CN105819268A - 用于测量熔体温度的光纤的馈送器件 - Google Patents

用于测量熔体温度的光纤的馈送器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种馈送器件，其在用于测量熔体的温度的装置中使用，且用于从卷线盘馈送光纤和用于重卷未使用光纤，所述光纤优选地为金属的涂覆光纤，所述馈送器件包含用于卷线盘的支架、用于使所述光纤从所述卷线盘开卷和重卷所述光纤的馈送机构以及用于驱动所述馈送机构的至少一个电动机，所述馈送器件的特征在于所述器件包含用于所述光纤的负载，所述负载能避免由所述卷线盘带来的所述光纤的回弹效应。

Description

用于测量熔体温度的光纤的馈送器件
技术领域
本发明涉及一种在用于测量熔体温度的装置中使用的用于从卷线盘馈送光纤和用于重卷未使用光纤的馈送器件。所述器件包含用于卷线盘的支架、用于使所述光纤从所述卷线盘开卷和重卷所述光纤的馈送机构以及用于驱动所述馈送机构的至少一个电动机。本发明还涉及一种利用光纤测量熔体(特定来说，熔融金属，例如熔融钢)温度的装置。
背景技术
如从EP2799824A1已知，用于生产熔融钢的电弧炉(EAF)工艺是由以下操作构成的分批工艺：在熔炉中装上金属成份、熔融、精炼、除渣、出钢(tapping)以及倒炉。在称作出钢的工艺中，将每批钢(称作熔炼量)从熔炉移走，且因此，钢生产的周期批次率的基准通常是指称作冶炼周期(tap-to-taptime)的单位时间。现代EAF操作的目标是小于60分钟且更多时候为大约35到40分钟的冶炼周期。
EP2799824A1涉及机械式浸没器件，所述机械式浸没器件用于使用熔融金属浸没的自耗光纤以及能够使温度器件经由EAF的侧壁插入到可预测熔融钢浸没深度的浸没设备来以小于20秒的温度测量频率测量冶金容器中的温度。按需求、单独地或快速连续地进行取样的能力允许实现一种测量策略，这种测量策略能在该工艺过程中的关键时刻更新EAF操作的数学预测模型，并且能够进行快速连续的测量，从而以低成本提供近乎连续的温度数据。
EP2799824A1揭示了点式测量而不是连续测量。该专利中揭示了一种温度测量的低成本解决方案，适于以足够高的取样频率使用，以满足EAF熔融工艺的数学模型的更新要求，同时解决苛刻环境中与浸没式光纤相关联的问题。所述解决方案提供近乎连续的温度测量输出，且由以下步骤组成：在无需首先接触熔渣的情况下将光纤穿过熔渣覆盖层浸没到熔融金属中，通过控制馈送来在测量周期期间维持预定浸没深度，保护未浸没部分以防在EAF内部的高环境热中的失透性(devitrification)，在测量之后将未使用光纤移除并将其重卷，在重卷时测量熔池液位，以及用于重复测量工艺的浸没设备始终复制初始开始条件。
从卷线盘馈送光纤(或金属涂覆光纤)和在测量之后重卷未使用光纤可能会导致光纤例如由于弹性回弹效应而缠结的后果。出于此原因，从EP2799824A1已知的馈送机配有用以避免由卷线盘或卷轴带来的弹性回弹效应的额外构件。馈送机包含两个伺服电动机或馈送电动机以控制光纤移动。一个馈送电动机负责光纤的开卷和重卷并且以使得馈送电动机可非常快速加速的方式预馈送光纤。
从US4,742,973已知用于使卷线轴自动解卷的装置。从US2,716,008已知用于方便取出柔性材料的构造。从JP9101206A、JP7012650A和JP9280958A已知采用光纤的用于高温物体的温度测量系统。
发明内容
本发明的目的是避免当使光纤相对于用于馈送光纤的馈送器件的卷线盘开卷和重卷时受到阻碍。
本发明的目的是通过用于从卷线盘馈送光纤和用于重卷未使用光纤的器件来实现的。所述器件包含用于卷线盘的支架、用于使光纤从卷线盘开卷和重卷光纤的馈送机构以及用于驱动馈送机构的至少一个电动机。所述器件包含用于光纤的负载，所述负载避免由卷线盘带来的光纤的回弹效应。因此，避免当将光纤开卷和重卷时受到阻碍。
附接到光纤的重物可充当负载。另外或作为替代方案，弹簧可充当负载。
通常，光纤是金属涂覆式的，且通常，金属涂覆光纤的直径大于1mm，例如为1mm到15mm，优选地为1mm到3mm。
优选地，充当负载的重物是呈柔性管形式的用于光纤的引导件以便提供以可靠方式工作的简单的技术解决方案。
在优选实施例中，柔性管由金属形成。通常，柔性管的重量足以提供避免回弹效应的负载。
在优选实施例中，柔性管的刚性程度提供对其弯曲的抵抗，即，其具有提供用于避免回弹效应的负载的弹簧式行为。
在优选实施例中，柔性管包含用于提供避免回弹效应且因此避免阻碍的适当负载的非固定端。
优选地，柔性管的非固定端在已将卷线盘插入到支架中时在卷线盘的轴下面终止以便以技术简单方式提供适当负载。
在优选实施例中，柔性管的内径大于10mm，优选地大于30mm，和/或柔性管的长度大于100mm，优选地大于200mm。一方面，由于这些尺寸，柔性管的重量通常足以提供避免回弹效应的负载。另一方面，内径大于10mm，优选地大于30mm(其通常比金属涂覆光纤的外径大得多)，在开卷和重卷光纤的过程中避免箍缩效应(pincheffect)且因此避免在该过程中受到阻碍。
出于此原因，在优选实施例中，柔性管的内径是金属涂覆光纤的外径的至少五倍，优选地为至少十倍。
在优选实施例中，所述器件包含壳体，该壳体覆盖用于卷线盘的支架和用于光纤的负载。因此，卷线盘和用于光纤的负载受到保护以防止发生可能导致开卷和重卷光纤的过程中断的外部影响或断裂。因此，本实施例有助于实现本发明的目的的方案。
在优选实施例中，壳体是如下的机柜：其特别包含用于卷线盘的第一可触及隔间和用于器件的电气设备的第二隔间。以此方式，使卷线盘且因此使光纤与其它部分分离以便以更可靠方式实现本发明的目的。第一隔间供目标用户接触且因此(例如)没有利用锁来封闭。因此，目标用户可视需要插入或更换卷线盘。
优选地，包含馈送器件的电气设备在内的第二隔间是(例如)通过门锁来封闭的。因此，电气设备受到良好保护，从而避免(例如)由于使用不当所导致的干扰。
在优选实施例中，机柜(优选地，至少和/或仅机柜的第一隔间)备有空调装置。以此方式，保护第一隔间以防止发生过热。过热可能干扰开卷和重卷光纤的过程。因此，本实施例也有助于实现本发明的目的的方案。此外，空气调节预防凝结。因此，能避免错误的测量。
本发明还涉及包含馈送器件的机械式浸没器件。在优选实施例中，机械式浸没器件相应地包含具有浸没端和与浸没端相反的第二端的一次性引导管，由此光纤可部分地布置在一次性引导管中，由此一次性引导管的内径比光纤的外径大，由此至少一个弹性塞布置在一次性引导管的第二端处或在一次性引导管内，由此使光纤馈送穿过弹性塞且由此弹性塞减小光纤与一次性引导管之间的间隙。需要此机械式浸没器件以非常快速的方式开卷和重卷光纤。出于此原因，优选地，机械式浸没器件包含根据本发明的馈送器件。
附图说明
在下文中，通过实例的方式对本发明进行描述。
图1展示自耗光纤；
图2展示金属涂覆光纤的前区段；
图3a展示在浸没光纤之前的浸没器件；
图3b展示在浸没光纤之后的浸没器件；
图3c展示具有例如熔融金属钢包(ladle)或中间包(tundish)等不同熔体容器的根据图3b的浸没器件；
图4展示在浸没期间外管的浸没端和光纤的浸没端两者的位置的视图；
图5展示馈送器件的侧视图；
图6展示馈送器件的正视图。
具体实施方式
图1展示自耗金属涂覆光纤10，通常用于对液态金属的测量，光纤10包含光纤11、覆盖光纤11的护套(也称为外包层)12和覆盖塑料护套12表面的保护金属管14。光纤10(通常为渐变折射率多模光纤)由石英玻璃制成，且具有62.5μm直径的内芯11和125μm直径的外包层12，所述外包层被聚酰亚胺或类似材料13覆盖。保护金属管14通常为1.32mm外径(OD)和0.127mm壁厚的不锈钢。尽管金属覆盖光纤是优选的，但14和/或13被替换为特殊塑料材料的其他实施例并不背离本发明。
图2展示从线轴20经由气体保持弹性塞30馈送的金属涂覆光纤10的前区段10，前区段固定到外部一次性引导管40的相反浸没端50。金属涂覆光纤10和外部一次性引导管40并非处于被固定的布置方式且如此可独立于彼此移动且因此可以以不同速度独立地插入穿过熔渣层51且插入到熔池52中同时在相反端维持气体密封31。优选地，一次性引导管40为具有0.8mm到1mm的壁厚的低碳钢，但可选自各种金属材料、陶瓷、玻璃、硬纸板、塑料或多种材料的组合。在一次性引导管40选自与熔池起反应的材料的情形中，出于减少飞溅的目的，建议的做法是通过涂布本领域中已知的材料的涂层或覆盖层，以不使熔融金属在一次性引导管40内部飞溅的方式来制备浸没部分50。
在不采用塞30的情况下将端部开口式外部一次性引导管40穿过熔渣层51浸没到钢中将导致熔渣和钢侵入此管中。由精炼工艺产生的熔渣富含容易被吸收到光纤结构中的氧化物(例如氧化铁)。经由含有熔渣和钢的外部一次性引导管40馈送的光纤10在到达外部一次性引导管40的开口端之前将会受到损坏。
针对具有30cm浸没深度且在两端开口的2m长的优选外部一次性引导管40，熔融材料将在外部一次性引导管40内部上涌30cm。在端部闭口式外部一次性引导管40的情形中，将上涌大约16cm。这是在忽略封闭空气(其将由于温度升高而经历膨胀)的气体膨胀的情况下计算的。试验表明，通过减小外部一次性引导管40的内径(ID)与光纤10金属覆盖层的OD之间的空气间隙，可使钢侵入最小化。将此间隙减小到最小是非常优选的，然而，实际上对具有10mm的ID的管来说，此间隙应小于2mm2，优选地小于1mm2。管的ID越小，允许的间隙就越大，这是因为封闭空气的加热速率更快。
浸没器件的一个优选特征是利用一次性引导管40中所含有的气体的膨胀来避免熔融物浸入。使用弹性塞30来有效地密封具有一定密封品质的浸没端的相反端，将确保在浸没期间气体从浸没端冒泡出来，因此保持一次性引导管40清洁。
然而，浸没时在一次性引导管40中形成过压的任何构件也避免钢侵入，例如在最低温度汽化的材料的内部涂层。关于在外部一次性引导管40中形成正压的突出概念是避免金属、熔渣或其它污染物在一次性引导管40内部的上涌和侵入，这可能妨碍金属涂覆光纤10的自由馈送。
塞30应当有适当的弹性，以便补偿由先前浸没所导致的不理想光纤端部。在优选实施例中，塞30与每一外部一次性引导管40一起被更换。每一次更换保证恰当密封，然而，此塞30可以如下一种方式构造：与多个外部一次性引导管一起重复使用且根据维修情况更换。为便于应用，选择塞30在外部一次性引导管40的终端处的优选位置。然而，将塞30放置成更接近于浸没端同样是可接受的且将在浸没期间实现极优的过压，从而有助于光纤10的无误浸没。塞30的设计通过具有搁置在管端上的边缘而有助于其放置在一次性引导管40的末端。其它配置也是可能的。在不背离塞限制外管中的空气的逃逸因此确保内压积累的主要目的的情况下，塞30的确切实施例应反映其位置的定位和测位的容易性。
在浸没钢管时钢管中的钢侵入量随以下情况增加：
·浸没深度的增加；
·管长度的增加；
·空气间隙(另一端处)的增大；
·较低的熔池温度；
·较厚的壁厚度；
·钢熔池的较高氧含量。
图3a至3c中示出浸没器件。机器100适当地进行构造和装备使得组合塞30与外部一次性引导管40对准，因此可使金属涂覆光纤10穿过塞30插入到外部一次性引导管40内部。外部一次性引导管40及金属涂覆光纤10两者均经由适合的接入板80以大约2000mm/s的速度馈送穿过EAF的侧壁。这些板80并非机器100的一部分。机器100具有独立的100％可逆驱动或馈送电动机25和45。电动机25驱动光纤10且电动机45驱动一次性引导管40，使得外部一次性引导管40在任一方向上的速度与光纤10在任一方向上的速度无关。
机器100能够以小于、等于或高于外部一次性引导管40的速度的速度将光纤10独立馈送到熔池中。优选地，较快速地馈送金属涂覆光纤10，使得外部一次性引导管40的浸没端50及金属涂覆光纤10的前区段10两者几乎同时地到达金属的预定表面处。一旦到达熔池液位位置，立即使外部一次性引导管40在熔融金属52中减速到几乎静止状态。金属涂覆光纤10的前区段10以约200mm/s的速度在钢中继续缓慢移动大约0.7s至更深处。外部一次性引导管40及金属涂覆光纤10两者不断地以不相等的速度移动以避免将两个金属表面熔接在一起，从而解决现有技术中所述的问题。
金属涂覆光纤10的加速与减速问题比使外部一次性引导管40移动更复杂。金属涂覆光纤10不断地相对于卷线盘或线轴20开卷和重卷，其卷线重量由于光纤消耗而不断改变。馈送机或馈送器件配有额外机械结构，以避免由卷线盘或线轴20自身以及与卷线盘连接的高温计的重量带来的弹性回弹效应。出于此原因，存在2个伺服电动机或馈送电动机25、45来控制光纤移动。一个馈送电动机25负责金属涂覆光纤10的开卷和重卷以及以馈送电动机25可非常快速加速的方式预馈送金属涂覆光纤10。
自耗金属涂覆光纤10接收从熔融金属发射的辐射光，将此辐射光输送到安装在盘绕的自耗金属涂覆光纤10的相反端上的光电转换元件且结合相关联仪器来测量辐射强度，从而使用此强度来确定金属的温度。金属涂覆光纤卷线盘或线轴20和仪器定位成离EAF有一段距离且与EAF分离，但是合适的是坚固的以耐受制钢环境的苛刻条件。金属涂覆光纤10的浸没端的位置在浸没周期的浸没、测量和移除部分的整个期间持续为机器仪器所知晓和监视。机器配备有确定通过的金属涂覆光纤长度的位置编码器和标示(register)金属涂覆光纤端部的感应开关。
在测量完成之后，以不同速度从钢中取出自耗金属涂覆光纤10及外部一次性引导金属管40两者，其方式使得金属涂覆光纤10保持在熔池中相对较深的位置。在此移动期间，能够与在预定位置之间提取出的金属涂覆光纤10的长度相关联地由于光强度的改变而确定熔池液位。随后将测量后熔池液位确定步骤用于下一浸没。在不背离本发明的方法的情况下，还预期可使用文献中充分描述的各种技术来在浸没期间确定熔池液位。
一旦金属涂覆光纤10从EAF内部离开，此时使外部一次性引导管40的方向逆转朝向熔炉内部。接着，将外部一次性引导金属管40射出，在熔炉内部进行处理和烧毁。定位新的外部一次性引导管40和气塞30以接纳金属涂覆光纤10以便用于下一测量。在移除并返回到起始位置期间，将剩余金属涂覆光纤10重卷。
关键能力是：
·光纤的准确放线(payout)和重卷
·光纤端部的检测
·外部一次性引导管的装载
·在起始位置处将光纤引导到气塞中
·用于光纤及外部一次性引导管两者的完全可逆驱动
·光纤及外部一次性引导管的独立速度益处
·用于液位检测的光纤输出的标示
·可附接到熔炉外壳以倾斜补偿熔池液位。
利用总周期描述的实例来描述方法。此概念应引导我们实现对EAF的无操作者控制。预想，最佳操作是快速连续进行多次温度浸没(约5次)。每次浸没大约2s；在单次熔炼期间，总周期时间应小于20s。
图4的示意图给出在测量周期的两次浸没期间外部一次性引导管40的浸没端50与金属涂覆光纤10的浸没端或前区段10两者的位置的视图。针对光纤移动，追踪光纤的端部位置。
随着管移动，指示一次性引导管40的浸没端的位置。气塞30在外部一次性引导管40的浸没端50的相反侧。出于此示意的目的，外部一次性引导管40已准备好到达浸没位置。气塞30已附接到后端且金属涂覆光纤10正好在气塞30内部。所展示的相对尺寸是出于描述目的，应理解，绝对距离是基于实际熔炉大小确定的，所述实际熔炉大小因炼钢车间而不同。
光纤在外部金属管内的起始位置1(在时间0处)设置在熔融金属/熔池液位5上方350cm处。起始位置在熔炉外部。外部金属管的浸没端的起始位置1(在时间0处)定位在熔池液位上方150cm处。金属涂覆光纤10从位置1馈送到位置2，同时外部一次性引导管40保持几乎静止。在时间0.8s与1.2s之间，经过位置2到4，金属涂覆光纤10及外部一次性引导管40两者前进到刚好在熔渣51上方的位置。在1.2s及位置4处，光纤比外部一次性引导金属管40稍微更快速地前进，从而穿过熔渣51且到熔融金属52中。外部一次性引导金属管40减速，而金属涂覆光纤10以大约200mm/s的速度前进到浸没物中，在位置6及1.5s处达到最大浸没。将金属涂覆光纤10及外部一次性引导管40两者在0.1s内抽出。将金属涂覆光纤10继续取出并且重卷而返回到其装载位置8，而使外部一次性引导金属管的剩余部分的方向在位置7处逆转并将其废弃。金属涂覆光纤10仍受废弃的外部一次性引导管40的剩余部分保护。
图5是用于从卷线盘20馈送光纤10和用于重卷未使用光纤10的馈送器件的侧视图。卷线盘20插入到支架21中。支架21包含卷线盘的轴22，使得卷线盘20可绕其轴22旋转。柔性管23充当用于避免光纤10的回弹效应的负载。如图5中所展示，柔性管23是用于光纤的引导件。换句话说，经由柔性管23馈送光纤10。
柔性管23是由金属形成的。柔性管可包含以柔性方式彼此连接的多个金属环或金属套筒。柔性管23的上部端25附接到馈送器件的壳体24。相反的非固定端26能自由移动且在轴22下方终止。因此，至少下部柔性管充当避免回弹效应的用于光纤10的负载。
柔性管23的内径是涂覆光纤10的外径的至少五倍。壳体24是覆盖并保护柔性管23和用于卷线盘20的支架21的机柜。
馈送器件包含电动机驱动器(未展示)，所述电动机驱动器可使卷线盘沿所要方向旋转，尤其用于重卷光纤10。
图6是馈送器件的正视图。机柜24包含用于卷线盘支架和柔性管23的第一可触及隔间27以及用于馈送器件的电气设备的第二隔间28。隔间27与隔间28通过内壁29分离。存在用于包含支架和柔性管23的隔间27的门(未展示)。门未锁定使得隔间27由目标用户接触。用于馈送器件的电气设备的隔间28包含具有锁定机构的门。由于锁定机构，用于电气设备的隔间28仅供经授权人员接触。
至少机柜的用于支架和柔性管23的第一隔间备有空调装置。馈送器件包含用于将由光纤传输的光转换成温度的构件。

Claims (15)

1.一种馈送器件，其在用于测量熔体(52)的温度的装置(100)中使用，且用于从卷线盘(20)馈送光纤(10)和用于重卷未使用光纤(10)，所述光纤(10)优选地为金属涂覆的光纤(10)，所述馈送器件包含用于卷线盘的支架、用于使所述光纤从所述卷线盘开卷和重卷所述光纤的馈送机构以及用于驱动所述馈送机构的至少一个电动机，所述馈送器件的特征在于所述器件包含用于所述光纤(10)的负载，所述负载能避免由所述卷线盘(20)带来的所述光纤的回弹效应。
2.根据前一权利要求所述的馈送器件，其特征在于所述负载是呈柔性管(23)形式的用于所述光纤(10)的引导件。
3.根据前一权利要求所述的馈送器件，其特征在于所述柔性管(23)由金属形成。
4.根据前述两个权利要求中任一项所述的馈送器件，其特征在于所述柔性管(23)包含非固定端(26)。
5.根据前一权利要求所述的馈送器件，其特征在于所述柔性管的所述非固定端(26)在所述卷线盘(20)的轴(22)下方终止。
6.根据前述四项权利要求中任一项所述的馈送器件，其特征在于所述柔性管(23)的内径大于10mm，优选地大于30mm和/或所述柔性管(23)的长度大于100mm，优选地大于200mm。
7.根据前一权利要求所述的馈送器件，其特征在于所述柔性管(23)的所述内径是所述涂覆光纤(10)的外径的至少五倍，优选地为至少十倍。
8.根据前述权利要求中任一项所述的馈送器件，其特征在于所述馈送器件包含壳体(24)，所述壳体(24)覆盖用于所述卷线盘(20)的所述支架(21)和用于所述光纤(10)的所述负载(23)。
9.根据前一权利要求所述的馈送器件，其特征在于所述壳体(24)是机柜，所述机柜优选地包含用于所述支架(21)和所述负载(23)的第一可触及隔间(27)以及用于所述馈送器件的电气设备的第二隔间(28)。
10.根据前一权利要求所述的馈送器件，其特征在于包含所述器件的电气设备的所述第二隔间(28)能通过门锁来封闭。
11.根据前述两个权利要求中任一项所述的馈送器件，其特征在于所述机柜(24)，优选地，仅用于所述卷线盘支架(21)和所述负载(23)的所述第一可触及隔间(27)备有空调装置。
12.根据前述权利要求中任一项所述的馈送器件，其特征在于设置有用于将由光纤(10)传输的光转换成温度的构件。
13.根据前述权利要求中任一项所述的馈送器件，其特征在于设置有用于所述卷线盘(20)的电动机驱动器。
14.一种用于测量冶金容器中的温度的机械式浸没器件，其包含根据前述权利要求中任一项所述的馈送器件。
15.根据权利要求14所述的机械式浸没器件，其包含具有浸没端和与所述浸没端相反的第二端的一次性引导管，由此光纤(10)能部分地布置在所述一次性引导管中，由此所述一次性引导管的内径比所述光纤(10)的外径大，由此弹性塞布置在所述一次性引导管的所述第二端处或在所述一次性引导管内，由此使所述光纤馈送穿过所述弹性塞且由此所述弹性塞减小所述光纤与所述一次性引导管之间的间隙。
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