EA029772B1

EA029772B1 - Устройство для измерения температуры плавильной ванны в установке с погружной фурмой верхнего дутья

Info

Publication number: EA029772B1
Application number: EA201591836A
Authority: EA
Inventors: Джон Робин Грант; Роберт У. Матусевич
Original assignee: Оутотек (Финлэнд) Ой
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2014-04-11
Publication date: 2018-05-31
Also published as: CN105264095A; EA201591836A1; EP2984189A1; WO2014167532A1; AU2013204818A1; KR20150140305A; CL2015002996A1; PL2984189T3; US10018509B2; ES2636242T3; KR101742901B1; AU2013204818B2; EP2984189B1; US20160069748A1

Abstract

Изобретение относится к устройству измерения температуры для установки верхнего погруженного дутья, предназначенному для измерения температуры плавильной ванны, которая содержит фазу шлака, в ходе пирометаллургической операции, осуществляемой в реакторе установки, где устройство содержит погружную фурму верхнего дутья, содержащую, по меньшей мере, внешнюю трубу и внутреннюю трубу. Внутренняя труба ограничивает канал, и внутренняя поверхность внешней трубы частично ограничивает кольцевой канал. Устройство также включает пирометр, по меньшей мере, сенсорная головка которого установлена в привязке к погружной фурме верхнего дутья и выполнена с возможностью приема энергии инфракрасного излучения, проходящей в продольном направлении внутри фурмы, от выходного конца фурмы. Сенсорная головка также выполнена с возможностью фокусирования полученной энергии инфракрасного излучения, чтобы обеспечить генерирование выходного сигнала или отображение показания температуры плавильной ванны, в которую погружена часть выходного конца фурмы и от которой поступает энергия инфракрасного излучения.

Description

029772

Область техники

Данное изобретение относится к устройству для измерения температуры в ходе выполнения пирометаллургической операции в плавильной ванне, выполняемой посредством верхнего погруженного дутья.

Уровень техники

В операциях выплавки в плавильной ванне или в других пирометаллургических операциях, требующих взаимодействия между ванной и источником кислородсодержащего газа, используют несколько различных схем подачи газа. Обычно эти операции включают прямое вдувание в расплавленный штейн/металл. Это можно осуществлять с помощью фурм нижнего дутья, как в конвертере Бессемера, или фурм бокового дутья, как в конвертере Пирса-Смита. Альтернативно, вдувание газа можно осуществлять с помощью фурмы, обеспечивающей либо верхнее дутье, либо погруженное дутье. Примерами применения фурмы верхнего дутья являются сталеплавильные цеха с конвертерами ΚΑΤΌΟ и сталеплавильные цеха с ККП/ОКК (кислородно-конверторный процесс/основной кислородный конвертер), где чистый кислород вдувают в ванну сверху для получения стали из расплавленного чугуна. Другим примером является процесс омеднения Мицубиси, при котором дутьевые фурмы создают струи кислородсодержащего газа, подаваемого на стадиях плавления и преобразования штейна в конвертере, так, что они сталкиваются с верхней поверхностью ванны и проникают сквозь нее соответственно с получением и преобразованием медного штейна. В случае погружной дутьевой фурмы нижний конец фурмы погружают так, что вдувание происходит внутри, а не поверх слоя шлака ванны, чтобы обеспечить верхнее погруженное дутье, известным примером которого является технология ОиЮ1сс АЦБМЕЬТ верхнего погруженного дутья, которую используют во многих металлургических процессах.

В обоих способах вдувания сверху, а именно как в случае верхнего дутья, так и в случае верхнего погруженного дутья, фурма подвергается воздействию высоких температур, преобладающих в ванне. При верхнем дутье в процессе омеднения Мицубиси используют ряд относительно небольших стальных фурм, содержащих внутреннюю трубу диаметром приблизительно 50 мм и внешнюю трубу диаметром приблизительно 100 мм. Внутренняя труба заканчивается приблизительно на уровне свода печи, значительно выше реакционной зоны. Внешняя труба выполнена с возможностью вращения для предотвращения застревания в охлаждаемом водой фланце в своде печи, и она проходит вниз в газовое пространство печи так, что ее нижний конец находится приблизительно на 500-800 мм выше верхней поверхности плавильной ванны. Сырьевой материал в виде частиц, увлекаемых воздухом, вдувают через внутреннюю трубу, тогда как обогащенный кислородом воздух вдувают через кольцевое пространство между трубами. Несмотря на расположение нижнего конца внешней трубы на расстоянии от поверхности ванны и какое-либо охлаждение фурмы проходящими через нее газами, прогар внешней трубы составляет приблизительно 400 мм/сутки. Таким образом, внешнюю трубу медленно опускают и, когда требуется, новые секции присоединяют сверху к внешней расходуемой трубе.

Фурмы для верхнего погруженного дутья намного больше, чем фурмы для верхнего дутья, такие как в процессе Мицубиси, описанном выше. Погружная фурма верхнего дутья обычно содержит, по меньшей мере, внутреннюю и внешнюю трубу, как представлено ниже, но может содержать по меньшей мере еще одну трубу, соосную с внутренней и внешней трубами. Обычные промышленные погружные фурмы верхнего дутья содержат внешнюю трубу диаметром от 200 до 500 мм или более. Также фурма намного длиннее и проходит вниз через свод реактора верхнего погруженного дутья, который может иметь высоту приблизительно от 10 до 15 м, так что нижний конец внешней трубы погружен на глубину вплоть до приблизительно 300 мм или более в фазу расплавленного шлака ванны, но защищен шлаковой коркой, сформированной и поддерживаемой на внешней поверхности внешней трубы охлаждающим воздействием протекающего внутри трубы потока вдуваемого газа. Внутренняя труба может заканчиваться приблизительно на том же уровне, что и внешняя труба, или выше, вплоть до приблизительно 1000 мм выше нижнего конца внешней трубы. Таким образом, может быть погружен нижний конец только внешней трубы. В любом случае на внешней поверхности внутренней трубы может быть установлена спиральная лопасть или другое формирующее поток устройство, перекрывающее кольцевое пространство между внутренней и внешней трубами. Лопасти придают сильную турбулентность потоку воздуха или обогащенного кислородом воздуха вдоль этого кольцевого пространства и служат для улучшения охлаждающего эффекта, а также обеспечивают хорошее перемешивание газа с топливом и материалом, подаваемым через внутреннюю трубу, где указанное перемешивание происходит главным образом в смесительной камере, ограниченной внешней трубой, ниже нижнего конца внутренней трубы, когда внутренняя труба заканчивается на достаточном расстоянии выше нижнего конца внешней трубы.

Внешняя труба погружной фурмы верхнего дутья изнашивается и прогорает с нижнего конца, но со скоростью, которая значительно снижена, благодаря защитному покрытию из застывшего шлака, по сравнению со случаем без покрытия. Однако в значительной степени это регулируют режимом работы при использовании технологии верхнего погруженного дутья. Режим работы делает технологию практически осуществимой, несмотря на то, что нижний конец фурмы погружен в высокореакционноспособную и коррозионную среду ванны расплавленного шлака. Внутреннюю трубу погружной фурмы верхнего дутья можно использовать для подачи сырьевых материалов, таких как концентрат, плавни и раскис- 1 029772

литель, вводимых в слой шлака ванны, или ее можно использовать для топлива. Кислородсодержащий газ, такой как воздух или обогащенный кислородом воздух, подают через кольцевое пространство между трубами. Перед началом погруженного дутья внутри слоя шлака ванны нижний конец фурмы, т.е. нижний конец внешней трубы, располагают на подходящем расстоянии над поверхностью шлака. В фурму подают кислородсодержащий газ и топливо, такое как нефтяное топливо, мелкий уголь или углеводородный газ, и полученную смесь кислород/топливо сжигают, чтобы образовать струю пламени, которая сталкивается со шлаком. Это приводит к выплеску шлака с образованием на внешней трубе фурмы слоя шлака, который затвердевает, благодаря потоку газа, проходящему через фурму, что обеспечивает вышеупомянутое покрытие из твердого шлака. Затем фурму можно опускать, чтобы обеспечить дутье внутри шлака, при непрерывном прохождении кислородсодержащего газа через фурму, поддерживая нижний участок фурмы при температуре, при которой покрытие из затвердевшего шлака сохраняется и защищает внешнюю трубу.

Новая погружная фурма верхнего дутья обычно характеризуется взаимным расположением нижних концов внешней и внутренней труб, которое является оптимальным для конкретного диапазона рабочих пирометаллургических режимов, определяемым при конструировании. Взаимное расположение может быть различным для различного применения способов верхнего погруженного дутья. Однако длина любой смесительной камеры, сформированной между нижним концом внутренней трубы и нижним концом внешней трубы, постепенно становится меньше оптимальной для данной пирометаллургической операции, по мере того, как нижний конец внешней трубы изнашивается и прогорает. Подобным образом, если смещение между нижними концами внешней и внутренней труб равно нулю, нижний конец внутренней трубы может стать доступным для воздействия шлака и также подвергаться износу и прогорать. Периодически нижний конец, по меньшей мере, внешней трубы требуется обрезать, обеспечивая чистый край, к которому приваривают участок трубы соответствующего диаметра, чтобы вновь обеспечить оптимальное взаимное расположение нижних концов трубы для оптимизации условий плавки.

Как для фурм верхнего дутья, так и для погружных фурм верхнего дутья было предложено охлаждение текучей средой для защиты фурмы от высоких температур, существующих в пирометаллургических процессах. Примеры фурм верхнего дутья с охлаждением текучей средой раскрыты в следующих патентах США:

№ 3223398 (Вейгат е! а1.),

№ 3269829 (Ве1кш),

№ 3321139 (Це 8аш1 Магш),

№ 3338570 (гштег),

№ 3411716 (8!ерЬап е! а1.),

№ 3488044 (Зйерйегб),

№ 3730505 (КатассюШ е! а1.),

№ 3802681 (Рйейег),

№ 3828850 (МсМшп е! а1.),

№ 3876190 (1оЬи8!опе е! а1.),

№ 3889933 (йкщау).

№ 4097030 (Эехааг).

№ 4396182 (8сйайаг е! а1.),

№ 4541617 (Окапе е! а1.) и

№ 6565800 (Риппе).

Во всех этих документах, за исключением патента США № 3223398 (Вейгат е! а1.) и патента США № 3269829 (Ве1кш), используют соосные наружные трубы для обеспечения протекания текучей среды к выходному наконечнику фурмы по подающему каналу и обратно из наконечника по возвратному каналу, однако в патенте США № 3223398 используют вариант, в котором такой поток ограничен сопельной частью фурмы. Хотя в патенте США № 3269829 используют охлаждающую воду, она проходит через выходы, расположенные по длине внутренней трубы, смешиваясь с кислородом, подаваемым по кольцевому пространству между внутренней трубой и внешней трубой, так что ее вдувают в виде пара вместе с кислородом. Как отмечено в патенте США № 3269829, нагрев и испарение воды обеспечивают охлаждение фурмы, тогда как генерируемый и вдуваемый пар возвращает тепло в ванну.

В патентах США №№ 3521872 (Тйетейк), 4023676 (Веппе!! е! а1.), 4326701 (Наубеп, 1г. е! а1.) описаны погружные дутьевые фурмы. Техническое решение по патенту США № 3521872 сходно с техническим решением по патенту США № 3269829. В каждом из документов описано использование фурмы, охлаждаемой посредством добавления воды в поток газа, в расчете на испарения ее с получением вдуваемого пара, и эта схема отличается от охлаждения фурмы водой посредством теплопередачи в закрытой системе. Однако в схеме согласно патенту США № 3521872 не используют внутреннюю трубу, а газ и воду подают по одной трубе, в которой вода испаряется. Техническое решение согласно патенту США № 4023676, хотя и относят к фурме, больше напоминает дутьевую фурму доменной печи, поскольку вдувание происходит ниже поверхности расплавленного черного металла, через внешнюю стенку печи, в которой находится расплавленный металл. В патенте США № 4023676 соосные трубы для дутья прохо- 2 029772

дят внутри керамического рукава, а охлаждающая вода циркулирует через трубы, заключенные в керамический материал. В патенте США № 4326701 подачу охлаждающей текучей среды обеспечивают только в верхней части фурмы, тогда как нижняя часть до погружаемого выходного конца содержит единственную трубу, облицованную огнеупорным цементом.

Ограничения технических решений известного уровня техники отмечены в патенте США № 3521872. Обсуждение этих ограничений представлено в связи с рафинированием меди посредством кислородного дутья. Хотя медь имеет температуру плавления приблизительно 1085°С, в патенте США № 3521872 отмечено, что рафинирование осуществляют при температуре перегрева приблизительно от 1140 до 1195°С. При таких температурах фурмы из нержавеющих или легированных сталей самого высшего качества имеют очень низкую прочность. Таким образом, даже для фурм верхнего дутья обычно используют охлаждение циркулирующей текучей средой или, в случае погружных фурм согласно патентам США № 4023676 и 4326701, используют огнеупорное или керамическое покрытие. Улучшение согласно патенту США № 3269829 и усовершенствование по сравнению с указанным патентом согласно патенту США № 3521872 состоит в использовании мощного охлаждения, достигаемого испарением воды, смешанной с подаваемым газом. Усовершенствование согласно патенту США № 3521872 по сравнению с патентом США № 3269829 состоит в распылении охлаждающей воды перед ее подачей в фурму, чтобы избежать опасности разрушения конструкции фурмы и взрыва, вызванного введением жидкой воды в расплавленный металл.

В патенте США № 6565800 (Όιιηηο) описана фурма для введения твердого материала в виде частиц в расплавленный материал с использованием нереакционноспособного носителя. То есть, фурма предназначена просто для транспортировки материала в виде частиц в расплав, в отличие от устройства, обеспечивающего возможность перемешивания материалов и горения. Фурма содержит центральную внутреннюю трубу, через которую вдувают материал в виде частиц, и находящуюся в непосредственном тепловом контакте с внешней поверхностью внутренней трубы рубашку с двойными стенками, по которой может циркулировать охлаждающий агент, такой как вода. Рубашка проходит по участку внутренней трубы, оставляя выступающий участок внутренней трубы на выходном конце фурмы. Фурма имеет длину по меньшей мере 1,5 м, и из выполненных в реальном масштабе чертежей очевидно, что внешний диаметр рубашки составляет приблизительно 12 см при внутреннем диаметре внутренней трубы приблизительно 4 см. Рубашка включает последовательные участки, приваренные друг к другу, при этом основная часть длины выполнена из стали, а конечная секция, ближайшая к выходному концу фурмы, выполнена из меди или медного сплава. Выступающий выходной конец внутренней трубы выполнен из нержавеющей стали, который для облегчения его замены соединен с основным участком внутренней трубы посредством резьбового соединения.

В патенте США № 6565800 отмечено, что фурма пригодна для применения в процессе Н18ше11 для получения расплавленных черных металлов, при этом фурма обеспечивает возможность введения сырьевого материала - оксида железа и углеродсодержащего восстановителя. В связи с этим фурма подвергается воздействию неблагоприятных условий окружающей среды, включая рабочие температуры порядка 1400°С. Однако, как указано выше со ссылкой на патент США № 3521872, медь имеет температуру плавления приблизительно 1085°С и может находиться даже при температурах приблизительно от 1140 до 1195°С, при которых нержавеющие стали имеют очень низкую прочность. Возможно техническое решение согласно патенту США № 6565800 подходит для использования в связи с процессом НКшеИ, при высоком отношении поперечного сечения охлаждающей рубашки к поперечному сечению внутренней трубы, составляющем приблизительно 8:1, и при малых величинах суммарного поперечного сечения. Фурма согласно патенту США № 6565800 не является погружной фурмой верхнего дутья и не подходит для применения в технологии верхнего погруженного дутья.

Примеры фурм для применения в пирометаллургических процессах, основанных на технологии верхнего погруженного дутья, описаны в патентах США № 4251271 и 5251879 (Р1оук) и в патенте США № 5308043 (Р1оук е! а1.). Как подробно изложено выше, перед началом пирометаллургической операции обеспечивают выплеск шлака с помощью фурмы, посредством верхнего дутья на слой расплавленного шлака в течение некоторого периода времени. Верхнее дутье приводит к выплеску шлака с образованием покрытия из шлака в нижней части фурмы, при этом покрытие из шлака затвердевает благодаря высокоскоростному вдуваемому газу, который вызывает выплеск, в результате чего получают защитное покрытие из твердого шлака на фурме. Покрытие из твердого шлака сохраняется в течение верхнего погруженного дутья в шлак, несмотря на то, что затем нижний выходной конец опускают в слои шлака, чтобы обеспечить требуемое верхнее погруженное дутье в шлак. Фурмы согласно патентам США № 4251271 и 5251879 (Р1оук) эксплуатируют таким образом, при осуществлении охлаждения для сохранения слоя твердого шлака лишь посредством вводимого газа в случае патента США № 4251271, и посредством этого газа и дополнительного газа, вдуваемого через наружную трубу, в случае патента США № 5251879. Однако в патенте США №5308043, помимо охлаждения, обеспечиваемого вводимым газом и газом, вдуваемым через наружную трубу, обеспечивают охлаждение посредством охлаждающей текучей среды, циркулирующей через кольцевые каналы, ограниченный тремя внешними трубами фурмы. Это становится возможным при обеспечении кольцевого наконечника из твердой легированной стали, который на

- 3 029772

выходном конце фурмы соединяет наружную и внутреннюю из этих трех труб по окружности фурмы. Кольцевой наконечник охлаждают вводимым газом, а также охлаждающей текучей средой, протекающей через торцевую поверхность верхнего конца наконечника. Твердая форма кольцевого наконечника и изготовление его из легированной стали приводит к тому, что наконечник имеет хороший уровень сопротивления износу и прогару. При такой конструкции можно достичь разумного срока службы фурмы до необходимости замены наконечника, чтобы избежать опасности отказа фурмы из-за возможности выпуска охлаждающей текучей среды в плавильную ванну.

Другие примеры фурм для применения в технологии верхнего погруженного дутья описаны в заявках настоящего заявителя, находящихся на одновременном рассмотрении, а именно в \УО 2013/000017, \УО 2013/029092 и РСТ/1В2012/056714. Изобретение согласно \УО 2013/000017 относится к погружной фурме верхнего дутья, содержащей, по меньшей мере, внутреннюю и внешнюю, по существу, соосные трубы, выполненные с возможностью регулирования в продольном направлении взаимного расположения внешней трубы и ближайшей к ней внутренней трубы, чтобы обеспечить сохранение требуемого размера смесительной камеры на их нижних выходных концах в течение периода эксплуатации, для компенсации износа и прогорания нижней части внешней трубы. Изобретение \УО 2013/029092 относится к погружной фурме верхнего дутья, содержащей, по меньшей мере, внутреннюю и внешнюю трубы, кожух расположенный вокруг внешней трубы и на расстоянии от нее, при этом кожух выполнен с возможностью регулирования в продольном направлении относительно внешней трубы фурмы, чтобы обеспечить сохранение или варьирования зазора в продольном направлении между внешними концами кожуха и внешней трубы. В заявке РСТ/1В2012/056714 предложена погружная фурма верхнего дутья, содержащая устройство для циркуляции охлаждающей текучей среды, в котором конструкция нижнего конца фурмы приводит к увеличению скорости потока текучей среды между торцевой стенкой для возврата потока охлаждающей текучей среды по наружной трубе фурмы.

Пирометаллургические операции, осуществляемые как с помощью верхнего дутья, так и с помощью верхнего погруженного дутья, приводят к возникновению очень высоких температур, вплоть до приблизительно 1650°С в предельных случаях, обеспечиваемых технологией верхнего погруженного дутья. Однако точное определение температуры в ходе плавки в плавильной ванне является решающим фактором для регулирования процесса и оптимальной работы. В некоторых случаях необходимо поддерживать температуру ванны в относительно узком диапазоне, тогда как при других операциях требуется обеспечить возможность перехода от одного уровня температуры ванны к другому, при переходе от одной технологической стадии к другой. В любом случае обеспечение наименьших возможных температур приводит к наиболее эффективной работе в показателях стоимости и воздействия на окружающую среду.

Традиционно температуры ванны измеряют или, по меньшей мере, прогнозируют с помощью способов, включающих использование:

(ί) термопар, которые установлены на боковой стенке реактора и либо заделаны в огнеупорную футеровку реакционной емкости, либо проходят через нее;

(ίί) термопар, которые размещены в разгрузочных поддонах или переливных перегородках;

(ίίί) исследования толщины покрытий из ванны, застывших на холодных огнеупорных погружных стержнях; и/или

(ίν) пирометров, установленных в отверстие или свод.

Однако другие, более новые предложенные способы включают тепловые трубы, оптические волокна и метод инфракрасной спектроскопии.

Недостатком традиционных способов являются высокие постоянные производственные и эксплуатационных затраты, недостаток надежности, неточность и помехи, такие как непрозрачность отходящих газов и дымов, хотя пирометрия посредством установленных на своде и отверстии пирометров, оказывается полезной только в некоторых условиях. Пока еще не подтверждена надежность или промышленная рентабельность более новых способов.

В ряде способов использовали оптическую термометрию, основанную на методе инфракрасной спектроскопии. В статье "Тйе Вепей1к о£ Ихеб Тйетта1 1тадш§", Кгексй, опубликованной в 2010 г. в Ргосекк Неайпд Мада/те, отмечено, что количество излучаемой объектом энергии является функцией температуры и излучательной способности объектов. Ктексй показал, что тепловизионная камера позволяет идентифицировать горячие или холодные точки посредством измерения колебаний температуры поверхности, чтобы обеспечить возможность регулирования технологических параметров для более высокой производительности и пропускной способности. В отличие от этого отмечено, что ИК точечные датчики позволяют регистрировать показания температуры только в одной точке. Ктексй предусматривает применение тепловизионных камер, установленных в соответствующих точках мусоросжигателя, для предупреждения интенсивного огня, вызываемого необнаруженным горящим мусором. В ряде других работ предлагают или используют тепловизионные камеры для отслеживания потока стали при ее розливе, чтобы обеспечить возможность прекращения розлива, как только в потоке обнаружен шлак.

Статья 'ТпстеЛЫе 1пйатеб" СапПеИ е1 а1., опубликованная в журнале Ргосекк Неайпд Мада/те в январе 2009 г., относится к применению ИК-датчиков, с помощью которых также измеряют ИК-энергию,

- 4 029772

излучаемую телом, в зависимости от температуры и излучательной способности тела. Однако в отличие от преобразования определяемой энергии излучения в изображение, которое возможно представить на экране, используя тепловизионную камеру, датчики фокусируют излучаемую энергию на детекторе, генерирующем электрический сигнал, который можно усилить и отобразить в виде показаний температуры. Как и в случае тепловизионных камер, датчики можно использовать как для неподвижных, так и для движущихся объектов или тел.

Статья СаийеИ е! а1., относится к измерению температуры покрытия, нанесенного на непрерывную фольгу и отвержденного на ней. В статье указано, что ИК-датчики могут принимать энергию, излучаемую с большой площади или с небольшого участка на объекте. В подобной статье §1агг1з "§рес!га1 Маиоеиугек", опубликованной в июне/июле 2007 г в 1пйи51г1а1 Аи!ота!юи Ак1а, стр.53-54, при описании ИК-датчиков и термометров, обсуждают важность размера цели в отношении поля обзора датчиков или размера участков. Указано, что датчики имеют отношение расстояния до цели к диаметру участка, которое может изменяться от моделей 2:1 до более дорогих моделей 300:1. В статье §!аттЬ также посредством ссылки описано покрытие, нанесенное на ленту и отвержденное на ней, в этом случае при формировании слоистого материала. Также на вебсайте Кау!ек №№№.тау!ек.сот подробно описано, в "§иссе88 81оту 64", применение ИК-датчика для измерения температуры расплавленного металлического сплава в вакууме, который необходимо поддерживать при постоянной температуре для точного литья. Используют два датчика, чтобы обеспечить возможность сравнения их выходных данных, и отмечено снижение числа погружаемых зондов, необходимых оператору для периодического контроля температуры.

Было обнаружено, что такое применение ИК тепловизионных камер и ИК-датчиков или термометров не походит для применения при измерении температуры плавильной ванны в пирометаллургических способах, осуществляемых посредством технологии верхнего погруженного дутья. Это так, несмотря на то, что документы КтексЬ, СашйеШ е! а1. и §!атгЬ, а также §иссе88 §1оту 64 относятся к измерениям температуры от приблизительно 365°С (685°Р) в СаийеШ е! а1. до приблизительно 1500°С (2730°Р) в §иссе88 §!огу 64. По меньшей мере, в верхней области данный диапазон используют в пирометаллургических операциях.

В статье §!ее1 Рто.)ес! Рас! §Нее1. опубликованной в ОГПсе оГ 1ийи81т1а1 ТесЬио1од1е8, Еиегду ЕГйсюису аий Репе\уаЫе Еиегду, и§ Эераг1теи! оГ Еиегду в феврале 2001, предложены оптические датчики и средства контроля для усовершенствованных операций в основном кислородном конвертере (ОКК). Техническое решение состоит в том, что оптический датчик устанавливают на наконечнике фурмы, с помощью которой со сверхзвуковой скоростью вдувают вниз кислород над плавильной ванной передельного чугуна и шлака. Датчик, установленный на фурме, позволяет определять температуру в объеме ванны по температуре шлака, используя способы, основанные на формировании оптического изображения, при отсутствии вдувания кислорода. Также датчик позволяет отслеживать, в ходе вдувания кислорода, излучение горячих точек в чугуне, когда вдуваемый со сверхзвуковой скоростью кислород вытесняет шлак, открывая поверхностную область чугуна. Указано, что устройство дополнительно обеспечивает измерение по высоте ванны для улучшения режима эксплуатации фурмы в ходе дутья, а также позволяет осуществлять наблюдение внутренней области печи для оценки износа и разбрызгивания шлака.

В других документах предложено применение инфракрасных оптических датчиков для измерения температуры в металлоплавильных печах с погруженной дугой, таких как печи для производства титансодержащего шлака, а также ферро-кремнистых сплавов и ферро-хромовых сплавов. Однако такое применение в основном направлено на определение профилей температуры для электродов, образованных в печи в ходе плавления. Например, см. Ратта е! а1., "Меакигетеи! оГ !етрега!иге ргой1ек ш е1ес1тойе8 Гог кШсои те!а1 ртобисйои", 1А§'2004, §еа!1е, 2004, рр. 195-199 и ЬаоЬакоидктат е! а1., "АррЬсайои оГ ТЬегта1 ЭеЮсЮг Ьу 1иГгатей кот Е1ес!пса1 АтсЬ Ригиасек Тгаиккогтег", 1ССА§, Ос!. 17-20, 2007, ш §еои1, Когеа.

Настоящее изобретение относится к усовершенствованному устройству для измерения температуры, применяемому при измерениях температуры плавильной ванны установки верхнего погруженного дутья (ВПД) в ходе осуществления пирометаллургической операции на этой установке.

Краткое описание изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предложено устройство измерения температуры для установки ВПД, предназначенное для измерения температуры плавильной ванны, включающей фазу шлака, в ходе пирометаллургической операции, осуществляемой в реакторе установки, где устройство содержит погружную фурму верхнего дутья (фурму ВПД), содержащую, по меньшей мере, внешнюю трубу и внутреннюю трубу, с каналом, ограниченным внутренней трубой, и кольцевым каналом, ограниченным частично внутренней поверхностью внешней трубы, причем фурма ВПД предназначена для вдувания топлива/раскислителя и кислородсодержащего газа в плавильную ванну, вызывающего горение на выходном конце фурмы, и устройство также включает оптический пирометр, по меньшей мере, сенсорная головка которого установлена в привязке к фурме ВПД и выполнена как с возможностью приема энергии инфракрасного излучения, проходящей в продольном направлении внутри фурмы ВПД, от выходного конца фурмы, так и с возможностью фокусирования полученной энергии инфракрасного излучения чтобы обеспечить генерирование выходного сигнала или отображение показания температуры плавильной ванны, в которую погружена часть выходного конца фурмы ВПД и от которой поступает

- 5 029772

энергия инфракрасного излучения.

Погружная фурма верхнего дутья устройства может представлять собой фурму, охлаждение которой при эксплуатации и, тем самым, сохранение защитного покрытия из шлака обеспечены только посредством прохождения газа или газов, вдуваемых через фурму. Альтернативно, охлаждение фурмы может быть дополнительно обеспечено посредством циркуляции охлаждающей текучей среды, например, от входного конца к выходному концу и затем обратно к входному концу. Для охлаждения посредством циркулирующей охлаждающей текучей среды фурма может содержать внешнюю трубу с двойными стенками, где между внутренней и внешней стенками внешней трубы расположена внутренняя втулка для разделения входящего и выходящего охлаждающего потоков.

При эксплуатации устройства измерения температуры участок выходного конца погружной фурмы верхнего дутья имеет такую длину, что при погружении в фазу шлака плавильной ванны, обеспечивают погруженное дутье кислородсодержащего газа на требуемой глубине внутри шлака, и горение топлива вызывает образование пламени, обеспечивающего зону горения внутри фазы шлака. Кроме того, погруженное дутье приводит к образованию сильного вихревого движения внутри шлака, и выплеску шлака с верхней поверхности. Перед погружением погружную фурму верхнего дутья подвешивают на небольшом расстоянии над поверхностью шлака и смесь топлива и кислорода, выпускаемую из выхода фурмы, поджигают для формирования струи сильного пламени, которая сталкивается с поверхностью шлака, вызывая выплеск шлака и образование покрытия на нижней части фурмы. Покрытие затвердевает в результате охлаждающего действия газа, проходящего через погружную фурму верхнего дутья, и покрытие из затвердевшего шлака сохраняется и защищает фурму после погружения части выходного конца в расплавленный шлак. Сильное пламя позволяет предотвратить подъем шлака или других материалов ванны внутри погруженной части выходного конца погружной фурмы верхнего дутья и сохраняет по сечению и вблизи выходного конца фурмы площадь поверхности на погружении внутри ванны. Эта площадь поверхности на погружении внутри ванны, в данном случае определяемая как поверхность, испускающая инфракрасное излучение, обеспечивает поверхность, от которой исходит энергия инфракрасного излучения и проходит в продольном направлении внутри фурмы. По меньшей мере часть поверхности, испускающей инфракрасное излучение, попадает в поле обзора приемного блока пирометра, и именно энергия инфракрасного излучения в поле обзора обеспечивает возможность определения температуры ванны на поверхности, испускающей инфракрасное излучение. Поверхность, испускающая инфракрасное излучение, обычно является поверхностью шлака но, несмотря на то, что погруженное дутье осуществляют внутри фазы шлака, пламя может проходить в фазу, находящуюся ниже шлака, так что эта фаза, находящаяся ниже шлака, будет определять поверхность, испускающую инфракрасное излучение, как становится очевидным из рассмотренной ниже ссылки на патент США № 5888270 (Ейтатйк с1 а1.).

В устройстве, по меньшей мере, приемный блок пирометра устанавливают в привязке к погружной фурме верхнего дутья в пределах окружной поверхности, по меньшей мере, внешней трубы фурмы, например, в кольцевом канале между внутренней и внешней трубами для фурмы, состоящей только из двух труб. Если погружная фурма верхнего дутья включает по меньшей мере одну промежуточную трубу между внешней и внутренней трубами, по меньшей мере, приемный блок пирометра может находиться в пределах окружной поверхности внешней трубы и между внешней трубой и ближайшей к ней промежуточной трубой, или между двумя промежуточными трубами, или между внутренней трубой и ближайшей к ней промежуточной трубой. По меньшей мере, приемный блок пирометра может даже находится в пределах окружной поверхности внутренней трубы, при условии что горючее/раскислитель относится к подходящему типу, не препятствующему работе устройства, например, представляет собой газообразный углеводород. Однако независимо от количества труб, содержащихся в погружной фурме верхнего дутья, по меньшей мере, приемный блок пирометра предпочтительно расположен в пределах окружной поверхности внутренней трубы. Приемный блок может быть расположен рядом с входным концом погружной фурмы верхнего дутья, хотя приемный блок предпочтительно расположен на расстоянии от внутреннего и внешнего концов фурмы. Приемный блок пирометра может быть расположен ближе к выходному концу, чем к входному концу фурмы. Более предпочтительно приемный блок находится на расстоянии, составляющем небольшую часть длины фурмы, от выходного конца погружной фурмы верхнего дутья. В каждом случае приемный блок может быть расположен внутри погружной фурмы верхнего дутья, как определяется углом раствора конуса, в пределах которого приемный блок способен принимать энергию инфракрасного излучения, поступающую от выходного конца копья, и требованием того, чтобы приемный блок принимал энергию инфракрасного излучения с участка или области поверхности, испускающей инфракрасное излучение, которая имеет диаметр, позволяющий достоверно определять температуру. Положение приемного блока пирометра предпочтительно обусловлено полем обзора для приемного блока достаточного диаметра, при этом поле обзора, по существу, заполнено площадью участка или области. Поле обзора может быть, по существу, заполнено поверхностью, испускающей инфракрасное излучение, так что участок или область, по существу, соответствует поверхности, испускающей инфракрасное излучение.

- 6 029772

По всему описанию концы погружной фурмы верхнего дутья называют входным концом и выходным концом относительно направления вдоль фурмы, в котором подают топливо/раскислитель и кислородсодержащий газ, вдуваемый в фазу шлака плавильной ванны в ходе проведения пирометаллургической операции. Следовательно, при использовании пирометаллургической операции верхнего погруженного дутья входной и выходные концы соответствуют верхнему и нижнему концам соответственно погружной фурмы верхнего дутья. Также на основе принятой терминологии термин топливо/раскислитель означает по меньшей мере один материал, подходящий для использования в качестве топлива, предназначенного для сжигания, с получением горящего пламени посредством воспламенения смеси топлива/раскислителя и кислородсодержащего газа, образующейся на выходном конце фурмы при вдувании в шлак, и для использования в качестве раскислителя, способного диспергироваться внутри шлака, за пределами выходного конца фурмы. Соотношения материалов, служащих в качестве топлива и в качестве раскислителя можно регулировать соответствующим образом для создания условий окисления или восстановления, подходящих для оптимизации данной пирометаллургической операции, посредством регулировки отношения кислорода к топливу/раскислителю, вдуваемых посредством фурмы, и тем самым определяя степень сжигания материала в качестве топлива.

Приемный блок пирометра предпочтительно ориентирован так, что ось конуса, по существу, параллельна продольной оси погружной фурмы верхнего дутья. Такая ориентация позволяет получать энергию инфракрасного излучения с участка или области, по существу, полностью круглой формы, хотя допустимо, чтобы участок или область имели эллиптическую форму. Когда приемный блок расположен в кольцевом канале между двумя трубами погружной фурмы верхнего дутья, участок или область обычно имеют меньший диаметр, чем возможно для приемного блока, если он расположен внутри внутренней трубы. То есть, поле обзора меньше, когда приемный блок находится в кольцевом канале между трубами, что влечет за собой необходимость использования приемного блока с относительно небольшим углом раствора конуса и/или расположения приемного блока на меньшем расстоянии от выходного конца фурмы. В каждом случае участок или область находится на поверхности, испускающей инфракрасное излучение, которая ограничена ванной и находится внутри нее, ниже верхней поверхности фазы шлака, и которая прилегает к выходному концу погружной фурмы верхнего дутья и проходит через него, но немного смещена от выходного конца посредством горящего пламени, образующегося в результате горения топливного компонента топлива/раскислителя. Почти во всех пирометаллургических операциях верхнего погруженного дутья поверхность представляет собой поверхность шлака. Однако, когда погруженное дутье приводит к проникновению пламени в штейн или фазу металла ниже шлака, например, как в патенте США № 5888270 (Еб\\агб5 с1 а1.), в котором черновую медь собирают ниже фазы шлака, поверхность ограничена ниже шлака штейном или фазой металла. Патент США № 5888270 целесообразно понимать как предположение, что выходной конец погружной фурмы верхнего дутья может даже находится в медной фазе и, в то время как это возможно в случае погружной фурмы верхнего дутья устройства по настоящему изобретению, это является нежелательным, поскольку в этом обычно нет необходимости, и также это приводит к значительному снижению срока службы фурмы до необходимости ее замены и, если это целесообразно, ремонта.

В устройстве измерения температуры согласно изобретению приемный блок пирометра выполнен с возможностью приема энергии инфракрасного излучения, испускаемой с участка или области поверхности, ограниченной плавильной ванной и движущейся по сходящимся направлениям в сторону приемного блока в пределах угла раствора конуса, при котором установлен приемный блок. Пирометр может включать объектив, который принимает и фокусирует энергию инфракрасного излучения, и детектор, на который поступает сфокусированная с помощью объектива энергия. Детектор генерирует электрический сигнал, указывающий температуру ванны на участке или области поверхности ванны. Сигнал детектора можно пропускать через усилительный блок пирометра, и усиленный сигнал, генерированный усилительным блоком, поступает на монитор, расположенный снаружи погружной фурмы верхнего дутья и предназначенный для отображения температуры ванны, измеряемой на участке или области. Детектор обычно требует данных по излучательной способности ванны на участке или области, и эта величина может быть измерена пирометром или обеспечена в виде входных данных пирометра, исходя из опубликованных данных по излучательной способности для материала ванны, генерирующей энергию инфракрасного излучения, анализируемую пирометром. В случае пирометра обычно входные данные по излучательной способности обеспечивают в режиме одноволновой термометрии. Однако при работе пирометра в режиме двух- или многоволновой термометрии определение температуры может быть основано на отношении спектральной энергии при двух различных длинах волн принимаемой энергии инфракрасного излучения, если излучательная способность, по существу, одинаковая при каждой длине волны.

Приемный блок может включать объектив, детектор и усилитель пирометра, заключенные в общем корпусе, посредством которого пирометр установлен в привязке к погружной фурме верхнего дутья. Однако возможно и обычно необходимо обеспечивать подачу в пирометр охлаждающей текучей среды, чтобы поддерживать его при температуре окружающей среды, избегая перегрева элементов пирометра. Однако обычно желательной альтернативой является размещение детектора и усилителя снаружи погружной фурмы верхнего дутья и обеспечение отдельного корпуса приемного блока, содержащего при- 7 029772

емный блок и предпочтительно объектив, при этом корпус приемного блока установлен в привязке к погружной фурме верхнего дутья. В последнем случае приемный блок и его корпус включают выносной верхний узел, который находится в коммуникационном соединении с детектором и усилителем посредством линии или кабеля, такого как оптико-волоконный кабель, проходящий от приемного блока вверх в фурме, через выходной конец фурмы к детектору. Коммуникационное соединение между этими двумя блоками может быть соответствующим образом защищено и способно работать при повышенных температурах. Альтернативно, когда приемный блок, детектор и также возможно усилитель распложены в общем корпусе, электрическая линия или кабель могут проходить вверх в фурме к внешнему монитору.

Как показано в "ТЬе ЕкЬтаЬои ой 81ад Рторегйек", опубликованном МШ§ ой 1трепа1 Со11еде, Ьоибои, в виде курса лекций от 7 марта 2011 г. на ЗоийЬ Айтсаи Руто-те1а11иг§у, величина излучательной способности главным образом зависит от поверхности, а не от объема, равно как и поверхностное натяжение. В случае шлака, отличного от имеющего относительно простую, хорошо известную структуру, может быть предпочтительно, чтобы пирометр был выполнен с возможностью осуществлять определение излучательной способности ванны на участке или области, откуда пирометр получает энергию инфракрасного излучения. В указанном документе также отмечено, что шлаки являются полупрозрачными для инфракрасного излучения, что приводит к изменению излучательной способности по глубине шлака. Шлак относят к оптически толстой среде, если произведение коэффициента поглощения шлака и глубины шлака в метрах составляет более 3 (т.е. если а*б>3, где "а*" представляет собой коэффициент поглощения, а "ά" представляет собой глубину в метрах). Однако глубина шлака в операциях верхнего погруженного дутья обычно является достаточной для удовлетворения данного соотношения и обеспечивает достоверность опубликованных величин излучательной способности, при наличие таковых. Причиной этого является то, что верхнее погруженное дутье во многих случаях осуществляют в пределах верхней области фазы шлака, обеспечивая нахождение существенной части шлака по глубине ниже выходного конца погружной фурмы верхнего дутья и, более конкретно, ниже поверхности, испускающей инфракрасное излучение. Также результаты измерения температуры, обеспечиваемые устройством по изобретению, хотя их снимают по плоскости в фазе шлака, отражают, по существу, температуру фазы шлака в целом. Причиной этого является то, что поверхность в той плоскости, в которой измеряют температуру, т.е. поверхность, испускающая инфракрасное излучение, на которой расположено поле обзора пирометра, представляет собой поверхность, поддерживаемую на глубине внутри турбулентной фазы шлака в целом. Это значительно отличается от измерения температуры области верхней поверхности фазы шлака, даже если в фазе шлака не создается турбулентность посредством верхнего погруженного дутья, поскольку температура на такой верхней поверхности может значительно отличаться от температуры внутри шлака. Температура поверхности вверху шлака может быть значительно выше или ниже температуры внутри шлака, в зависимости от того осуществляют или нет дожигание технологических отходящих газов над шлаком.

В устройстве по изобретению верхний узел приемного блока или приемного блока и объектива, или всего пирометра, выполнен с возможностью установки в привязке к погружной фурме верхнего дутья различными путями. Верхний узел может быть прикреплен по меньшей мере к одной из труб посредством крепежной арматуры, такой как каркас или кронштейн, закрепленной по меньшей мере на одной трубе, при этом крепежная арматура не препятствует прохождению через погружную фурму верхнего дутья, потоку топлива/раскислителя, кислородсодержащего газа или сырьевого материала, который необходимо вводить в слой шлака для достижения плавки или требуемых условий плавки. Альтернативно, верхний узел или пирометр могут быть установлены в привязке к погружной фурме верхнего дутья посредством присоединения к удлиненному стержню или трубопроводу, проходящему в продольном направлении внутри фурмы, вниз от входного конца фурмы, предпочтительно с обеспечением кронштейна между пирометром и поверхностью соседней трубы фурмы, чтобы закрепить пирометр и удерживать его в фурме в требуемом положении. Если требуется циркуляция охлаждающей текучей среды через корпус пирометра, чтобы поддерживать устройство при температуре окружающей среды, подходящей для предотвращения повреждения от нагрева его рабочих элементов, можно использовать систему трубопроводов, включающую подающую и возвратную линии для охлаждающей текучей среды. Однако охлаждающая текучая среда не требуется для элементов пирометра, выполненного с возможностью эксплуатации при достаточно высоких температурах окружающей среды. Использование стержня или трубопровода для подвешивания пирометра внутри погружной фурмы верхнего дутья имеет преимущество в том, что обеспечивает возможность удаления пирометра из фурмы, например, для технического обслуживания или замены. Дополнительно, стержень или трубопровод обеспечивают возможность регулировать положение пирометра в продольном направлении внутри погружной фурмы верхнего дутья, как это требуется в случае, если фурму в целом необходимо поднимать или опускать или необходимо регулировать взаимное расположение в продольном направлении по меньшей мере одной трубы фурмы и по меньшей мере одной другой трубы в течение пирометаллургической операции или в случае износа, или прогара внешней трубы на выходном конце фурмы.

Усилитель пирометра может быть заключен в общий корпус, также содержащий объектив приемного блока или детектор. Альтернативно, усилитель может быть заключен в отдельный корпус, например, с внешней стороны погружной фурмы верхнего дутья. Выходное напряжение детектора является нелиней- 8 029772

ным и может составлять только приблизительно от 100 до 1000 мкВ. Если необходимо, чтобы выходной сигнал из детектора проходил к усилителю, который расположен снаружи фурмы, предпочтительно преобразовывать выходной сигнал в форму, обеспечивающую возможность его передачи во внешний усилитель через оптоволоконный кабель, чтобы минимизировать деградацию выходного сигнала. Альтернативно, только с помощью премного блока, установленного в привязке к погружной фурме верхнего дутья, можно передавать принятую энергию инфракрасного излучения в детектор по оптоволоконному кабелю, по существу, без риска деградации.

В устройстве измерения температуры по изобретению можно использовать несколько серийно выпускаемых пирометров. Основным требованием к пирометру является способность надежной работы при измерении температур выше 1000°С, до более 2000°С. Также, хотя пирометр можно охлаждать, предпочтительно, чтобы он бы выполнен с возможностью надежной эксплуатации при воздействии температур окружающей среды вплоть до приблизительно 450°С, хотя и обеспечивают поток охлаждающей текучей среды к пирометру, в случае отказа системы. Пирометр можно эксплуатировать в одно-, двух- или многоволновой термометрии, при этом решающим фактором для выбора между этими вариантами является стоимость и доступность данных по излучательной способности для фазы шлака данной плавильной ванны. Примеры походящих пирометров для применения в устройстве измерения температуры по изобретению включают модель пирометра М668, выпускаемую М1кгои Мтагеб 1пс., пирометр ΝΕΑΡΟΚΤ ίΚ2, выпускаемый №\\рог1 Е1ес1гошс8, 1пс., и пирометр РУКО8РОТ ΌδΚΡ 11Ν, выпускаемый Ωίαδ 1пГгагеб СшЬН.

Погружная фурма верхнего дутья может иметь любую из известных конструкций. Таким образом, погружная фурма верхнего дутья может быть выполнена в соответствии с любой конструкцией, раскрытой в любом из патентов США № 4251271 и 5251879 (Иоуб), 5308043 (Р1оу4 е! а1.) или в любой из патентных заявок данного заявителя, находящихся на одновременном рассмотрении, а именно, в АО 2013/000017, АО 2013/029092 и РСТ/1В2012/0567714.

Такое хорошее качество измерения температуры фазы шлака плавильной ванны, возможное с использованием устройства измерения температуры по настоящему изобретению в ходе пирометаллургического процесса, осуществляемого с помощью фурмы устройства, является весьма неожиданным. Попытки измерения температуры струи пламени, создаваемой погружной фурмой верхнего дутья после зажигания смеси топлива и кислорода, когда участок выходного конца фурмы не погружен в плавильную ванну, оказались неудачными. Энергия инфракрасного излучения, генерируемая пламенем, передавалась в продольном направлении в фурме от выходного конца, и предполагалось, что пирометр будет измерять только температуру пламени и не будет обеспечивать полезную информацию в отношении температуры плавильной ванны. То есть, были предпосылки, что результаты, в случае когда участок выходного конца фурмы погружен в фазу шлака плавильной ванны, также не обеспечат адекватные измерения температуры фазы шлака, в особенности при высокой степени турбулентности внутри шлака, являющейся результатом погруженного дутья.

Также в операции верхнего погруженного дутья шлак является реакционной средой, в которой диспергируются и циркулируют сырьевые материалы и в которой эти материалы вступают в реакции восстановления или окисления, обеспечиваемые выбранными условиями верхнего погруженного дутья. Состав фазы шлака с диспергированным сырьевым материалом и продуктами реакции совершенно отличен от состава шлака в отдельности. Таким образом, ситуация совершенно отлична от ситуации, складывающейся при использовании инфракрасной термометрии с твердым веществом, даже при его перемещении, или с протекающим потоком жидкости, такой как расплавленная сталь, или при измерении температуры в основном кислородном конвертере для рафинирования передельного чугуна. В последнем случае вдуваемый сверху кислород вызывает смещение шлака, делая доступным для измерения температуры расплавленный чугун. Также на выходном наконечнике такой фурмы верхнего дутья не происходит горения топлива. Чугун имеет поверхность относительно постоянного состава, тогда как требуется измерить температуру чугуна, а не температуру шлака. Так же, как в операциях верхнего погруженного дутья, шлак ОКК (основного кислородного конвертера) находится в турбулентном состоянии и не обеспечивает стабильную форму поверхности, пригодную для измерения температуры. Поверхность шлака в операции верхнего погруженного дутья постоянно возмущается, при этом большое количество шлака выбрасывается в пространство реактора над ванной и затем падает обратно. Такой выбрасываемый шлак либо охлаждается до более низкой температуры, чем температура слоя шлака, либо чаще всего, при осуществлении дожигания выделяемых отходящих газов, таких как монооксид углерода и водород, выбрасываемый шлак нагревают до более высокой температуры, чем температура слоя шлака, с целью возмещения теплоты в ванне. Каждый из этих факторов позволяет предположить, что невозможно достоверно измерить температуру ванны с использованием устройства по изобретению.

Несмотря на опыт работы в других областях применения инфракрасной термометрии и первоначальные эксперименты с зажигаемыми погружными фурмами верхнего дутья, проводимые без погружения части выходного конца фурмы устройства по изобретения, неожиданно было обнаружено, что превосходные результаты измерения температуры можно получить в том случае, когда погружают часть выходного конца погружной фурмы верхнего дутья устройства по изобретению, как требуется для про- 9 029772

ведения пирометаллургической операции. В частности, устройство по изобретению обеспечивает возможность получения превосходных результатов измерения температуры фазы шлака плавильной ванны в ходе операции верхнего погруженного дутья, и, поскольку фаза шлака является реакционной средой для реакций данной операции верхнего погруженного дутья, такая измеряемая характеристика является принципиально важной. В других процессах, таких как плавка погруженной дугой, требуемой измеряемой характеристикой является температура фазы металла, находящегося ниже шлака или реакционной смеси, но фаза металла непосредственно недоступна для измерений, и в качестве компромисса осуществляют измерение обычно более холодного шлака или реакционной смеси.

Устройство измерения температуры по изобретению может включать более чем один пирометр. В этом случае каждый из пирометров может содержать, по меньшей мере, приемный блок, установленный в привязке к погружной фурме верхнего дутья и предназначенный для получения энергии инфракрасного излучения, проходящего в продольном направлении внутри фурмы от указанного выходного конца, причем каждый приемный блок выполнен с возможностью фокусирования получаемой таким образом энергии инфракрасного излучения и генерирования соответствующего выходного сигнала. Каждый пирометр может быть установлен внутри канала, ограниченного внутренней трубой. Альтернативно или дополнительно, пирометры могут включать по меньшей мере один пирометр, установленный внутри кольцевого канала, ограниченного по меньшей мере одной из внутренней и внешней труб и промежуточной трубой между внутренней и внешней трубами.

Краткое описание чертежей

Для более полного понимания изобретения далее сделаны ссылки на прилагаемые чертежи, где: на фиг. 1 представлен вид в перспективе с частичным разрезом реактора для верхнего погруженного дутья;

на фиг. 2 представлено одно воплощение устройства измерения температуры в соответствии с изобретением, участок нижнего конца которого показан в увеличенном масштабе и в сечении;

на фиг. 3 представлен неполный вид в разрезе элементов нижней части другого воплощения устройства измерения температуры в соответствии с изобретением;

на фиг. 4 подробно показаны элементы верхней части устройства, показанного на фиг. 3; и

на фиг. 5 представлено изменение во времени температуры, измеренной в ходе экспериментов на

опытной установке, проводимых с использованием устройства измерения температуры по изобретению.

Реактор 10, представленный на фиг. 1, является одним из примеров возможного реактора для верхнего погруженного дутья и конфигурации фурмы. Реактор 10 содержит цилиндрический корпус 12, закрытый сверху наклонным сводом 14, из которого выступает вверх отводящий дымоход 16, ведущий в бойлер/теплообменник 18, использующий отходящие газы. На фиг. 1 прямоугольная часть корпуса 12 удалена для показа внутренней конструкции, хотя корпус 12 проходит непрерывно по окружности на всех уровнях его высоты, за исключением выпускных отверстий. Свод 14 содержит вход 20, через который вниз проходит погружная фурма 22 верхнего дутья так что, после образования на нижней части фурмы 22 защитного покрытия 24 из шлака и его затвердевания, часть нижнего конца фурмы 22 погружена в верхнюю фазу 28 шлака плавильной ванны 26. Реактор 10 также содержит питающее отверстие 29, открывающееся через свод 14, для обеспечения возможности загрузки в шлак 28 ванны 26 сырьевых материалов для требуемой пирометаллургической операции и отверстие 30 для горелки, обеспечивающее возможность введения горелки 31 для нагрева реактора. Фурма 22 содержит штуцеры 34, обеспечивающие возможность соединения фурмы 22 с отдельными источниками топлива/раскислителя и кислородсодержащего газа, чтобы обеспечить раздельное поступление этих материалов вниз через фурму 22 и их перемешивание на нижнем, выходном конце фурмы 22 для подачи горючей смеси. Горение смеси топлива и кислорода формирует зону горения в шлаке 28 на нижнем, выходном конце фурмы 22, а также создает сильную турбулентность в шлаке 28, что приводит к диспергированию сырьевых материалов, загружаемых через отверстие 29, в шлаке 28, с возникновением требуемых пирометаллургических реакций внутри шлака 28.

Фурма 22 на фиг. 2 представляет собой схематическую иллюстрацию нижнего конца одного варианта конструкции погружной фурмы верхнего дутья, содержащей устройство измерения температуры. Фурма 22 включает внешнюю трубу 28, внутреннюю трубу 40 и промежуточную трубу 42, расположенную между трубами 38 и 40. Трубы 38, 40 и 42 имеют, по существу, круглое поперечное сечение и расположены, по существу, концентрически. Кольцевой канал 44, ограниченный трубами 38 и 42, обеспечивает подачу воздуха, тогда как канал 46, ограниченный трубами 40 и 42, обеспечивает подачу кислорода. Канал 48, ограниченный трубой 40, обеспечивает подачу топлива/раскислителя. Как показано, трубы 40 и 42 проходят на короткое расстояние относительно общей длины фурмы 22, выше нижнего конца трубы 38, чтобы обеспечить смесительную камеру 50, в которой перемешивают топливо/раскислитель, воздух и кислород, чтобы способствовать эффективному горению топлива на нижнем конце трубы 38. Фурма 22 может иметь длину вплоть до приблизительно 25 м и внешний диаметр вплоть до приблизительно 0,5 м для эксплуатации в промышленном масштабе. Вариант фурмы 22 для опытной установки может иметь длину только приблизительно 4 м и внешний диаметр приблизительно 0,075 м.

- 10 029772

Одно воплощение устройства измерения температуры в соответствии с изобретением представлено на фиг. 2 и включает фурму 22 в сочетании с пирометром 52. Пирометр 52, представленный в сильно увеличенном масштабе, по сравнению с диаметром внутренней трубы 40, включает сенсорную головку, которая в представленной конфигурации состоит из корпуса 56, содержащего объектив или сенсорный блок 54, и оптико-волоконного кабеля 60, один конец которого находится в сообщении с объективом. Сенсорная головка 54 установлена в нижней части внутренней трубы 40, в которой она поддерживается подходящей рамой или кронштейном (не показано), создающим минимальное препятствие потоку топлива/раскислителя, проходящему вниз через трубу 40. Сенсорная головка 54 расположена так, что способна принимать и фокусировать энергию инфракрасного излучения, поступающую вверх через нижний конец и в продольном направлении фурмы 22. Конфигурация может быть такой, что объектив 58 принимает энергию инфракрасного излучения в пределах конуса, обозначенного линиями 62, например, с поверхности, сформированной внутри слоя шлака 28, вследствие верхнего погруженного дутья с помощью фурмы 22, как схематически показано линией 64. Угол раствора конуса, показанный линиями 62, является максимальным для расстояния от объектива 58 до выходного конца фурмы 22, поскольку больший угол раствора конуса приведет к помехам от попадания конуса по меньшей мере на одну из труб 38 и 40. Меньший угол раствора конуса может быть допустим, поскольку требуется, чтобы расстояние между объективом 58 и поверхностью на линии 64, с которой испускается принимаемая энергия инфракрасного излучения, по существу, соответствовало фокусному расстоянию линз объектива 58. Например, пирометр ΡΎΚΟ8ΡΟΤ ΌδΚΡ 11Ν, выпускаемый Ωίαδ 1и£татеб СшЬН, выполнен с возможностью настройки фокусного расстояния. Однако, представленная конфигурация обеспечивает максимальное поле обзора поверхности, испускающей инфракрасное излучение, тем самым обеспечивая более точное определение температуры.

В конфигурации, показанной на фиг. 2, оптико-волоконный кабель 60 проходит вверх от сенсорной головки 54 внутри трубы 40 и наружу из входного конца фурмы 22 к внешнему корпусу 66, содержащему детектор 68, усилитель 70 и монитор 72. Энергия инфракрасного излучения, принимаемая на сенсорной головке 54, фокусируется объективом 58, так что сфокусированная энергия инфракрасного излучения проходит по кабелю 60 к корпусу 66.

Энергию принимает детектор 68, с помощью которого ее преобразуют в выходной электрический сигнал, который усиливается усилителем 70 и поступает на монитор 72, на котором отображается показание температуры шлака.

При необходимости, кабель 60, проходящий внутри трубы 40, может находиться внутри трубопровода, через который может циркулировать охлаждающая текучая среда для регулирования температуры среды, окружающей сенсорную головку 54 и, в частности, объектив 58 внутри корпуса 56.

Хотя в устройстве для измерения температуры, представленном на фиг. 1 и 2, показан только один пирометр 52 в фурме 22, в одной фурме 22 может быть обеспечено больше одного пирометра 52, а именно до 4 пирометров 52. Все пирометры могут быть расположены внутри трубы 40 или по меньшей мере один может быть расположен между трубой 40 и трубой 42 и/или между трубой 38 и трубой 42.

Конфигурация, показанная на фиг. 3 и 4, в значительной степени понятна из описания фиг. 1 и 2. На фиг. 3 и 4 элементы, соответствующие элементам на фиг. 1 и 2, имеют те же номера позиций, но к ним добавлено 100. Фурма 122 содержит промежуточную трубу 142 и, как показано пунктирной линией на фиг. 4, внутреннюю трубу 140. Соответствующие трубы 142 и 140 также представляют собой внутреннюю трубу для воздуха/кислорода и трубу для газообразного горючего. Однако труба 142 выполнена с возможностью подачи кислорода или обогащенного кислородом воздуха по каналу 146, ограниченному трубами 140 и 142, тогда как труба 140 выполнена с возможностью подачи мелкого угля в виде частиц, увлекаемого газом-носителем, или жидкого топлива или газа по каналу 148, ограниченному трубой 140. Также, хотя это не показано, фурма 122 содержит внешнюю трубу, соответствующую трубе 38 фурмы 22, при этом через кольцевой канал, соответствующий каналу 44 фурмы 22, между внешней трубой и трубой 142, подают воздух, чтобы обеспечить поставку воздуха для охлаждения внешней трубы и сохранения защитного покрытия из отвержденного шлака на значительной части нижнего участка фурмы 122.

Как показано на фиг. 4, верхний или входной конец фурмы 122 содержит соединительное устройство 80, закрепленное на трубе 142 и выступающее над ней, чтобы обеспечить возможность подъема и опускания фурмы 122 с помощью системы подвесного подъемного механизма. Также фурма 122 содержит входной штуцер 82, сообщающийся с трубой 140, чтобы обеспечить возможность подачи природного газа (или другого подходящего топлива/раскислителя для операции верхнего погруженного дутья) от источника подачи, для протекания топлива/раскислителя вниз через канал 148 трубы 140.

Штуцер 82 проходит через стенку съемной верхней части 142а трубы 142 для сообщения с трубой 140. Часть 142а трубы 142 присоединяют встык, при этом основную часть 142Ь трубы 142 присоединяют с помощью двухфланцевого герметичного соединения 142с. На уровне ниже штуцера 82 и соединения 142с фурма 122 содержит штуцер 84, сообщающийся через трубу 142, чтобы обеспечить подачу кислородсодержащего газа, такого как обогащенный кислородом воздух, от источника подачи, для протекания его вниз через канал 146.

- 11 029772

Хотя это не показано, верхний конец внешней трубы проходит на короткое расстояние ниже штуцера 84. Дополнительный штуцер (не показан) сообщается через верхний конец внешней трубы, обеспечивая подачу воздуха от источника подачи, для протекания его вниз через кольцевой канал между внешней трубой и трубой 142. Обеспечивают такой поток воздуха, что шлак, выплеснувшийся на внешнюю поверхность внешней трубы, охлаждается и образует защитное покрытие из отвержденного шлака, которое способно сохраняться даже на нижней части фурмы 122, когда ее погружают в фазу шлака.

Конфигурация, полученная при обеспечении дополнительного штуцера для внешней трубы и штуцеров 82 и 84, обеспечивает смешивание газа, вдуваемого вниз по фурме 122 как из канала 146, так и из канала между внешней трубой и трубой 142, в нижнем конце фурмы 122 с топливом/раскислителем из канала 148. Таким образом, можно образовать горючую смесь в нижнем конце фурмы 122, и при ее зажигании, смесь образует горящее пламя, которое обеспечивает горение топливного компонента топлива/раскислителя. Когда этот нижний конец погружен внутрь фазы шлака для верхнего погруженного дутья, горящее пламя создает зону горения, вырабатывающую тепло в фазе шлака в течение периода выполнения погруженного дутья. Если содержание кислорода в смеси равно стехиометрическому количеству для сжигания всего топлива/раскислителя в качестве топлива или превосходит это количество, внутри фазы шлака создаются нейтральные к окислению условия, в зависимости от уровня избытка кислорода. Альтернативно, при недостатке кислорода в смеси для сжигания всего топлива/раскислителя, часть топлива/раскислителя не сгорает и, таким образом, доступна в качестве раскислителя, так что внутри шлака преобладают восстановительные условия. Нижний конец трубы 140, но предпочтительно также и трубы 142, может заканчиваться на относительно небольшом расстоянии выше нижнего конца внешней трубы, так что в пределах нижнего конца внешней трубы сформирована смесительная камера (не показана), например, аналогично камере 50 фурмы 22.

Фурма 122 также включает пирометр, нижняя часть 152а которого показана на фиг. 3, при этом его верхняя часть 152Ь показана на фиг. 4. Нижняя часть 152а установлена в канале 146, напротив внешней поверхности трубы 140, и включает сенсорную головку 154, установленную в нижнем конце оптического кабеля 160, в нижней области фурмы 122, рядом с завихрителем 96, содержащем лопасти 98. Кабель 160 проходит вверх внутри канала 146. Как показано на фиг. 4, верхний конец кабеля 160 формирует часть верхней части 152Ь пирометра 152 и проходит вверх в канале 146 в верхний конец фурмы 122 к месту, где он выходит через уплотнитель в части 142а трубы 142. Энергия инфракрасного излучения, полученная сенсорной головкой 154 и сфокусированная, проходит по оптико-волоконному кабелю 160 к детектору 168. Энергия инфракрасного излучения преобразуется детектором 168 в электрический сигнал. Силовой и информационный кабель 92 может передавать электрический сигнал в электрораспределительную коробку (не показана) в устройство отображения сигнала или регистратор (также не показан), что обеспечивает возможность отслеживания температуры расплавленного шлака, подвергаемого верхнему погруженному дутью для требуемой пирометаллургической операции.

Как можно понять из фиг. 3 и 4, пирометр 152 расположен в фурме 122 между внутренней трубой 140 и промежуточной трубой 142, в кислородном канале 146 между этими трубами 140, 142. Это является отличием от конфигурации, показанной на фиг. 2, где пирометр 52 находится внутри канала 48 внутренней трубы 40. На фиг. 2 пирометр 52 расположен рядом с верхним концом смесительной камеры 50, и фурма 122 предпочтительно содержит смесительную камеру, при этом пирометр 152 также расположен рядом с верхним концом смесительной камеры. Конфигурация, показанная на фиг. 2, подходит для опытной установки или реактора верхнего погруженного дутья небольшой емкости, тогда как конфигурация, показанная на фиг. 3 и 4, является предпочтительной, в частности, для реакторов большего размера.

На фиг. 5 представлены результаты, полученные для трех испытаний на опытной установке при отслеживании изменения во времени температуры шлака в ходе пирометаллургической операции с использованием верхнего погруженного дутья. Используемая установка была аналогична представленной на фиг. 1, при этом фурма была выполнена в соответствии с фиг. 3 и 4. Фурма была снабжена пирометром Рутозро! 44Ν, выпускаемым ΌΙΑδ 1нГгатеб §уз!ет оГ Итезбеп, Германия. Была обеспечена возможность отслеживания температуры шлака с получением непрерывной линии, показанной для каждого испытания. Для этого принимаемое инфракрасное излучение преобразовывали в электрический сигнал, который подавали на регистрирующее устройство.

Для каждого испытания также измеряли температуру шлака, используя ручное одноразовое устройство для измерения сигнала, с последовательными временными интервалами, получая для каждого испытания показания, представленные ромбовидными значками, при этом результаты таких измерений подтвердили высокую степень точности, достигаемую с использованием устройства по изобретению.

В заключение необходимо отметить, что различные изменения, модификации и/или дополнения могут быть внесены в конструкцию и конфигурацию вышеописанных компонентов устройства, без выхода за пределы сущности и объема защиты изобретения.

- 12 029772

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство измерения температуры для установки верхнего погруженного дутья, предназначенное для измерения температуры плавильной ванны, которая содержит фазу шлака, в ходе пирометаллургической операции, осуществляемой в реакторе установки, где устройство содержит фурму верхнего погруженного дутья, содержащую, по меньшей мере, внешнюю трубу и внутреннюю трубу, с каналом, ограниченным внутренней трубой, и кольцевым каналом, ограниченным частично внутренней поверхностью внешней трубы, причем фурма верхнего погруженного дутья предназначена для вдувания топлива/раскислителя и кислородсодержащего газа в плавильную ванну, вызывающего горение на выходном конце фурмы, и где устройство также включает оптический пирометр, по меньшей мере, сенсорная головка которого установлена в привязке к фурме верхнего погруженного дутья и выполнена с возможностью приема энергии инфракрасного излучения, проходящей внутри фурмы верхнего погруженного дутья от выходного конца фурмы, часть которого погружена в плавильную ванну, и который имеет средства фокусирования на сенсорной головке получаемой энергии инфракрасного излучения.
2. Устройство измерения температуры по п.1, в котором оптический пирометр содержит детектор, выполненный с возможностью приема от сенсорной головки сфокусированной энергии инфракрасного излучения и генерирования соответствующего электрического выходного сигнала.
3. Устройство измерения температуры по п.2, в котором детектор соединен с сенсорной головкой и принимает сфокусированную энергию инфракрасного излучения непосредственно от сенсорной головки.
4. Устройство измерения температуры по п.2, в котором детектор расположен вне фурмы верхнего погруженного дутья и находится в сообщении с сенсорной головкой посредством оптико-волоконного кабеля.
5. Устройство измерения температуры по п.3 или 4, в котором оптический пирометр содержит усилитель, выполненный с возможностью приема выходного сигнала от детектора и генерирования усиленного выходного сигнала
6. Устройство измерения температуры по п.5, в котором усилитель присоединен к монитору, выполненному с возможностью отображения показаний температуры плавильной ванны, от которой получена энергия инфракрасного излучения с помощью сенсорной головки.
7. Устройство измерения температуры по любому из пп.1-6, в котором, по меньшей мере, сенсорная головка оптического пирометра установлена в привязке к фурме верхнего погруженного дутья в пределах окружной поверхности, по меньшей мере, внешней трубы фурмы.
8. Устройство измерения температуры по п.7, в котором, по меньшей мере, сенсорная головка находится внутри кольцевого канала между внешней и внутренней трубами.
9. Устройство измерения температуры по п.7, в котором фурма верхнего погруженного дутья содержит по меньшей мере одну промежуточную трубу между внешней и внутренней трубами и сенсорная головка расположена между внешней трубой и ближайшей к ней промежуточной трубой, или между двумя промежуточными трубами, или между внутренней трубой и ближайшей к ней промежуточной трубой.
10. Устройство измерения температуры по п.7, в котором сенсорная головка находится в пределах окружной поверхности внутренней трубы.
11. Устройство измерения температуры по любому из пп.1-10, в котором, по меньшей мере, сенсорная головка оптического пирометра расположена на расстоянии от входного и выходного концов фурмы верхнего погруженного дутья.
12. Устройство измерения температуры по п.11, в котором, по меньшей мере, сенсорная головка расположена на расстоянии от выходного конца фурмы, составляющем меньшую часть длины фурмы.
13. Устройство измерения температуры по любому из пп.1-12, в котором, по меньшей мере, сенсорная головка ориентирована так, что ось конуса сенсорной головки, по существу, параллельна продольной оси фурмы верхнего погруженного дутья.
14. Устройство измерения температуры по любому из пп.1-13, в котором внутренняя труба и, возможно любая промежуточная труба, заканчивается, не доходя до конца внешней трубы на выходном конце фурмы, для формирования смесительной камеры в пределах части выходного конца фурмы и, по меньшей мере, приемный блок пирометра установлен в привязке к фурме на конце внутренней трубы или вблизи него, например внутри канала, ближе к выходному концу фурмы.
15. Устройство измерения температуры по любому из пп.1-14, содержащее по меньшей мере два указанных оптических пирометра, каждый из которых содержит, по меньшей мере, сенсорную головку, установленную в привязке к фурме верхнего погруженного дутья и выполненную с возможностью приема энергии инфракрасного излучения, проходящей в продольном направлении внутри фурмы от указанного выходного конца, и каждый из пирометров выполнен с возможностью фокусирования принимаемой таким образом энергии инфракрасного излучения и обеспечения генерирования соответствующего указанного выходного сигнала.
16. Устройство измерения температуры по п.15, в котором каждый оптический пирометр установлен внутри канала, ограниченного внутренней трубой.

- 13 029772
17. Устройство измерения температуры по п.15, в котором по меньшей мере один из указанных оптических пирометров установлен внутри кольцевого канала, ограниченного по меньшей мере одной из внутренней и внешней труб и промежуточной трубой между внутренней и внешней трубами.
18. Устройство измерения температуры по любому из пп.1-17, в котором фурма верхнего погруженного дутья выполнена с обеспечением ее охлаждения во время эксплуатации и, тем самым, сохранения защитного покрытия из твердого шлака только в результате вдувания газа или газов через фурму.
19. Устройство измерения температуры по любому из пп.1-17, в котором фурма верхнего погруженного дутья выполнена с обеспечением ее охлаждения во время эксплуатации и, тем самым, сохранения защитного покрытия из твердого шлака в результате совместного охлаждающего действия газа или газов, вдуваемых через фурму, и циркуляции охлаждающей текучей среды.