CN203259267U - 炼钢转炉炉体温度传感监测装置 - Google Patents

炼钢转炉炉体温度传感监测装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种炼钢转炉炉体温度传感监测装置，包括空心耳轴、轴承座和转炉炉体，转炉炉体设有环绕转炉炉体炉壁的蛇形钢管，钢管中穿有一头固定于钢管中、另一头穿过空心耳轴与双向耦合器的输入输出端相连的一根光纤，双向耦合器的信号输入端与激光光源的信号输出端相连，双向耦合器的第一和第二输出端分别与光波分复用器和第一光雪崩管的信号输入端相连，第一光雪崩管通过第一放大器与信号采集卡的信号输入端相连，光波分复用器通过第二光雪崩管、第二放大器与信号采集卡的信号输入端相连，信号采集卡的信号输出端与计算机的信号输入端相连。本实用新型实施方便、工艺简单、可对转炉炉壳进行实时全面的测量，可以广泛应用于转炉炼钢领域。

Description

炼钢转炉炉体温度传感监测装置
技术领域
本实用新型涉及转炉炼钢领域，具体地指一种炼钢转炉炉体温度传感监测装置。
背景技术
转炉炉体包括炉壳和炉壳内的耐火材料炉衬，当转炉炉衬的耐火材料达到其使用寿命时，由于长时间的机械冲击和磨损，耐火材料会由于高温而溶解，并由此带来高温溶液渗透并导致危险，此时炉壳的温度会逐渐升高，一旦工作层和永久层发生故障，高温钢水和铁水将烧穿炉壳，造成钢水铁水溢出的事故，更严重的是，如果烧穿托圈，托圈中的高压水喷出，高温钢水遇到托圈的冷却水，会发生气爆的严重事故，直接威胁人身和设备安全，因此对转炉温度进行在线的监测变得十分必要。
目前，用于转炉炉壳温度的监测方法有两种：一种是用红外测温仪和红外热像仪进行离线式测量，另一种是用热电偶进行点式测量。红外测温仪和红外热像仪只能进行离线式测量，而且由于托圈遮挡，托圈相对位置的炉壳温度无法监测。焊接开路热电偶在炉壳表面，只能进行点式监测，如果要全面监测整个炉壳，技术难度大，工程复杂。如何对转炉炉壳温度进行实时全面的测量，成为业界要面对的一道难题。
发明内容
本实用新型的目的就是要提供一种实施方便、工艺简单、可对转炉炉壳进行实时全面的测量的炼钢转炉炉体温度传感监测装置。
为实现上述目的，本实用新型所设计的一种炼钢转炉炉体温度传感监测装置，包括通过空心耳轴与轴承座连接的转炉炉体，所述转炉炉体上固定有与转炉炉体炉壁留有空隙的环状的托圈，所述转炉炉体与托圈空隙间固定有钢管，所述钢管环绕转炉炉体炉壁蛇形设置，所述钢管中穿有同一根光纤，所述光纤一头固定于钢管中、另一头穿过空心耳轴与双向耦合器的输入输出端相连，所述双向耦合器的信号输入端与激光光源的信号输出端相连，所述双向耦合器的第一输出端和第二输出端分别与光波分复用器和第一光雪崩管的信号输入端相连，所述第一光雪崩管与第一放大器的信号输入端相连，所述光波分复用器通过第二光雪崩管与第二放大器的信号输入端相连，所述第一放大器与第二放大器的信号输出端分别与信号采集卡的信号输入端相连，所述信号采集卡的信号输出端与计算机的信号输入端相连。
作为优选方案，所述轴承座一侧固定有由定滑轮和动滑轮组成的滑轮组，所述光纤另一头分别穿过空心耳轴与滑轮组，并与双向耦合器的输入输出端相连。
本实用新型的工作原理是这样的：光纤本身不带电，具有抗电磁、耐辐射、耐高电压、不产生电火花并且绝缘性能良好等特点，使得光纤传感系统逐渐成为传感器系统的主流。利用光时域反射（OTDR）原理和光纤的背向拉曼散射温度效应，来实现对空间分布的温度的测量。
当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生瑞利（Rayleigh）散射，假设入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为t，激光脉冲在光纤中所走过的路程为 2L=vt，其中，v为光在光纤中传播的速度，v=c/n，c为真空中的光速，n为光纤的折射率，在t时刻测量到的是离光纤入射端距离为L处局域的背向瑞利（Rayleigh）散射光，用这种光时域反射（OTDR）技术，可以确定光纤故障点或断点的位置，因此也可称为光纤激光雷达。拉曼散射是由于光纤分子的热振动，产生一个比光源波长长的光，称斯托克斯（Stokes）光，和一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯（Anti-Stokes）光。利用光时域反射（OTDR）技术探测拉曼散射，可以确定沿光纤长度上的温度分布。
具体到本案，激光光源发出激光脉冲，激光脉冲进入双向耦合器并通过双向耦合器进入光纤，并沿着光纤又回到双向耦合器，双向耦合器将该束光分成两束光传播，其一路经光波分复用器光学滤除瑞利光，分离出带有温度信息的反斯托克斯拉曼背向散射光，再进入第二光雪崩管将光信号转换成电信号，该信号又由第二放大器放大后输入信号采集卡，这是拉曼通道；另一路作为瑞利背向散射光进入第一光雪崩管，进行光电转换后的输出信号输入第一放大器，第一放大器和第二放大器的信号输出端与信号采集卡的信号输入端相连，这是瑞利通道。信号采集卡的信号输出端与计算机的信号输入端相连，由计算机软件对采集到的数据进行运算处理，即可得到光纤上任一点的温度和转炉/高炉空间温度场的分布。
当转炉炉体内由工作层和永久层组成的耐火材料发生故障，钢水铁水会渗透到炉壳，使炉壳的温度升高，产生的温度变化将改变光纤的拉曼背向散射光的强度。通过对光纤拉曼背向散射光功率的测量，完成光纤上个点的静态和动态温度的测量和定位功能，通过对数据进行分析，迅速判断并准确定位炉壳破损事件的发生。
由于转炉炉体工作时存在大量转动运动，为了确保在转炉炉体转动过程中不会拉断光纤，在轴承座一侧设有由一个定滑轮和一个动滑轮组成的滑轮组，穿过空心耳轴的光纤绕在滑轮组上。当转炉炉体转动工作时，光纤拉动动滑轮随着转炉炉体转动而移动，只要预留足够长的光纤就能够保证转炉炉体的旋转不会对光纤产生任何影响，整个监测过程稳定可靠。
本实用新型的优点在于：本实用新型可以对转炉炉壳温度进行实时在线监测，稳定可靠，温度异常时可及时报警；同时建立了数据库，对炉壳温度进行趋势分析，为转炉炉役周期决策提供科学依据；而且检修方便，基本不需要维护，减少了工作人员的工作量。
附图说明
图1为本实用新型炼钢转炉炉体温度传感监测装置中机械运转部件的整体结构示意图；
图2为图1中钢管和光纤的结构展开图；
图3为图2中A处的结构放大示意图；
图4为图1中B处的结构放大示意图；
图5为图4中C处的结构放大示意图；
图6为本实用新型炼钢转炉炉体温度传感监测装置中测温光电控制部件的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述：
参见图1至图6，本实用新型的炼钢转炉炉体温度传感监测装置，包括空心耳轴1、轴承座2、转炉炉体3、托圈4、钢管5、光纤6、双向耦合器7、激光光源8、光波分复用器9、第一光雪崩管10、第一放大器11、第二光雪崩管12、第二放大器13、信号采集卡14、计算机15和滑轮组16。
所述转炉炉体3通过空心耳轴1与轴承座2连接，并可绕着空心耳轴2旋转。所述托圈4固定于转炉炉体3上，并与转炉炉体3炉壁之间留有空隙。所述钢管5固定于转炉炉体3与托圈4的空隙之间，钢管5环绕转炉炉体3炉壁蛇形设置。所述钢管5中穿有同一根光纤6，所述光纤6一头固定于钢管5中，另一头穿过空心耳轴1与双向耦合器7的输入输出端相连。所述双向耦合器7的信号输入端与激光光源8的信号输出端相连，所述双向耦合器7的第一输出端7.1和第二输出端7.2分别与光波分复用器9和第一光雪崩管10的信号输入端相连，所述第一光雪崩管10与第一放大器11的信号输入端相连，所述光波分复用器9通过第二光雪崩管12与第二放大器13的信号输入端相连，所述第一放大器11与第二放大器13的信号输出端分别与信号采集卡14的信号输入端相连，所述信号采集卡14的信号输出端与计算机15的信号输入端相连，在本实施例中，所述滑轮组16由定滑轮16.1和动滑轮16.2组成，固定于轴承座2一侧，所述光纤6另一头分别穿过空心耳轴1与滑轮组16，并与双向耦合器7的输入输出端相连。
光纤6本身不带电，具有抗电磁、耐辐射、耐高电压、不产生电火花并且绝缘性能良好等特点，使得光纤传感系统逐渐成为传感器系统的主流。利用光时域反射（OTDR）原理和光纤的背向拉曼散射温度效应，来实现对空间分布的温度的测量。
当激光脉冲在光纤6中传输时，由于光纤6中存在折射率的微观不均匀性，会产生瑞利（Rayleigh）散射，假设入射光经背向散射返回到光纤6入射端所需的时间为t，激光脉冲在光纤6中所走过的路程为 2L=vt，其中，v为光在光纤6中传播的速度，v=c/n，c为真空中的光速，n为光纤6的折射率，在t时刻测量到的是离光纤6入射端距离为L处局域的背向瑞利（Rayleigh）散射光，用这种光时域反射（OTDR）技术，可以确定光纤6故障点或断点的位置，因此也可称为光纤激光雷达。拉曼散射是由于光纤6分子的热振动，产生一个比光源波长长的光，称斯托克斯（Stokes）光，和一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯（Anti-Stokes）光。利用光时域反射（OTDR）技术探测拉曼散射，可以确定沿光纤6长度上的温度分布。
具体到本案，激光光源8发出激光脉冲，激光脉冲进入双向耦合器7并通过双向耦合器7进入光纤6，并沿着光纤6又回到双向耦合器7，双向耦合器7将该束光分成两束光传播，其一路经光波分复用器9光学滤除瑞利光，分离出带有温度信息的反斯托克斯拉曼背向散射光，再进入第二光雪崩管12将光信号转换成电信号，该信号又由第二放大器13放大后输入信号采集卡14，这是拉曼通道；另一路作为瑞利背向散射光进入第一光雪崩管10，进行光电转换后的输出信号输入第一放大器11，第一放大器11和第二放大器13的信号输出端与信号采集卡14的信号输入端相连，这是瑞利通道。信号采集卡14的信号输出端与计算机15的信号输入端相连，由计算机软件对采集到的数据进行运算处理，即可得到光纤6上任一点的温度和转炉/高炉空间温度场的分布。
当转炉炉体3内由工作层和永久层组成的耐火材料发生故障，钢水铁水会渗透到炉壳，使炉壳的温度升高，产生的温度变化将改变光纤6的拉曼背向散射光的强度。通过对光纤6拉曼背向散射光功率的测量，完成光纤6上个点的静态和动态温度的测量和定位功能，通过对数据进行分析，迅速判断并准确定位炉壳破损事件的发生。
由于转炉炉体3工作时存在大量转动运动，为了确保在转炉炉体3转动过程中不会拉断光纤6，在轴承座2一侧设有由一个定滑轮16.1和一个动滑轮16.2组成的滑轮组16，穿过空心耳轴1的光纤6绕在滑轮组16上。当转炉炉体3转动工作时，光纤6拉动动滑轮16.2随着转炉炉体3转动而移动，只要预留足够长的光纤6就能够保证转炉炉体3的旋转不会对光纤6产生任何影响，整个监测过程稳定可靠。

Claims (2)

1.一种炼钢转炉炉体温度传感监测装置，包括通过空心耳轴（1）与轴承座（2）连接的转炉炉体（3），所述转炉炉体（3）上固定有与转炉炉体（3）炉壁留有空隙的环状的托圈（4），其特征在于：所述转炉炉体（3）与托圈（4）空隙间固定有钢管（5），所述钢管（5）环绕转炉炉体（3）炉壁蛇形设置，所述钢管（5）中穿有同一根光纤（6），所述光纤（6）一头固定于钢管（5）中、另一头穿过空心耳轴（1）与双向耦合器（7）的输入输出端相连，所述双向耦合器（7）的信号输入端与激光光源（8）的信号输出端相连，所述双向耦合器（7）的第一输出端（7.1）和第二输出端（7.2）分别与光波分复用器（9）和第一光雪崩管（10）的信号输入端相连，所述第一光雪崩管（10）与第一放大器（11）的信号输入端相连，所述光波分复用器（9）通过第二光雪崩管（12）与第二放大器（13）的信号输入端相连，所述第一放大器（11）与第二放大器（13）的信号输出端分别与信号采集卡（14）的信号输入端相连，所述信号采集卡（14）的信号输出端与计算机（15）的信号输入端相连。
2.根据权利要求1所述的炼钢转炉炉体温度传感监测装置，其特征在于：所述轴承座（2）一侧固定有由定滑轮（16.1）和动滑轮（16.2）组成的滑轮组（16），所述光纤（6）另一头分别穿过空心耳轴（1）与滑轮组（16）后，与双向耦合器（7）的输入输出端相连。
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