CN114150200B - 一种保护管及其应用和测温装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种保护管及其应用和测温装置，用于连续测量连铸结晶器内的钢水温度，所述保护管的原料包括：钨粉，12‑28％；钼粉，25‑35％；全稳定氧化锆粉：15‑30％；部分稳定氧化锆粉：5‑20％；氧化钙粉：1‑3％；氧化钇粉：0.5‑1％；其余为杂质。本发明提供的保护管的抗热震性能好，可靠性高，且体积小，能够保护测温传感器，延长测温传感器的服役寿命，满足现场使用要求。

Description

一种保护管及其应用和测温装置
技术领域
本发明属于炼钢技术领域，具体涉及一种保护管及其应用和测温装置。
背景技术
测温装置可以检测冶金生产过程中的钢水温度，钢水的温度对冶金工艺的控制极其重要，温度控制达不到要求，直接造成钢水的质量下降以及能耗增加，尤其是连铸结晶器中的钢水温度，其可提供用以优化工艺的过程控制和铸坯状况的动态在线信息，还可以提供有关连铸机维修与诊断的数据，再者，还可以为智能结晶器的开发提供温度热量模型。
目前，在高温熔融金属测温方面，连铸中间包工序普遍采用耐火材料保护管，外加热电偶或者专用的辐射测温探头的方式进行测量，热响应时间长，体积大，由于结晶器体积较小，整个结晶器振动台振动非常强烈，因此结晶器工况对传感器的可靠性要求较高，如发生破损断裂将直接造成严重的生产事故，因此传统的测温传感器不能适用于结晶器内钢水温度的连续测量。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种保护管及其应用和测温装置，可以稳定的连续检测结晶器内的钢水温度，且服役寿命长。
本发明的技术方案为：
一方面，本发明提供了一种保护管，所述保护管包括如下质量分数的原料：
钨粉，12-28％；
钼粉，25-35％；
全稳定氧化锆粉：15-30％；
部分稳定氧化锆粉：5-20％；
氧化钙粉：1-3％；
氧化钇粉：0.5-1％；
其余为杂质。
进一步地，所述保护管由所述原料在1800℃的温度下煅烧2-6h获得。
另一方面，本发明提供了上述的保护管的应用，将所述保护管用于保护测温传感器。
再一方面，本发明还提供了一种测温装置，用于连续测量结晶器内的钢水温度，所述装置包括：
上述的保护管，所述保护管的底端密封设置；
测温传感器，所述测温传感器的底端固定设置在所述保护管内，所述测温传感器的底端与所述保护管之间有间隙，所述测温传感器的顶端密封伸出所述保护管，所述测温传感器与信号处理单元电连接。
进一步地，所述保护管包括第一连接管和测量管，所述第一连接管设置有第一通孔，所述测量管设置有测量孔，所述测量管的底部封闭设置，所述第一连接管与所述测量管的顶端连接，所述第一连接管的第一通孔与所述测量管的测量孔同轴连通；
所述测温传感器的底端依次间隙穿过所述第一连接管，并设置在所述测量管内，所述测温传感器的顶端固定设置于所述第一连接管上方，所述测温传感器的底端与所述测量管之间有间隙；
所述测温传感器与所述测量管的管壁之间的间隙为0.5-2.5mm。
进一步地，所述测量管的测量孔的直径为6-20mm，所述测量管的底端壁厚为1-10mm；所述第一连接管的壁厚为3-15mm。
进一步地，所述测量管外涂覆有抗氧化涂层。
进一步地，所述保护管包括第二连接管，所述第二连接管设置有第二通孔，所述第二连接管的两端分别与所述第一连接管和所述测量管连接，所述第二连接管的第二通孔与所述第一连接管的第一通孔以及所述测量管的测量孔同轴连通，所述测温传感器间隙设置在所述第二连接管内，所述第二连接管的外径沿着靠近所述测量管的方向依次减小，所述第二连接管的底端外径与所述测量管的外径相等，所述第二连接管的顶端外径与所述第一连接管的外径相等；
所述第二连接管和所述测量管的长度之和与所述测量管的测量孔的直径的比值为1-20。
进一步地，所述装置包括支撑管和第一限位块，所述支撑管具有第三通孔，所述测温传感器的顶端设置于所述支撑管的上方，所述支撑管的底端与所述第一连接管的顶端连接，所述支撑管的第三通孔与所述第一连接孔的第一通孔同轴连通；所述第一限位块固定设置在所述支撑管的第三通孔内，所述第一限位块设置有与所述支撑管同轴设置的第一限位孔，所述测温传感器设置于所述第一限位块的第一限位孔内。
进一步地，所述支撑管的底端外周设置有第二限位孔，所述第一连接管的顶端外周设置有第二限位块，所述第一连接管的第二限位块设置于所述支撑管的所述第二限位孔内，以实现所述支撑管与所述第一连接管的连接。
本发明的有益效果至少包括：
本发明提供了一种保护管及其应用和测温装置，该保护管由钨粉、钼粉、全稳定氧化锆粉、部分稳定氧化锆粉、氧化钙粉和氧化钇粉混合后压制成型，并煅烧获得。
钨粉和钼粉属于金属粉末，具备较高的延展性，因此热震性能好，使得保护管不易折断；同时全稳定氧化锆粉和部分稳定氧化钙粉属于陶瓷粉末，具有硬度高，耐磨型高，具有耐冲刷性能；因此，将金属粉末与陶瓷粉末混合制成的保护管同时具备高延展性和耐磨性，从而具有良好的热震性和耐冲刷的物理特性，使得保护管可以对结晶器中的钢水进行连续测温。
附图说明
图1为本实施例的一种测温装置的结构示意图；
图2为图1中的局部结构示意图。
附图标记说明：
100-保护管，110-第一连接管，111-第二限位块，120-第二连接管，130-测量管；
200-测温传感器，210-固定销；
300-支撑管，310第三通孔，320-第二限位孔；
400-第一限位块，410-第一限位孔；
500-法兰；
600-钢水；
700-保护渣。
具体实施方式
为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。
连铸结晶器的在使用过长中，需要按照一定的规律比如正弦曲线进行震动，以使钢水与结晶器不粘连，同时连铸结晶器内的钢水在浇注过程中，以一定的速度进行流动，因此连铸结晶器内的钢水测量装置必须要具有良好的抗热震以及抗冲刷性能。为此，本发明提供了一种保护管及其应用和测温装置，具体如下：
一方面，本发明实施例提供了一种保护管，该保护管包括如下质量分数的原料：
钨粉，12-28％；
钼粉，25-35％；
全稳定氧化锆粉：15-30％；
部分稳定氧化锆粉：5-20％；
氧化钙粉：1-3％；
氧化钇粉：0.5-1％；
其余为杂质。
金属粉末中，W可以提高耐高温性能，W的含量过高会降低耐侵蚀性能，同时增加成本，W的含量过低造成耐温性不够；添加Mo元素，可以细化保护管的组织，使保护管更加致密，从而提高了保护管的烧结收缩率，减少孔隙；同时，添加Mo元素还可以提高保护管的硬度HRA和抗弯强度。
添加部分稳定氧化锆和全稳定氧化锆，可以提高保护管的强度，部分氧化锆和全稳定氧化锆的含量过高，会降低保护管的强度和热震稳定性；部分氧化锆和全稳定氧化锆的含量过低，保护管的强度较低，在结晶器钢水检测过程中，易被折断。
保护管采用金属粉末和陶瓷粉末作为原料，因此既具备金属的较高延展性性能，从而具有良好的热震性能，还具备陶瓷的硬度高和耐磨性能，因此在结晶器钢水测温过程中，具备耐冲刷的性能，延长了保护管的使用寿命。
在本发明中，全稳定氧化锆是指立方相氧化锆，在制造氧化锆时添加了稳定剂(如CaO、MgO、Y2O3、CeO2等)使之固溶入氧化锆内，形成立方相氧化锆，在烧结温度范围内不发生相变体积变化，但是其热膨胀系数要大于部分稳定氧化锆，温度变化时体积变化大于部分稳定氧化锆。部分稳定氧化锆是具有立方ZrO2(c相)和一部分四方ZrO2(t相)组成的双相组织结构的ZrO2，其中c相是稳定的，而t相是亚稳定的，在外力作用下可以诱发t相到m相的马氏体相变，从而起到增韧作用；在本发明中，部分稳定氧化锆中的t相的体积分数为10-25％。
在本发明中，钨粉、钼粉、全稳定氧化锆粉、部分稳定氧化锆粉、氧化钙粉以及氧化钇粉的粒度均为80-320目。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述保护管由所述金属粉末与所述陶瓷粉末混合后，在1750-1850℃的温度下煅烧2-6h获得。
控制煅烧温度和煅烧时间，可以使金属粉末和陶瓷粉末形成强度高和抗震性好的保护管。
煅烧温度过高，会增加成本；煅烧温度过低，氧化锆的的结构相变不完整，即不能从陶瓷相完整向金属相的转变，即延展性能降低，从而使保护管的热震性能下降，在钢水温度检测中易折断。
控制煅烧时间一方面是为了保证保护管煅烧时温度均衡，其次要保证保护管内外温度的均衡。煅烧时间过长，造成成本增加，煅烧时间过短，造成材料的力学性能，抗折强度与硬度下降，内部裂纹等隐形缺陷增加，造成使用中抗冲刷能力下降，以及高温抗震性下降。
另一方面，本发明实施例还提供了上述的保护管的应用，将保护管用于保护测温传感器。该测温传感器可以是热电偶也可以是红外测温器，在此不作限定。
再一方面，本发明实施例提供了一种测温装置，用于连续测量结晶器内的钢水温度，图1为本实施例的一种测温装置的结构示意图，图2为测温装置的局部示意图，结合图1以及图2，该装置包括上述的保护管100以及测温传感器200。
其中，保护管100的底端密封设置；测温传感器200的底端固定设置在保护管100内，测温传感器200的底端与保护管100之间有间隙，测温传感器200的顶端密封伸出保护管100，测温传感器200与信号处理单元电连接。
在本发明中测温传感器可以选择则热电偶，由于热电偶的感温元件由铂铑合金制成，如果热电偶与钢水600直接接触，会生成低熔点的Fe-Pb的低熔点物质，从而溶解掉，无法持续测量连铸结晶器中的钢水温度；将测温传感器设置于保护管100内，在测量连铸结晶器内的钢水600温度时，将保护管插入结晶器保护渣700下的钢水600内，在保护管100的作用下，设置于保护管100内的测温传感器不与钢水600直接接触，因此其不会溶解入钢水600中，保护管接触到钢水600后，温度上升，由于热传递的作用，使得保护管内的空气温度上升至与钢水600相同的温度，热电偶接触到与钢水600相同温度的空气就可以检测出空气的温度，从而得到结晶器内的钢水600的温度，由于铂铑合金的熔点为1700，钢水600的温度为1600℃，那么被加热的保护管内的空气的温度也为1600℃，未超过铂铑合金的熔点，因此温度检测器在保护管100的保护作用下可以连续测量连铸结晶器内的钢水600温度，而不会失效。
进一步地，结合图1以及图2，保护管100包括第一连接管110和测量管130，第一连接管110设置有第一通孔，测量管130设置有测量孔，测量管130的底部封闭设置，第一连接管110与测量管130的顶部连接，第一连接管110的第一通孔与测量管130的测量孔同轴连通；测温传感器200的底端依次间隙穿过第一连接管110，并设置在测量管130内，测温传感器200的顶端固定设置于第一连接管110上方，测温传感器200的底端设置于测量管130的测量孔内，测温传感器200的底端与测量管130之间有间隙；测温传感器200与测量管130的管壁之间的间隙为0.5-2.5mm。
由于测温传感器200的探头设置在测温传感器200的底端，因此测量管130离测温传感器200的探头最近，而测量管130与测温传感器200底部之间的距离会影响测量装置的响应时间以及检测准确度。如果测温传感器200与测量管130的管壁之间的间隙过大，会使得响应时间长；并且如果测温传感器200与测量管130的管壁之间的间隙过大，热量从测量管130传递至测温传感器200的过程中热量损失大，会使得测量结果偏低，因此控制测温传感器200与测量管130的管壁之间的间隙不大于2.5mm，为了避免由于测温传感器200热膨胀受力导致材料断裂，控制测温传感器200与测量管130的管壁之间的间隙不小于0.5mm。
进一步地，在本实施例中，测量管130的测量孔的直径可以为6-20mm，测量管130的底端壁厚可以为1-10mm；第一连接管110的壁厚可以为3-15mm。
测量管130的测量孔的直径优选9-12mm；测量管130的底端壁厚优选2-5mm；第一连接管110的壁厚优选4-8mm。
测量管130的测量孔直径需要考虑测温传感器200的底端的直径尺寸，以可以间隙安装测温传感器200，并兼顾响应时间和温度检测准确性。测量管130的底端壁厚需要兼顾测量管130的强度，使其具有良好的抗震性和抗冲刷性能，以提高测温装置的服役寿命。测量管的底端壁厚过薄，容易被钢水600击穿，测量管130内的测温传感器200与钢水600接触，从而使铂铑合金失效，无法检测温度；测量管130的底端壁厚过厚，热传递时间延长，温度检测响应时间延长。第一连接管110的壁厚可以大于测量管130的壁厚，因为第一连接管110内的温度检测器200不需要感应温度，也就是说第一连接管110主要是起保护温度检测器200和支撑测量管130的作用。
进一步地，在本实施例中，为了防止测量管130的外周被钢水600冲刷反应，在测量管130外涂覆有抗氧化涂层，以延长测量管130的服役寿命。
更进一步地，结合图1以及图2，在本实施例中，保护管100还包括第二连接管120，第二连接管120设置有第二通孔，第二连接管120的两端分别与第一连接管110和测量管130连接，第二连接管120的第二通孔与第一连接管110的第一通孔以及测量管130的测量孔同轴连通，测温传感器200间隙设置在第二连接管120内，第二连接管120的外径沿着靠近测量管130的方向依次减小，第二连接管120的底端外径与测量管130的外径相等，第二连接管120的顶端外径与第一连接管110的外径相等；第二连接管120和测量管130的长度之和与测量管130的测量孔的直径的比值为1-20。
设置外周为锥形的第二连接管120可以实现测量管130与第一连接管110的过渡连接，避免出现棱角在钢水600的冲帅下被侵蚀。如果第二连接管120和测量管130的长度之和与测量管130的测量孔的直径的比值超过20，保护管的成型与外形加工难度大，废品率高，如果第二连接管120和测量管130的长度之和与测量管130的测量孔的直径的比值小于1，保护管的底部难以达到温度的热平衡，从而造成测温误差。
在实际中，第二连接管120的壁厚为3-6mm，壁厚较薄，可以减少测温响应时间，测量管130的壁厚较厚，可以提高测温传感器200的寿命。由于金属陶瓷与空气接触，存在缓慢氧化现象。
第二连接管120和测量管130的长度之和与测量管130的测量孔的直径的比值优选3.0-6.0。
在保护管的制备过程中，第一连接管110、第二连接管120以及测量管130为冷等静压机进行压制成型煅烧后获得。
更进一步地，为了提高测温装置的强度，在本实施例中，该装置还可以包括支撑管300和第一限位块400，支撑管300具有第三通孔310，测温传感器200的顶端设置于支撑管300的上方，支撑管300的底端与第一连接管110的顶端连接，支撑管300的第三通孔310与第一连接孔110的第一通孔同轴连通；第一限位块400固定设置在支撑管300的第三通孔310内，第一限位块400设置有与支撑管300同轴设置的第一限位孔410，测温传感器200设置于第一限位块400的第一限位孔410内，以实现测温传感器200间隙设置在支撑管300内。
第一限位块400可以通过焊接固定在支撑管300的第三通孔310内，当然也可以采用螺钉连接或者铆接，亦可同时采用上述的至少两种的连接方式来实现，在此不作限定。支撑管300可以选用不锈钢材料，其具有强度高，支撑力度好的特点。
进一步地，在本实施例中，支撑管300的底端至测量管130的底端的距离为100-250mm。这是因为连铸结晶器内的钢水600表面有保护渣700，保护渣700的厚度为30-60mm，支撑管300是由不锈钢制成的，其不能没入钢水600中，否则会被融化；也就是说测温装置工作过程中，支撑管300是处于保护渣700面之上；而为了使测量管130插入到钢水面以下，其必须穿过保护渣700层，因此，将支撑管300的底端至测量管130的底端的距离大于100mm，为了准确检测钢水600的温度，测量管300插入深度越深越准确，但支撑管300的底端至测量管130的底端的距离过大，会使得保护管长度过长，在钢水600冲击下易发生折断，导致检测故障，因此该距离要小于250mm。
支撑管300的底端至测量管130的底端的距离优选150-250mm。
更进一步地，结合图1以及图2在本实施例中，支撑管300的底端外周设置有第二限位孔320，第一连接管110的顶端外周设置有第二限位块111，第一连接管110的第二限位块111设置于支撑管300的第二限位孔320内，以实现支撑管300与第一连接管110的连接。当然上述仅为支撑管300与第一连接管110之间的一种连接方式，还可以选用螺纹连接或者粘接等其他能实现连接功能的连接方式，在此不作具体限定。
进一步地，第一连接管110的顶端间隙设置在支撑管300内，第一连接管110的顶端与支撑管300之间的间隙采用水玻璃与白刚玉进行混合，然后经过高温150℃固化2小时完成。
第一连接管110的顶端至支撑管300的底端之间的距离可以为10-40mm,优选15-25mm。
保证两者对中操作，其次能够灌入足够多的耐火泥，两者粘接牢固。
更进一步地，结合图1以及图2，支撑管300的顶端连接有法兰500，法兰500具有与支撑管300的第三通孔310同轴连通的第四通孔，测温传感器200上设置有与测温传感器200中心轴垂直的固定销210，固定销210的两端伸出至测温传感器200的外周，法兰500的上端设置有用于固定固定销210的卡扣，以实现支撑管300与测温传感器200之间的固定连接，防止测温传感器200与支撑管300之间发生相对转动。
实施例1
实施例1提供了一种保护管，该保护管由金属粉末和陶瓷粉末混合后压制成型，并在1780℃的温度下煅烧2h获得。
其中，各原料的质量分数为W:12％,Mo:25％，全稳定氧化锆30％，部分稳定氧化锆20％，
氧化钙1，氧化钇1％，其余为杂质。
实施例2
实施例1提供了一种保护管，该保护管由金属粉末和陶瓷粉末混合后压制成型，并在1800℃的温度下煅烧4h获得。
其中，各原料的质量分数为：W:20％,Mo:30％，全稳定氧化锆20％，部分稳定氧化锆15％，氧化钙2％，氧化钇0.75％，其余为杂质。
实施例3
实施例1提供了一种保护管，该保护管由金属粉末和陶瓷粉末混合后压制成型，并在1810℃的温度下煅烧6h获得。
其中，各原料的质量分数为：W:28％,Mo:35％，全稳定氧化锆15％，部分稳定氧化锆5％，氧化钙3％，氧化钇1％，其余为杂质。
对比例1
对比例1提供了一种保护管，该保护管为Al-C耐火材料在960℃的温度下煅烧2h获得制成，其成分为氧化铝50-60％,石墨18-28％，其它为辅助原料。
将实施例1-3以及对比例1制备的保护管均用于放置热电偶，并测量连铸结晶器内的钢水温度，结果如表1所示。
表1
编号 检测结果/℃ 实际温度/℃ 温度偏差/℃ 响应时长/s 服役时长/h
实施例1 1510 1511 1 126 2.5
实施例2 1520 1521 1 105 2.2
实施例3 1540 1542 2 92 2.1
对比例1 1520 1523 3 368 2
由表1数据可知，实施例1-3采用本发明提供的保护管，其温度检测偏差为1-2℃，准确度高，响应时长为92s，响应速度快，服役时长为2-2.5h，寿命长。对比例1提供的保护管，其温度检测偏差为3℃，响应时长为368s，服役时长为2，并且体积大，对钢水吸碳，污染钢水，不能试用此工况，不及本发明实施例。
本发明提供了一种保护管以及测温装置，该保护管的抗热震性能好，可靠性高，且体积小，能够保护测温传感器，延长测温传感器的服役寿命，满足现场使用要求。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种测温装置，用于连续测量结晶器内的钢水温度，其特征在于，所述装置包括：
保护管，所述保护管的底端密封设置，所述保护管包括第一连接管和测量管，所述第一连接管设置有第一通孔，所述测量管设置有测量孔，所述测量管的底部封闭设置，所述第一连接管与所述测量管的顶端连接，所述第一连接管的第一通孔与所述测量管的测量孔同轴连通；
测温传感器，所述测温传感器的底端固定设置在所述保护管内，所述测温传感器的底端与所述保护管之间有间隙，所述测温传感器的顶端密封伸出所述保护管，所述测温传感器与信号处理单元电连接，所述测温传感器的底端依次间隙穿过所述第一连接管，并设置在所述测量管内，所述测温传感器的顶端固定设置于所述第一连接管上方，所述测温传感器的底端与所述测量管之间有间隙；所述测温传感器与所述测量管的管壁之间的间隙为0.5-2.5mm，所述测量管的测量孔的直径为6-20mm，所述测量管的底端壁厚为1-10mm；所述第一连接管的壁厚为3-15mm；
所述保护管由如下质量分数的原料组成：
钨粉，12-28％；
钼粉，25-35％；
全稳定氧化锆粉：15-30％；
部分稳定氧化锆粉：5-20％；
氧化钙粉：1-3％；
氧化钇粉：0.5-1％；
其余为杂质；
所述保护管由所述原料在1750-1850℃的温度下煅烧2-6h获得；
所述钨粉、所述钼粉、所述全稳定氧化锆粉、所述部分稳定氧化锆粉、所述氧化钙粉以及所述氧化钇粉的粒度均为80-320目。
2.根据权利要求1所述的一种测温装置，其特征在于，所述测量管外涂覆有抗氧化涂层。
3.根据权利要求1所述的一种测温装置，其特征在于，所述保护管包括第二连接管，所述第二连接管设置有第二通孔，所述第二连接管的两端分别与所述第一连接管和所述测量管连接，所述第二连接管的第二通孔与所述第一连接管的第一通孔以及所述测量管的测量孔同轴连通，所述测温传感器间隙设置在所述第二连接管内，所述第二连接管的外径沿着靠近所述测量管的方向依次减小，所述第二连接管的底端外径与所述测量管的外径相等，所述第二连接管的顶端外径与所述第一连接管的外径相等；
所述第二连接管和所述测量管的长度之和与所述测量管的测量孔的直径的比值为1-20。
4.根据权利要求3所述的一种测温装置，其特征在于，所述装置包括支撑管和第一限位块，所述支撑管具有第三通孔，所述测温传感器的顶端设置于所述支撑管的上方，所述支撑管的底端与所述第一连接管的顶端连接，所述支撑管的第三通孔与所述第一连接孔的第一通孔同轴连通；所述第一限位块固定设置在所述支撑管的第三通孔内，所述第一限位块设置有与所述支撑管同轴设置的第一限位孔，所述测温传感器设置于所述第一限位块的第一限位孔内。
5.根据权利要求4所述的一种测温装置，其特征在于，所述支撑管的底端外周设置有第二限位孔，所述第一连接管的顶端外周设置有第二限位块，所述第一连接管的第二限位块设置于所述支撑管的所述第二限位孔内，以实现所述支撑管与所述第一连接管的连接。
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