TW200907319A - Structural component based on a ceramic body - Google Patents

Description

200907319 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於以陶瓷體為主之結構元件，其在較高溫度 下尤其係在高於800°C之溫度下非常穩定（即該結構元件 能夠在該溫度下根據應用執行其任務）。該結構元件可未 =燃:^。為獲得耐溫性（引伸至耐火性），化學/陶瓷反應接 者例如僅在結構元件之操#過程中產纟。就該範圍，本發 明包含具有亦高於900°C ' >l〇〇〇t，且亦>110(TC，>1200 〇C >1300 C之耐溫性的結構元件，且最終包括高於1400 c之阿咖下應用之產品。結構元件亦可經回火或烺燒。最 後斤才曰的知群包含展現在以上指冑範圍内之耐溫性（财火 性）的結構元件。 結構元件可由單塊物質所組成；然而，特定而言，其係 一定型結構元件。指定類型的定型耐火結構元件的實例

層，例如澆桶、澆鑄分配器（tundish)、玻璃槽、轉化

冶金熔融槽令之金屬熔融體的流出，

諸如用於供給氣體（主要是惰性氣體）至金屬炼融 (;。此族群亦包含不同幾何形狀之氣體淨化磚， 130996.doc 200907319 -其他的形狀，例如渠道（沿該 ^^ ^ 杀道引導金屬熔融體），用 於調即熔融體離開冶金熔融槽 -,.+ ^ 倌之机動速率的停止器、套 ^ 井贺嘴、井滑車等等。 指定結構元件可由不同材料生產，例如自以Mg0為主之 鹼性批料或自以Al2〇3、Ti ，”、 扣2及/或Sl〇2為主之非鹼 r生批枓生產。本發明可應用至 π有材枓系統。結構元件可 、，工澆鑄、搗碎、擠壓或以其他 ^ . 式處理。其之結合系統不 叉任何限制。本發明因此包含 社人έ士姓 匕3例如，C'结合、㈤瓷或水力 、-Ό合結構元件。 【先前技術】 所有結構S件皆會遭受磨損。既為了技術因素亦為了經 U素’而希望將結構元件的持久性（使用壽命）最佳化。 然而’其由於無法獲得關於結構元件之情況（磨損程度）的 U ’故經常不可行。在操作期間的情況尤係如此，因為 回應用溫度使得適當的檢查有所困難或不可行。

在WO G3/_274 A1中提出—種用於操作滑動擔門之方 法，其中在耐火滑板的環境中，測定並評估一或多個下列 參數.滑動擋門系統的尺寸、滑動擋門區域的溫度、作用 於滑板上的圓筒及彈簧的壓力。此等參數皆係間接量其 無法可靠地敍述關於結構元件的磨損程度。 ' 本發明的目的係在於能夠識別結構元件，並且能夠敍述 關於結構元件在操作之前、期間以及之後的情況，或是操 作時間。 Μ 【發明内容】 130996.doc 200907319 下列理解成為本發明之基礎：如在目前技術現況中，記 錄在實際結構元件周圍的多種特徵量並無法達成目標。滑 動擋門板一般係裝配在由金屬製成的機構中。氣體淨化磚 通。常係安裝在井噴嘴中，或噴嘴係經耐火磚或耐火塊體 (早塊）圍繞。結構元件經常地與熱熔融體或待煅燒的材料 接觸。確切而言，必須檢查結構元件的本身。直接光學辨 識方法被排除。此亦適用直接（物理）連接測量裝置與於 裝置。 皿h

本發明採用完全不同的路徑。其提出將一或多個感測器 (例如1 2、3、4或更多個）一體化至結構元件内’以便 以此方式（亦）於結構元件操作期間記錄至少一個以下項目 的訊息，並且能夠傳遞該訊息至數據處理系統： 用於辨識結構元件之訊息。t亥等訊息包含例如下列數 據產°σ類型、材料等級、廠商詳述、生產曰期、交貨 曰期以及操作曰期等等。 “、。構元件物理性質的數據。該等數據包含例 元件的溫度、結構元件中的機械(熱機械)應力等， 關於結構元件之位置及移動的數據。此項訊息尤其係對 於在刼作期間移動的結構元件(例如，滑板、停止器： ::可調節高度之氣體淨化磚、長矛或諸如此類)具有 ^ 亦可建立結構元件位於設備中的位置。 關於結構元件之操作時間的數據：在此方 助溫度測量而片锊..典σ 例如’借 融體已流過操作’多長時間，即金屬炼 月板中之開口多長時間。 130996.doc 200907319 '一體化’係指將感測器安裝在結構元件之中或之上。 上述之訊息（數據）項目可能個別地具有意義，但亦可以 任意組合用於測定狀況，例如，結構元件的磨損程度。在 此方面’規則地記錄訊息項目，並且非離散地而係以時間 相關的方式作評估。在數個感測器的情況中，可在結構元 件上的不同位置處記錄數據。因此，例如，可測定纟士構元 件中的溫度梯度。同樣地，可將數個感測器設置於數個結 構元件中。因此，可取得並且評估來自不同位置的訊息。 此將基於由滑板組成的實例作說明： 迄今為止操作人員係以經驗決定用過的滑板是否可再使 用一次。

'亥等缺點可由根據本發明之結構元件 理/ 而避免。在數據處

時洩出金屬，以 金屬，以避免嚴重損壞。 據 曉， 在爿 換彰 130996.doc 200907319 另外的應用實例為：將感測器或具有感測器之結構元件 併入於澆鑄桶或不同冶金熔融槽的底部或牆中以便監測 陶瓷内襯體的乾燥程度。例如，必須將單塊加熱至最低溫 度以便達到完全乾燥。 在氣體淨化元件的情況中，結構元件的磨損程度可在温 度測量的情況下經由感測器推斷。同樣地，可藉由溫度測 . 量獲得關於氣體流動速率的訊息。越多冷卻氣體流過，則 測量溫度越低。 〇 此外，如果溫度已達到預期將發生諸如相變化之物理/ 化學反應的程度，則感測器可用以偵測或指示結構元件中 局部過熱的情況。 在其最一般的具體實施例中，本發明係關於一種以陶瓷 體為主之結構元件，其在工作溫度超過8〇〇時極度穩 定，將至少一個感測器一體化於結構元件内，藉此在結構 兀件操作期間可記錄至少一個下列項目的訊息並且能將其 傳輸到數據處理系統：結構元件的識別、結構元件的物理 G 性質'結構元件的移動、結構元件的操作時間、結構元件 的位置。 通常將感測器裝配進外殼中，以便保護其對抗極端的溫 度負荷，對抗污染以及破壞。外殼可例如由玻璃陶瓷組 成。 原則上，為達本發明之目的，任何能夠記錄並且傳遞上 述類型數據的感測器都適合。例如，可使用半導體應定 器，其藉由估算單元，經由感應耦合供給電流。 130996.doc 200907319 根據一具體實施例，感測器係被動感測器。該被動感測 器經由無線電鏈路連接至傳遞/接收單元。藉由無線電輸 送珣問#號至被動感測器。由於與感測器相互作用的結 果，產生響應信號，其被送回至詢問單元，該詢問單元此 日守作為接收器。 接著，在接受單元中，為將由感測器送回之信號與送至 感測器之信號分離，需要一分離機構。此係例如藉由使經 感測器所發射之信號展現與供給至感測器之信號不同的頻 率所達成。除頻率的變化之外，作為另一種選擇，或可考 慮在信號之間的時滯以達分離之目的。 若結構元件處於靜止狀態，則送回一特定的可再現信 號由於作用於結構元件之上或之中的壓力、溫度、應力 等，彳§號再次以可再現的方式變化。 根據-具體實施例，感測器因此包含用於轉換電磁波為 機械波及作相反轉換的裝置。為此，感測器可經設計為具 有供無線信號之無線接收及無線發射用的天線。在一變型 例中，感測器係經由電料接至將適當信號直接傳遞至接 收單元或逆向接收來自後者之信號的天線。為避免在數據 傳輸過程中’可能例如由於在無線電波路徑中之金屬部件 之屏蔽效應所產生的負面效果，分配給感測器的天線宜以 沒有金屬部件位於連至傳遞/接收單元之無線電波路捏中 的方式安裝。 本發明之-具體實施例提供採用SAW元件（SAw=表面聲 波）形式的感測器。在感測器上，激發機械表面波，其行 130996.doc 200907319 為由諸如壓力、溫度、應力之物理量的作用而變化。其將 根據實例闡明： SAW感測器係由其上施用金屬結構（反射器）的麼電基質 晶體：組成。SAW感測器經由天線與發射機/閱讀器無線 電通I發射機/閱讀器發射由感測器天線接收的電磁信 號。該信號藉由位於8謂感測器上的特殊轉換器轉變為機 械振盪。由其所產生的波於壓電晶體之表面上傳播。在上 述反射器丨’表面波被部分反射。隨後該等表面波再度轉 換回電磁波。由於晶體會以物理量’例如溫度、壓力、岸 力的函數而膨脹或收縮’因而此會導致信號之傳送時間的 變化。 自無線電控制中心發误古相、奋+ 送π頻率電磁脈衝至感測器。該脈 衝由感測器的天線接收’並經由轉換器(例如，交叉指狀 轉換器）轉變為傳送機械表面波。在感測器表面上之上述 反射（部分反射）結構（其係彳 y 再U、保以個別的特徵序列形成於該處） 係位於該等機械波的射線

V 仅τ以此方式，自一個別傳 送脈衝產生複數個反射回轉換 得換益的特定脈衝。其於該處再 次轉換成電磁波，並且經Α片 i由感測斋之天線作為響應信號輸 送回到無線電控制中心。燮施 響應k喊含有關於反射器之數目 及位置、其之反射係數以及聲 ,,a 箄皮傳播速度的期望訊息。該 訊息係關於結構元件的辨識、 ^ 構兀件的物理性質、結構 元件的位置及移動及/或姓 ._ *"、口構70件的操作時間之間接訊 息。彳曰助於適當的校準，〜 ^ ^ ΛΑ 在扣疋的數據處理系統中計算 期望的數據。 130996.doc 12 200907319 聲波的傳播速度一般僅僅數千米/每秒，例如3500 m/s。 因此可將咼頻率脈衝儲存於一小晶片（感測器）上，直至電 磁被繞回波消逝為止。感測器可由壓電晶體或多層壓電系 統組成。所述結構係經氣相沉積或以某種其他方法施用。 所述類型的結構元件係部分裝配於金屬護套中或具有金 屬覆蓋物例如，滑板係安裝於金屬匣體内並且安放於金 屬滑動機構中。金屬元素對電磁射線產生屏蔽作用。在該 凊=下，倘右自感測器將數據無線電傳送至天線，則本發 Z提供形成之相應金屬部分（金屬覆蓋物）中，鄰近於感測 森之天線處具有一個供無線信號通過用的凹口。另一特色 係將感測器女裝於結構元件的邊際地區，以便能夠使無線 電傳送最佳化。術語，邊際地區，係表示，例如，結構元件的 冷側，。應明瞭其係指結構元件在操作過程令經最少加熱的 部分。例如，就滑板而言，其係板的外圍，而在喷嘴口區 域的周圍通常有著最高溫。 在用於洗桶之襯相情況巾，其則為磚接近外圍金屬護 套的側面。在氣體淨化碑的情況中，宜將感測器安裝在氣 體進口側的末端。 /已於前文所述之於感測器與天線之間具有電纜連接< 變型的情況’，由於藉由感測器天線達 的直接數據傳輸’因而元件的數目減少，其限制條 線位在可不受擾亂地傳輸至發射/接收台的位置處 可為可撓性的高頻電纜’例如由銅（Cu)與作為電㈣ 四氟乙烯（ptfe)或㈣所製成，由此耐溫性獲得改/ J30996.doc 13 200907319 感測器可至少部分地由耐蝕性鋼，例如等級1 4845的鋼 所構成。用於所述應用的襯墊係由耐熱材料，例如氟彈性 體所組成。 耐火結構元件的製造商具有可資利用之校準數據，由此 可計算在結構元件上之特定位置處的何溫度對應於結構元 件上之其他位置處的何溫度。例如，對於一特定材料，由 在滑板外部（外圍）上的測量溫度xt，可推斷在穿流區域 的溫度為y°c。 如所敍述，反射機械波’《由其產生的響應信號，可據 以#估期g的訊息、，包纟諸如結構元件中的應力之物理數 據，以及在溫度負荷下的操作時間等等。 由於；子動（’寬鬆’）地納入感測器，因而可進行單純的溫 度测1。藉由於結構元件中併入具有剛性連接的感測器 (即結構S件與感_器係永久連接），彳記錄進-步的特徵 量，諸如機械應力。可分別地確定被測對象。 在其最普通之具體實施例中，相關監測方法顯示下列步 驟： -自無線電控制中心發射無線信號至感測器， 藉由感測器接收無線信號， 在感測器中或藉由感測器處理、轉換及/或編碼信號， 自感測器發射響應無線信號至無線電控制中心， 評估無線信號以及藉此傳遞之訊息，並且在數據處理系 、、先中以°又疋數據（參考數據）調整該訊息及/或由其所確定 的特徵量。 130996.doc 200907319 方法的其他特點已在前文根據任務以及感測器的作用方 式描述’並且其將由附屬請求項的特點以及隨後實例變得 更為明晰。其中描述之特點可個別地或以不同之組合而對 於本發明之應用不可或缺。 【實施方式】 在圖中，以相同的元件符號表示相同的部分或相同作用 的部分。 圖1顯示平行六面體壓電晶體（未呈現其玻璃_陶瓷外 殼）。已將部分反射結構12施用於其之一表面上，明確言 之係以一特徵配置（對感測器特定的配置）。此外可辨識的 是交叉指狀轉換器14。電連接係被導引離開晶體，以此方 式而連接交叉指狀轉換器的匯流條至一天線16。晶體以其 結構12與轉換器14組成感測器1 〇。 電磁高頻率脈衝（由箭頭18大略表示）自控制單元（圖4中 之6〇)發出到達感測器10,經由天線16接收，並且藉由轉 換為14轉換為傳送機械表面波。自詢問信號產生複數個表 面波，其按照結構1 2的配置，在測量時反射回至轉換器j 4 並且經由轉換器丨4再轉換回電磁信號（箭頭2 〇)。該信號由 控制單元60接收，在其上游連接有天線5〇，並且信號被發 送到數據處理單元70(圖4)接受評估。 根據圖1之感測器10,例如，可被插入在平行六面體耐 火氧化鎂磚26(圖2)中的中空處25並且用灰漿砌合於其中。 圖3顯示感測器1〇在滑板30中的配置，滑板3〇係以灰漿 砌合至可移動的金屬護套32(灰漿接縫31)中。在滑板％中 130996.doc -15- 200907319 的澆鑄孔以符號34標註。在滑板3〇的邊緣36處將感測器ι〇 加工（由灰漿圍繞）至滑板3〇的陶瓷材料中。此處係以感測 器1 0識別結構元件（特定的滑板）以及其溫度。出於保護的 目的’將感測器10安裝在由玻璃陶瓷製成的外般中。天線 1 6伸出於晶體上方。金屬護套32的相鄰對應部分（由圖3中 的角度α表示）呈現一與天線16相對的槽狀凹口（無法辨 識），以便能夠從外部引導電磁波1 8、20至天線16並且引 導其離開該天線。 圖4顯示滑動機構40之用於收容匣體32以及滑板3〇的關 聯部分。滑動系統調節鋼自澆桶進入下游澆鑄分配器之流 動。 具有天線1 6之感測器丨〇係概略地表示。匣體32内的槽狀 開口係以38標示。位在感測器（晶片）10之天線16正對面的 的是另一天線42 ’其經由耐溫同軸電纜44連接至一第三天 線46，該第三天線46經由無線電鏈路48連接至上述天線 50。信號傳輸（高頻信號）係自控制單元60經由天線5〇至天 線46(以無線方式）以及從該處（以有線方式）至天線42，以 及依次以無線方式至感測器1 〇的天線1 6而達成。信號自感 測器10經逆向路徑反射到達控制單元60。感測器1〇能夠傳 遞含有關於目前溫度以及先前分配之識別編碼訊息的信 號。在此方面’感測器1〇接收電磁脈衝（在(3出頻率範圍 内）’處理該等脈衝，並且送回一連串的特徵電磁脈衝。 從該等脈衝的暫時區分，可將識別以及溫度解碼。感測器 係基於SAW技術並且配備有用於無線電傳送的天線16。 130996.doc • 16- 200907319 /月動機構4〇係由金屬製成。其因此必須經由電纜引導電 ㈣號離開滑動機構4G°為此’天線42係相對於天線16以 固疋方式裝置。經由電動4連接之天線46係裝置在滑動機 構4 0的外部。 操作中，控制單元60自天線5〇傳遞電磁信號（脈衝）至天 線46。各#號自天線46經由同軸電纜44傳遞至天線u，其 藉：無線電經由天線16傳遞該信號至感測器10。感測器10 將信號轉換為表面波，其於在結構12上反射後，含有關於 感測器溫度或結構元件30之識別的訊息。該脈衝串(脈衝 序列）自感測器10經由天線傳遞至控制單元6〇。控制單元 60由脈衝數目及由其之暫時區分μ識別及溫度。將經確 定之數據傳輸至數據處理單元7〇。 由基於感測益的數據，數據處理單元7〇可選取或計算下 列訊息： •識別功能： -操作之前滑板3〇的識別； _操作期間滑板3 0的識別； -操作之後滑板3 〇的識別。 根據識別’滑板30的狀況可與關於鋼工件的數據相連。 -溫度測量： 藉由。平估在特疋時間的溫度而決定澆鑄時間及使用 壽命； 藉由在特疋時間的溫度分析，得知熱衝擊的數量； _超越、未達或到達臨界溫度範圍，例如在滑板30 130996.doc -17- 200907319 的數據處理系統70記錄並 所有傳遞/接收信號皆被相連 且評估。 根據圖4之實例可修飾如 代#具有與天線無線電通 信的感測器10 ’使用經由電纜連接至天線的桿式感測器。 在該情況下，《測器係位於滑板中，即位在，熱側，上；天 線係位在通常較低溫之區域令距其—段距離處。滑板之金 屬ϋ體的橋式接通係借助於電纜實現。天線係以可與控制 早兀60之天線50無干擾地無線電通信的方式設置。在此具 體實施例中，在圖4中由42及46標示的天線是多餘的。 【圖式簡單說明】 本發明已於上文根據多種示範性具體實施例闡明，其中 已將圖式大幅地簡化。其中： 圖1係壓電感測器晶體的透視圖； 圖2係呈磚形式之耐火結構元件的透視圖·， 圖3係裝配於金屬護套中之滑板的俯視圖； 圖4係位於監測及檢查系統中之具有插入滑板之滑動機 構的示意圖。 【主要元件符號說明】 10 感測器 12 部分反射結構 14 轉換器 16 天線 130996.doc -18- 200907319 18 20 25 26 30 31 ' 32 36 / 38 •\ 40 42 44 46 48 50 60 U 70 電磁高頻率脈衝 電磁信號 中空處 而才火乳化鎮碑 滑板 灰漿接縫 金屬護套（匣體） 邊緣 槽狀開口 滑動機構 天線 電纜 天線 無線電鏈路 天線 控制單元 數據處理單元 130996.doc •19·

Claims (1)

1. 200907319 十、申請專利範圍··

   一種以陶瓷體為主之結構元件，其在80(rc以上之溫度 下極度穩定’至少一感測器（10)經一體化於結構元件 (26 30)内部，藉此可於該結構元件（26，30)之操作期 間記錄至少一個下列項目之訊息並且將其傳輸至一數據 處理系統（7〇):該結構元件（26，3〇)之識別、該結構元 件（26 ’ 30)之物理性質 '該結構元件（3〇)之移動、該結 構凡件（26 ’ 30)之操作時間、該結構元件（26，3〇)之位 置。 2.如請求項！之結構元件，其中該感測器（1〇)係裝配入一外 殼内。 3 · 士叫求項2之結構元件，其中該外殼係由玻璃陶竟製 成。 4.如叫求項2之結構元件，其中該外殼不屏蔽電磁波。 5·如請求項丨之結構元件，其中該感測器（1〇)係被動感測 器。 6. 如叫求項丨之結構几件，其中該感測器（1〇)係經設計具有 用於無線接收並且用於無線發射無線信號之天線 (16)。 7. 如清求項丄之結構元件，其中該感測器（1〇)係經設計具有 一用於經由電纜發射無線信號之天線（16)。 8. 如喷求項丨之結構凡件，其中該感測器（丨〇)具有一用於轉 換電磁波成機械波以及作逆向轉換的裝置（14)。 9. 如請求们之結構元件，其中該感測器⑽具有反射機械 130996.doc 200907319 表面波之表面結構（12)。 10.如凊求項丨之結構元件，其中該感測器（ι〇)具有一用於接 收以及用於發射高頻信號之裝置。 11·如叫求項丨之結構元件，其中該感測器（1〇)包含壓電晶 體。 12.如叫求項6之結構元件，其在鄰近該感測器（1〇)處具有一 金屬覆蓋物（32) ’ $覆蓋物（32)在鄰近該感測器⑴之該 、、1 (16)處具有一用於使無線信號通過之凹口（28)。 〇 A 一種用於監測如請求項1至12中任-項之結構元件的方 法’其具有以下步驟： 131自一無線電控制中心發射一無線信號至該感測 器， 13-2 由該感測器接收該無線信號， 13.3藉由該感測器或在該感測器中處理、轉換及/或編 碼該信號， (, 13·4自該感測器發W —響應無線信冑至該&線電控制 U 中心， 13'5評估無線信號及藉此傳輸之訊息並且在數據處理 ，系統令以設定數據調整此訊息及/或由其所確定的 特徵量。 月长項13之方法，其中由該無線電控制中心所傳遞及 接收之無線信號係電磁波。 月长項14之方法，其中該感測器經由-轉換ϋ將所接 電磁波轉換為機械表面波並且經由該感測器之表面 130996.doc 200907319 ^ 則器之表面係經設計具有反射表面結 稱其將該檣η主 m 取表面波至少部分地反射回到轉換器，該 轉換器再次將此等機械表面波轉換為電磁波並且將該等 波發送回到該無線電控制中心。 16.如請求項丨3之方法，其中由該無線電控制中心傳輸及接 收之信號係由該數據處理系統作評估’與設定值作比 較，以及指示。 130996.doc