁上

-具有优选的20s的周期时间

-一直监测光纤的末端位置-直接以及间接使用编码器和感应位置装置

-整修外管以及气体塞，并且将光纤穿过外管和气体塞定位在外管和气体塞内部

-在重新卷起未使用的光纤时，将用过的外管和气体塞推出到EAF中

-具有近立即减速的+2000mm/s进给的能力

-以不同的速度将光纤和外管插入到EAF中

-可反转的以及独立可反转的驱动能力(在相反方向上移动)。

-用于解开以及重新卷起光纤的动量补偿致动器

-用于温度以及熔槽液位检测的远程仪器。

US5585914认识到间歇的光纤进给提供间歇的温度。当按需温度的可用性足以引导冶金过程时，则对于连续温度的要求变得不受用于此类数据的技术需求支持。

在以上公开内容中，描述了持续10s的10mm/s的进给(具有20s空闲时间)将足以用于LD过程。在空闲时间期间，必须振动光纤以便防止外护套焊接到注口上。在进给以及等待时间两者期间，气体穿过注口吹洗，所述注口的直径由外光纤护套的外径固定在1.8mm与4.2mm之间。通过此注口流动由一系列橡胶塞所含有的经吹洗气体，橡胶塞容纳在供应有油的外壳中。

EP 0802401 A1还提供了利用光纤获得2到3s持续时间的按需温度读取，光纤通过经气体吹洗的导管或用于保护光纤的延伸(但未浸入)部分的目的的“延伸构件”进给。这些外管都不是自耗的。配备浸入机器以切断光纤的失透部分，从而每4到5次浸入后呈现新的表面。

JP-B-3351120公开了具有另外的自耗式外金属管的连续地进给的覆盖有金属的光纤，所述两者同时进给到金属中。还描述了进给机器。JP-B-3351120的自耗式保护管连续地存在于光纤外部，就如同它是光纤的组成部分。此发明利用单独的且不同于光纤的一次性外管。人们不能在不同时进给光纤的情况下进给JP-B-3351120的外金属管。另外的外金属管与光纤的分离在此发明中是不同的。还提供了对其它问题的解决方案。尽管EP0802401 A1认识到需要延伸管或导管以辅助浸入光纤，但是导管不完全延伸到金属表面。导管是不可浸入的且不是一次性的，并且因为这一点光纤不会完全安全。

在实践中我们可以像处理注口一样来处理导管，且两者均存在阻塞的问题。实际上，所描述的注口以及导管两者具有另外的机构来避免它们的孔口因材料进入而阻塞。现有技术清楚地认识到吹洗气体防止熔渣/钢进入进给光纤所通过的注口的重要性。由于这些注口不是一次性的，所以用于密封在导管与浸入端之间的吹洗气体的方法是典型的用油永久性密封。

在本发明中，具有至少一个(优选地，一次性)气体塞的一次性外管提供良好的容纳系统。此系统可以使用已经存在于外管中(在第一塞后方，或优选地在两个塞之间)的气体的热膨胀，而不是添加外部吹洗气体，由此解决了在现有技术中固有的吹洗气体供应的问题。在EP 0802401 A1中，导管或延伸管不接触金属。所述导管或延伸管的开放端在经加热气体膨胀期间无法提供增压。在US 5585914的永久封闭空间中，一旦气体已经膨胀，所述导管或延伸管就不可能再提供位移以用于金属进入。在JP-B-3351120中，在外管与光纤之间的空间是有限长的，并且由于气体的可压缩性而无法用以在浸入端处提供气体的经加热膨胀。自动吹洗的外管的唯一性只有在外管的一次性的概念的情况下才可能。本发明的此特征在全部现有技术之中是唯一的。这并不是显而易见的，因为现有技术解决与维持来自连续进给的光纤的连续测量有关的问题。

附图说明

在下文中借助于实例描述本发明。

图1示出现有技术的自耗光纤；

图2a示出具有导管的涂覆有金属的光纤的前沿段；

图2b示出具有导管的涂覆有金属的光纤的替代前沿段；

图2c示出涂覆有金属的光纤的另一替代前沿段；

图3示出具有经修改的导管的涂覆有金属的光纤的前沿段；

图4a示出在浸入光纤之前的浸入装置；

图4b示出在浸入光纤之后的浸入装置；

图4c示出根据图3b的浸入装置，其具有不同的熔化容器，例如熔融金属盛桶或中间包；以及

图5示出外导管的浸入端以及光纤的浸入端两者在浸入期间的位置的视图。

具体实施方式

下文中借助于实例描述本发明的装置。图1示出通常用于液体金属的测量的现有技术自耗光纤10，其包括光纤、覆盖光纤的塑料护套以及覆盖塑料护套的表面的保护性金属管。光纤10通常是由石英玻璃制成的渐变折射率多模光纤，具有直径为62.5μm的内芯11以及直径为125μm的覆盖有聚酰亚胺或类似材料13的外包层12。保护性金属管14通常是1.32mm外径(OD)以及0.127mm壁厚的不锈钢管。尽管覆盖有金属的光纤是优选的，但是其中保护性金属管14和/或材料13由单个塑料材料替换的其它实施例也包括在本发明的保护范围内。

图2a示出涂覆有金属的光纤10的前沿段10'，其从线轴20穿过第一气体保持弹性塞32(也称为塞)进给，第一气体保持弹性塞32附装在一次性外导管40(也称为导管)上。第一气体保持弹性塞32靠近一次性外导管40的浸入端50。

图2b示出涂覆有金属的光纤10的前沿段10'，其从线轴20穿过第二气体保持弹性塞30(也称为塞)进给，第二气体保持弹性塞30附装在一次性外导管40的与浸入端50相反的端部上。第一气体保持弹性塞32靠近一次性外导管40的浸入端50。

光纤10和一次性外导管40不是相互固定的，而是可以独立于彼此而移动，且因此可以在不同的速度下独立地插入穿过熔渣层51并进入到熔槽52中，同时在第二气体保持弹性塞30与第一气体保持弹性塞32之间保持气体体积31。一次性外导管40优选地是具有0.8到1mm的壁厚的低碳钢，但是可以选自多种金属材料以及陶瓷和玻璃、卡纸板以及塑料或各种材料的组合。在一次性外导管40选自与熔槽反应的材料的情况下，可取的是按以下方式来制备浸入部分50：通过应用本领域中已知的用于减小飞溅的材料的涂层或覆盖物，来使得浸入部分50不把熔融金属飞溅在一次性外导管40的内侧上。

如果将不具有第二气体保持弹性塞30的末端开放的一次性外导管40穿过熔渣层51浸入到钢水中，会导致熔渣以及钢水进入到一次性外导管40中。精炼过程产生的熔渣含有大量氧化物，例如容易吸附到光纤结构中的铁氧化物。穿过含有熔渣和钢水的一次性外导管40进给的光纤10会在到达一次性外导管40的开放末端之前被损坏。对于2m长的具有30cm浸入深度且两端开放的优选的一次性外导管40来说，熔融材料在一次性外导管40内会上涌到高达30cm。在末端封闭的一次性外导管40的情况下，上涌将为大约16cm。这是忽略了被封住的空气的气体膨胀(被封住的空气由于其温度升高将经历膨胀)计算出来的。测试表明，通过减小在一次性外导管40的内径与光纤10的保护性金属管14的外径之间的气隙，可以将钢水进入减到最少。非常优选的是将此气隙减到最小，然而，实际上对于具有10mm的内径的一次性外导管40来说，此气隙应小于2mm²，优选小于1mm²。气隙甚至可以被封闭。对于具有更小的内径的一次性外导管40来说，由于被封住的空气的加热速率更快，所以允许更大的气隙。

本发明的优选特征之一是：利用在附装在一次性外导管40上或附装在一次性外导管40内的一对气体保持弹性塞之间容纳的一定体积的气体的热膨胀来避免熔体进入。利用气体保持弹性塞30和32以一定的密封质量有效地密封一次性外导管40的浸入端和与浸入端的相反的端部，确保膨胀的气体在浸入期间保持抵抗液态钢的填充压力的正压，从而防止液态钢进入一次性外导管40。但是，在浸入时在一次性导管40中形成过压的任何方案也能避免钢水进入，例如在最低温度下为蒸汽状的材料的内部涂层，例如电镀涂层(例如锌)。在一次性外导管40中形成正压的主要目的是：避免金属、熔渣或其它污染物上涌和进入到一次性外导管40内，因为这会妨碍光纤10的自由进给。

塞30和32具有进给通孔，进给通孔具有小于光纤的外径的直径(非操作的)，并且应该具有适当的弹性以便补偿由先前浸入导致的不理想的光纤末端。热弹性材料山都坪(Santoprene)(山都坪是埃克森美孚公司(Exxon Mobile)的商标)是已经发现的在测量持续时间内既保持弹性又出人意料地完整无损的一种此类材料。然而，所述材料也可以是其它材料，例如木头或其它合适的塑料。在优选实施例中，塞30和32和每个一次性外导管40一起更换。每一次更换确保适当的密封，然而塞30可以构造成重复用于多个一次性外导管并且在维修时替换。为便于安装，选择图2b、2c中在一次性外导管40的末端处的塞30的优选位置。然而，将塞30放置于更靠近浸入端是同样可接受的。图2b中的塞30和32的设计有助于将其布置在一次性外导管40的末端处，塞30和32具有靠在一次性外导管40的末端上的唇边。塞30和32还可以采用其它构造，并且可以具有模制或压制在塞30和32的外表面上的结构以便有助于通过突片或粘合剂将塞30和32固定到一次性外导管40上。塞32的具体实施例应反映易于置放、定位以及固定其位置而不偏离塞的主要目的：限制空气从一次性外导管逸出，从而确保了内压的积聚。图2c示出靠近一次性外导管40的浸入端的第一气体保持弹性塞32的可选位置。在此实施例中，在一次性外导管40的浸入端与光纤10从第一气体保持弹性塞32离开的位置之间的优选距离不超过一次性外导管40的内径的5倍。在第一气体保持弹性塞32的与浸入端相反的一侧，第一气体保持弹性塞32的内部轮廓朝向一次性外导管40的内壁形成锥形，使得第一气体保持弹性塞32在其末端处的厚度不超过光纤直径的三分之一，由此保证在进给期间能够朝向浸入端一致地引导光纤10。第一气体保持弹性塞32还可以构造有模制或压制在其外表面上的结构，以有助于通过突片或粘合剂将第一气体保持弹性塞32固定到一次性外导管40上。第一和第二气体保持弹性塞32、30具有锥形形状，由此它们的壁厚朝向浸入端减小。

类似于图2c，采用如下方案代替第一气体保持弹性塞32：一次性外导管40在其浸入端处或浸入端附近具有直径或截面面积减小的部分(图3)。

在浸入在钢水中时，以下原因会导致进入导管中的钢增加：

-浸入深度的增加

-导管长度的增加

-(在另一端处的)气隙的增大

-较低的熔槽温度

-较厚的壁厚

-钢熔槽的较高氧气含量。

在图4中示出了浸入装置。按照下方方式适当地构造和设计机器100：把第一和第二气体保持弹性塞32、30组装到一次性外导管40中，使得光纤10可以穿过第二气体保持弹性塞30插入到一次性外导管40的内部并且刚好离开第一气体保持弹性塞32。但是，本发明的范围还如包括如下情况：一次性外导管40以及第一和第二气体保持弹性塞32、30可以预先组装并且装载在机器100上。一次性外导管40以及光纤10均通过合适的检查口80以大致3000mm/s的速度进给穿过EAF的侧壁。这些检查口80不是机器100的一部分。机器100具有独立的100％可反转地驱动或进给的电机25；45。电机25驱动光纤10，电机45驱动一次性外导管40，使得一次性外导管40在任一方向上的速度都独立于光纤10在任一方向上的速度。

机器100能够以比一次性外导管40的速度更低、相等或更高的速度独立地将光纤10进给到熔槽中。优选地，光纤10进给得更快，以使一次性外导管40的浸入端50以及光纤10的前沿段10'基本上同时到达金属的预定表面。一旦达到熔槽液位位置，一次性外导管40就减速到在熔融金属52中的几乎静止的位置。光纤10的前沿段10'在钢中以约200mm/s的速度继续缓慢向下移动，持续大致0.7s。一次性外导管40以及光纤10均以不相等的速度不断地移动，以避免两个金属表面被焊接在一起，从而解决了现有技术中的问题。

光纤10的加速以及减速的问题比移动一次性外导管40更复杂。光纤10不断地从线圈或线轴20解开并重新卷起，线圈重量由于光纤的消耗而不断地改变。进给机器必须用另外的机构调节以避免来自线圈或线轴20自身以及连接到线圈上的高温计的重量的弹性回弹效应。这通过使用伺服电机或进给电机25控制光纤的移动来解决。一个进给电机25负责以如下方式将光纤10解开和重新卷起并且预先进给光纤10：使得进给电机25可以非常快速地加速。

自耗光纤10接收从熔融金属发射的辐射光，将辐射光传送到安装在卷绕的自耗光纤的相反端上的光电转换元件，光电转换元件与相关联的仪器组合测量辐射的强度，从而使用所述强度来确定金属的温度。光纤线圈或线轴20以及仪器定位成以一定距离远离EAF且与EAF分开，但却是适当稳固的以承受炼钢环境的苛刻条件。在浸入周期的整个浸入、测量以及移除部分中，通过机器仪器不断地获知和监测光纤10的浸入端的位置。机器配备有用以确定光纤通过长度的位置编码器以及记录光纤末端的感应开关。

在测量完成之后，自耗光纤10以及一次性金属外导管40均以不同速度按照如下方式从钢中抽出：使得光纤10在熔槽中保持相对较深。在此移动期间，由于光强度的改变与在预定位置之间抽出的光纤10的长度是相关的，所以能够确定熔槽液位。随后将测量后的熔槽液位确定值用于下一次浸入。本发明的方法还包括如下情况：可以在浸入期间使用在文献中充分描述的各种技术确定熔槽液位。

一旦光纤10脱离EAF内部，就使一次性外导管40的运动方向反转为朝向电弧炉内部。接着一次性金属外导管40被推出到电弧炉内部，从而在电弧炉内部被处理且消耗掉。设置新的一次性外导管40以及气体保持弹性塞30和32以接收光纤10，以便进行下一次测量。其余的光纤10在移除期间被重新卷起并且返回到起始位置。

本发明的关键能力是：

-光纤的精确放出以及重新卷起

-光纤末端的检测

-一次性外导管的装载

-气体保持弹性塞的装载以及定位

-在起始位置处将光纤导入气体保持弹性塞中

-完全可反转地驱动光纤和一次性外导管

-光纤和一次性外导管具有独立的速度曲线

-记录光纤输出以检测液位

-可附接到炉壳以对熔槽液位进行倾斜补偿。

前面借助于对整个周期进行描述的实例描述了本发明的方法。此概念应使得我们成为自由控制EAF的操作人员。可以设想的是，最佳操作是快速连续地进行多次温度浸入(约5次)。每次浸入为大致2s；在单个炉次期间的总周期时间应小于20s。

图5的示意图提供了一次性外导管40的浸入端50以及光纤10的浸入端或前沿段10'两者在测量周期的2次浸入期间的位置的视图。针对光纤移动，我们追踪光纤的末端位置。

用一次性外导管40的移动来指示一次性外导管40的浸入端的位置。第一气体保持弹性塞32设置在一次性外导管40的浸入端处或附近。第二气体保持弹性塞30设置在一次性外导管40的与浸入端50的相反的端部处。出于此示意性的目的，一次性外导管40已经处于准备浸入的位置。第一和第二气体保持弹性塞32、30已经附接到后端，并且光纤10从第一气体保持弹性塞32朝向熔融金属略微伸出。所示的相对尺寸是用于描述的目的，应理解的是，绝对距离基于实际的电弧炉大小，电弧炉大小在不同的炼钢车间是不同的。

在时间0处，光纤在外金属管内的起始位置1设定在熔融金属/熔槽液位上方350cm处。在时间0处，金属制成的一次性外导管40的浸入端的起始位置1位于熔槽液位上方150cm处。光纤10从位置1进给到位置2，同时一次性外导管40保持几乎静止。在从位置2到4的时间0.8s与1.2s之间，光纤10以及一次性外导管40均推进到刚好在熔渣51上方的位置处。在1.2s以及位置4处，光纤10比一次性外导管40略微更快地推进穿过熔渣51并且进入到熔融金属52中。一次性外导管40减速，同时光纤10以近似200mm/s的速度推进到达在位置6处且浸入后1.5s时的最大浸入位置。光纤10以及一次性外导管40均在0.1s内被抽出。光纤10被继续抽出并且重新卷起而返回到其装载位置8，而一次性外导管40的其余部分在位置7处方向反向且被抛弃。光纤10仍然受经抛弃的一次性外导管40的其余部分保护。

Claims (7)

1.一种用于测量熔体、特别是熔融金属的温度的装置，包括：

光纤；以及

导管，所述导管具有浸入端和与所述浸入端相反的第二端，

其中，所述光纤部分地布置在所述导管中，所述导管的内径大于所述光纤的外径，

在所述导管的所述浸入端处或在所述导管内靠近所述导管的所述浸入端处设置有第一塞或所述导管的直径减小的部分，

所述光纤穿过所述第一塞或所述导管的直径减小的部分进给，所述第一塞或所述导管的直径减小的部分减小在所述光纤与所述导管之间的间隙，

其特征在于，

在所述导管的所述第二端处或在所述导管内靠近所述导管的所述第二端处布置第二塞，

其中，所述光纤穿过所述第一塞、所述第二塞或所述导管的直径减小的部分进给，

所述第一塞、所述第二塞或所述导管的直径减小的部分减小在所述光纤与所述导管之间的间隙。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述第一塞和所述第二塞中的至少一者是弹性的。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述第二塞在所述导管内布置在所述第一塞或所述导管的直径减小的部分与所述导管的所述第二端之间。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

至少所述第一塞至少在其浸入端处具有锥形形状，由此所述第一塞的壁厚朝向其浸入端减小。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

至少所述第一塞的内径朝向所述浸入端减小。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的装置，其特征在于，

所述装置包括光纤线圈以及用于进给所述光纤和所述导管的进给机构，

所述进给机构包括至少两个独立的进给电机，其中，一个进给电机用于进给所述光纤，另一个进给电机用于进给所述导管。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述进给电机各自与单独的速度控制器组合。

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