CN110954241B - 一种钢包内衬状态实时监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢包内衬温度监测技术领域，公开了一种钢包内衬状态实时监测装置，钢包内衬上开设有多个气孔，各所述气孔分别分布于所述钢包内衬上不同位置处，每一所述气孔内均安装有多个所述光纤传感器，每一所述气孔内的多个所述光纤传感器分别位于钢包内衬的不同层深处，各所述光纤传感器分别通过多模光纤与所述信号解调器连接，并用于获取所述钢包内衬不同位置、不同层深处的温度信号，所述上位机与所述信号解调器连接，并用于根据所述钢包内衬不同位置、不同层深处的温度信号获取所述钢包内衬不同位置处的残厚预测值。本发明具有钢包内衬温度监测精度高、残厚预测值精度高的技术效果。

Description

一种钢包内衬状态实时监测装置

技术领域

本发明涉及钢包内衬温度监测技术领域，具体涉及一种钢包内衬状态实时监测装置。

背景技术

钢包是冶金工业中储存、转运钢水的重要容器件，其结构由钢壳和内衬构成，其中钢包内衬包含工作层、保温层和永久层。在使用过程中，由于钢包内衬的耐火材料周期性地受到高温钢水的冲刷和侵蚀，导致耐火材料内部的裂纹逐步扩大，造成钢包内衬耐火材料的熔损。为了避免重大安全事故和财产损失的发生，必须加强对钢包内衬温度的实时监测，及时有效地更换钢包内衬耐火材料，使钢包安全、经济地运行。目前传统的测温技术如热敏电阻、热电偶和温敏二极管等，其测量灵敏度和精度容易受到高温含氧和易燃易爆等工作环境的影响。因此，对钢包内衬材料的损毁度进行准确监测，是保证钢包安全、节能降耗的有效手段，是发展我国相关重要产业和技术升级的重要保障。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种钢包内衬状态实时监测装置，解决现有技术中钢包内衬温度和损毁度的检测精度低的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种钢包内衬状态实时监测装置，包括多个光纤传感器、信号解调器以及上位机；

钢包内衬上开设有多个气孔，各所述气孔分别分布于所述钢包内衬上不同位置处，每一所述气孔内均安装有多个所述光纤传感器，每一所述气孔内的多个所述光纤传感器分别位于钢包内衬的不同层深处，各所述光纤传感器分别通过多模光纤与所述信号解调器连接，并用于获取所述钢包内衬不同位置、不同层深处的温度信号，所述上位机与所述信号解调器连接，并用于根据所述钢包内衬不同位置、不同层深处的温度信号获取所述钢包内衬不同位置处的残厚预测值。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明将多个光纤传感器同时安装至钢包内衬的气孔内的不同位置处，光纤传感器具有耐高温的优点，非常适用于钢包内衬这种温度较高的环境中，检测精度较高。信号解调装置实时在线获得钢包内衬中各层深处的温度信号后，对温度信号进行解调然后将解调后的温度信号传输至上位机，上位机根据各层深处的温度对钢包内衬残余厚度进行预测，由于兼顾了各不同层深处的温度，因此预测的残厚值更加准确，从而实现钢包内衬温度及损毁度的精准监测，保障钢包运行安全，并为钢包内衬耐火材料的修理提供科学数据支持，降低内衬耐材的更换损耗。

附图说明

图1是本发明提供的钢包内衬状态实时监测装置一实施方式的结构示意图图；

图2是本发明提供的多模光纤一实施方式的结构示意图。

附图标记：

1、光纤传感器，2、信号解调器，3、上位机，4、多模光纤，41、纤芯，42、包层，43、耐热层，5、钢包内衬，51、工作层，52、保温层，53、永久层，54、气孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例1提供了钢包内衬状态实时监测装置，包括多个光纤传感器1、信号解调器2以及上位机3；

钢包内衬5上开设有多个气孔54，各所述气孔54分别分布于所述钢包内衬5上不同位置处，每一所述气孔54内均安装有多个所述光纤传感器1，每一所述气孔54内的多个所述光纤传感器1分别通过多模光纤4与所述信号解调器2连接，并用于获取所述钢包内衬5不同位置、不同层深处的温度，所述上位机3与所述信号解调器2连接，并用于根据所述钢包内衬5不同位置、不同层深处的温度信号计算所述钢包内衬5的不同位置处的残厚预测值。

本发明实施例在钢包内衬5的不同位置处开设气孔54，例如在在钢包内衬5的渣线部位和包壁位置分别开设气孔54，在每一个气孔54内不同层深处均安装光纤传感器1，从而实现钢包内衬5不同位置不同层深处的温度检测。具体的，如图1，本实施例中共开设三个气孔54，每一个气孔54内均安装有三个光纤传感器1，每一个气孔54内的三个光纤传感器1分别位于工作层51、保温层52和永久层53处，且每个气孔54内的光纤传感器1分别与多模光纤4连接，并通过多模光纤4连接到同一台信号解调器2。光纤传感器1通过多模光纤4连接至信号解调器2进行信号解调，再将所获的解调后的温度信息传输至上位机3，实现钢包内衬5中不同位置、不同层深位置处温度的实时在线监测。同时，上位机3还根据不同位置、不同层深处的温度对钢包内衬5不同位置的残厚进行预测，从而实现了钢包内衬5损毁度的预测，根据钢包内衬5的残厚预测值对钢包内衬5进行修理或拆除，为钢包内衬5耐火材料的修理提供科学数据支持，减少在钢包内衬5耐火材料拆除过程中造成的浪费。本发明所采用的光纤传感器1具有耐高温的优点，因此非常适合应用于钢包内衬的温度实时监测中，提高所测温度数据的可靠性和有效性，同时本发明利用上位机3实现钢包内衬5的残厚预测，实现钢包内衬5运行状态的监测，由于残厚值的预测兼顾了不同层深处的温度，因此预测精度高，从而使得钢包内衬5损毁度的预测精度更高，为钢包内衬5耐火材料的修理提供科学数据支持，减少在钢包内衬5耐火材料拆除过程中造成的浪费。

优选的，所述光纤传感器1为蓝宝石光纤传感器。

蓝宝石光纤传感器是指以蓝宝石材料作为光纤探头的光纤传感器1，蓝宝石材料具有耐高温、寿命长、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，因此蓝宝石光纤传感器应用到钢包内衬的温度监测中时具有良好的灵敏度、精度及抗电磁场干扰能力等，克服了传统方法测量温度的不连续性及易受背景辐射干扰的缺陷，可以有效地实现钢包内衬温度的实时在线监测。

优选的，所述蓝宝石光纤传感器为蓝宝石光纤FP干涉传感器；

所述蓝宝石光纤FP干涉传感器包括蓝宝石晶片、蓝宝石光纤和蓝宝石插芯，所述蓝宝石晶片通过所述蓝宝石插芯与所述蓝宝石光纤连接，所述蓝宝石光纤与所述信号解调器2连接。

光纤传感器1的类型有很多，例如FP干涉传感器、FBG传感器或黑体辐射式光纤传感器等，运用任一种均可实现钢包内衬的温度检测，这些不同类型的光纤传感器1均具有良好的的灵敏度、耐高温能力和抗干扰能力。蓝宝石光纤传感器还可采用蓝宝石光纤FBG传感器或黑体辐射式蓝宝石光纤传感器实现。

具体的，以蓝宝石光纤FP干涉传感器为例，蓝宝石光纤FP干涉传感器的探头包括蓝宝石晶片、蓝宝石光纤和蓝宝石插芯，蓝宝石插芯用于保证蓝宝石晶片和蓝宝石光纤的相对位置及起到支撑作用，蓝宝石晶片的两侧面相互平行构成一个F-P微腔，该F-P微腔用于感应温度的变化，蓝宝石光纤与多模光纤4进行熔接，蓝宝石光纤通过多模光纤4与信号解调器2进行信息传输。置于钢包内衬5中的蓝宝石光纤FP干涉传感器接收到外界的宽频光后，宽频光在探头中经过F-P微腔两端面反射形成FP干涉信号，反射的干涉信号通过多模光纤4传输至信号解调器2进行解调，上位机3根据解调后的信号获得钢包内衬5中不同位置不同层深处的温度。本实施例中蓝宝石光纤FP干涉传感器应用法布里-珀罗干涉理论构建钢包内衬5内不同层深处的温度分布和侵蚀情况，为实现钢包内衬实时状态监测优化、钢水精确控温运行、智能维修提供基础依据。

优选的，如图1所示，多个所述气孔54沿所述钢包内衬5长度方向依次布置。

优选的，如图1所示，每一所述气孔54内均设置有三个所述光纤传感器1，同一气孔54内的三个光纤传感器1分别位于所述钢包内衬5的工作层51、保温层52以及永久层53。

优选的，如图2所示，所述多模光纤4采用涂覆有耐热层43的多模光纤4。

在传输过程中，由于钢包外包壁的温度在300℃左右，为了使多模光纤4能良好地作用于该环境下的通信和传感，本实施例中光纤传感器1与信号解调器2之间连接用的多模光纤4是经过封装保护的耐高温多模光纤4。具体的，多模光纤4包括纤芯41和包层42，在多模光纤4的包层42上涂覆抗高温的聚酰亚胺涂层或镀金涂层的耐热层43，对多模光纤4进行封装保护，为多模光纤4在300℃左右的高温环境下正常工作提供重要保障。

优选的，所述信号解调器2安装于隔热箱中，所述隔热箱设置于钢包内，所述信号解调器2与所述上位机3无线连接。

本实施例中，将信号解调器2安装于隔热箱内，并将隔热箱固定在钢包耳轴下的钣金格中，通过隔热箱对信号解调器2进行隔热封装保护，避免高温环境对信号解调器2的影响，上位机3由人操作，远离钢包内衬5设置，因此信号解调器2与上位机3之间距离较远，信号解调器2与上位机3之间通过无线方式连接更为合适，信号解调器2将温度信号远距离传输至上位机3。

优选的，所述信号解调器2设置于钢包外，所述光纤传感器1与所述多模光纤4连接，所述多模光纤4伸出所述钢包内衬5外并与所述信号解调器2连接，所述信号解调器2与所述上位机3有线连接。

信号解调器2与上位机3之间还可以通过有线方式连接，由于有线方式要求信号解调器2与上位机3之间距离较近，因此将信号解调器2安装在远离钢包内衬5处，例如将信号解调器2安装于远离钢包内衬5的操作室或现场工位点，使得信号解调器2与上位机3之间距离较近，便于信号解调器2以有线方式将信号传输至上位机3。由于信号解调器2安装于钢包内衬5外，所以距离光纤传感器1较远，因此延长多模光纤4，多模光纤4伸出钢包内衬5外实现与信号解调器2连接。

优选的，所述上位机3根据所述钢包内衬5不同位置、不同层深处的温度计算所述钢包内衬5不同位置的残厚预测值，具体为：

建立各层深处的温度与残厚值之间的映射关系表；

在所述映射关系表中查询与所述钢包内衬5与所述气孔54内不同层深处的温度信号对应的残厚值作为相应气孔54处对应的残厚预测值。

温度越高说明钢包内衬5残厚越薄，将温度数值分别对应不同的残厚值，得到映射关系表。建立映射关系表需要进行实验，测量不同厚度的钢包内衬5不同层深处的工作温度，得到映射关系表。根据钢包内衬5各层深的温度信号变化进行分析得到各层深处温度值，进而查询得出预测的内衬残厚预测值。

根据钢包内衬5各层深的温度信号变化进行分析得到各层深处温度值，具体为，根据三维瞬态热传导计算模型进行计算：

其中，u＝u(t,x,y,z)表示温度，它是时间变量t与空间变量(x,y,z)的函数；

是空间中一点的温度对时间的变化率；u_xx温度对X坐标轴的二次导数，u_yy为温度对Y坐标轴的二次导数，u_zz为温度对Z坐标轴的二次导数；k是热扩散率，决定于材料的热传导率、密度与热容，k为常数。u_xx、u_yy、u_zz根据光纤传感器所测得的温度信号获得，进而即可计算出待测点的温度u，在再根据映射关系表查询到钢包内衬5的残厚预测值。

优选的，所述上位机3还用于判断所述钢包内衬5不同层深处的温度是否超过安全温度，如果超过，则进一步判断所述残厚预测值是否小于安全厚度，如果小于，则发出预警信号。

上位机3获取钢包内衬5不同区域内不同层深处的温度后，分析得出钢包内衬5残厚的预测值，当钢包内衬5温度超过安全温度阈值，且钢包内衬5残厚预测值小于内衬的安全厚度时，上位机3给出预警信号进行报警，提醒需要对钢包内衬5进行更换。预警信号可以是光信号、声信号等。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种钢包内衬状态实时监测装置，其特征在于，包括多个光纤传感器、信号解调器以及上位机；

钢包内衬上开设有多个气孔，各所述气孔分别分布于所述钢包内衬上不同位置处，每一所述气孔内均安装有多个所述光纤传感器，每一所述气孔内的多个所述光纤传感器分别位于钢包内衬的不同层深处，各所述光纤传感器分别通过多模光纤与所述信号解调器连接，并用于获取所述钢包内衬不同位置、不同层深处的温度信号，所述上位机与所述信号解调器连接，并用于根据所述钢包内衬不同位置、不同层深处的温度信号获取所述钢包内衬不同位置处的残厚预测值，其中，所述光纤传感器为蓝宝石光纤传感器，且所述蓝宝石光纤传感器为蓝宝石光纤FP干涉传感器、蓝宝石光纤FBG传感器或黑体辐射式蓝宝石光纤传感器；所述蓝宝石光纤FP干涉传感器包括蓝宝石晶片、蓝宝石光纤和蓝宝石插芯，所述蓝宝石晶片通过所述蓝宝石插芯与所述蓝宝石光纤连接，所述蓝宝石光纤与所述多模光纤连接；

每一所述气孔内均设置有三个所述光纤传感器，同一气孔内的三个光纤传感器分别位于所述钢包内衬的工作层、保温层以及永久层；

所述信号解调器安装于隔热箱中，所述隔热箱设置于钢包内，所述信号解调器与所述上位机无线连接；

所述信号解调器设置于钢包外，所述光纤传感器与所述多模光纤连接，所述多模光纤伸出所述钢包内衬外并与所述信号解调器连接，所述信号解调器与所述上位机有线连接；

所述上位机根据所述钢包内衬不同位置、不同层深处的温度信号计算所述钢包内衬不同位置的残厚预测值，具体为：

建立各层深处的温度与残厚值之间的映射关系表；

在所述映射关系表中查询与所述气孔内不同层深处的温度信号对应的残厚值作为相应气孔处对应的残厚预测值；

其中，钢包内衬各层深的温度信号变化进行分析得到各层深处温度值，具体为，根据三维瞬态热传导计算模型进行计算：

其中，u＝u(t,x,y,z)表示温度，它是时间变量t与空间变量(x,y,z)的函数；

是空间中一点的温度对时间的变化率；u_xx温度对X坐标轴的二次导数，u_yy为温度对Y坐标轴的二次导数，u_zz为温度对Z坐标轴的二次导数；k是热扩散率，决定于材料的热传导率、密度与热容，k为常数。

2.根据权利要求1所述的钢包内衬状态实时监测装置，其特征在于，多个所述气孔沿所述钢包内衬长度方向依次布置。

3.根据权利要求1所述的钢包内衬状态实时监测装置，其特征在于，所述多模光纤采用涂覆有耐热层的多模光纤。

4.根据权利要求1所述的钢包内衬状态实时监测装置，其特征在于，所述上位机还用于判断所述钢包内衬不同层深处的温度是否超过安全温度，如果超过，则进一步判断所述残厚预测值是否小于安全厚度，如果小于，则发出预警信号。

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