TW201543012A

TW201543012A - 量測熔融金屬溫度之裝置

Info

Publication number: TW201543012A
Application number: TW104111987A
Authority: TW
Inventors: Guido Jacobus Neyens; Michel Thys; Frank Stevens
Original assignee: Heraeus Electro Nite Int
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2015-11-16
Also published as: BR102015008743A2; US9863709B2; US20150323258A1; US10378824B2; CN105136305B; RU2589271C1; KR101766009B1; JP6122902B2; JP2015212693A; CN105136305A; AU2015202171A1; EP2940441B1; US20180080715A1; AU2015202171B2; TWI561798B; UA112026C2; KR20150125605A; EP2940441A1

Abstract

本發明係關於一種用於量測熔體、特定而言熔融金屬之溫度之裝置，其包括光纖及引導管，該引導管具有浸沒末端及與該浸沒末端相對之第二末端，其中該光纖部分地配置於該引導管中，其中該引導管之內徑大於該光纖之外徑，其中第一塞配置於該引導管之該浸沒末端處或配置於該引導管內接近該引導管之該浸沒末端處，其中該光纖係穿過該塞饋送，且其中該塞減小該光纖與該引導管之間的間隙。

Description

量測熔融金屬溫度之裝置

本發明係關於用於利用光纖量測熔體、特定而言熔融金屬(例如，熔融鋼)之溫度之裝置。

用於產生熔融鋼之電弧爐(EAF)製程係由以下操作構成之批式製程：金屬組份之爐裝填、熔融、精煉、出渣、出鋼及爐回轉。在稱為出鋼之過程中自熔融爐去除每批鋼(稱為一爐(heat))，且因此在提及鋼生產之循環批速率時通常係指稱為出鋼至出鋼時間之時間單元。現代EAF操作以少於60分鐘之出鋼至出鋼循環為目標且更多地為大約35分鐘至40分鐘。

促進可能之快速出鋼至出鋼時間之在EAF生產力方面之諸多優勢與至爐中之增加之電功率輸入(在350kWh/t至400kWh/t範圍內)及能量輸入之替代形式(氧吹管焰割、氧燃料燃燒器)有關。最先進EAF操作消耗大約18Nm³/t至27Nm³/t之補充氧，其供應20%至32%之總功率輸入。另外，允許更快爐移動之組件改良已減少爐閒置之時間量。EAF操作者之工業目標一直為使爐電力開啟時間最大化，從而導致最大生產力以減少固定成本而同時自電功率輸入獲得最大益處。在EAF中產生一爐鋼中所消耗之大部分時間係在熔融之製程步驟中。

熔融時期係EAF操作之中心部分且在大部分現代EAF中發生在兩階段製程中。電能係經由石墨電極來供應且為熔融操作中之最大貢獻者。為熔融廢鋼，其採取300kWh/t之理論最小值。為提供溫度超過鋼之熔點溫度之熔融金屬需要額外能量。對於典型出鋼溫度要求，所需要之總理論能量通常在350kWh/t至400kWh/t範圍內。然而，EAF煉鋼中僅55%至65%能量有效且因此總等效能量輸入對於大多數現代操作而言通常在650kWh/t範圍內，其中60%至65%由電功率供應，其餘要求由化石燃料燃燒及精煉製程之化學氧化能量供應。

在第一次金屬裝填期間，通常選擇中間電壓軸頭，直至電極可充分鑽入廢料中。電極弧與熔融槽之側壁間之未熔融廢料位置保護爐結構免於損壞，以使得可在鑽孔之後使用長弧(高電壓)軸頭。在初始鑽入時期期間熔融大約15%之廢料。藉助爐壁中之專門噴嘴添加之化石燃料燃燒有助於廢料加熱及熱均勻性。當爐氛圍升溫時，發弧往往穩定，平均功率輸入可增加。長弧使功率至廢料之轉移最大化，液體金屬池之起點將在爐床中形成。對於一些具體EAF類型，以自前一爐保留之小池(稱為「留鋼」)開始批式熔融製程為較佳實踐。

當已熔融足夠廢料以適應第二次裝填之體積時，重複裝填過程。在於爐中生成熔融鋼池後，現經由若干來源(諸如，氧燃料燃燒器及氧吹管焰割)供應化學能量。在熔融金屬高度足夠且清除堵塞廢料後，可將氧氣直接吹至該浴中。

接近最後廢料裝填完全熔融之時間時，可使爐側壁曝露於來自弧之高輻射。因此，必須降低電壓或包覆電極之泡沫熔渣之產生。熔渣層可具有1米以上之厚度，同時起泡沫。弧現係經隱埋且將保護爐殼。另外，較大量能量將保留在熔渣中並轉移至浴中，從而導致較大能量效率。此製程將在覆蓋鋼之熔渣層中產生大量的熱，從而導致比鋼溫度高最多200℃之溫度，從而產生出於稍後闡釋之原因對於製程控制量測而言極獨特且困難之環境。

在諸多例項中且尤其在利用留鋼操作之現代EAF操作中，減少一爐之出鋼至出鋼時間，可在整個爐循環期間將氧氣吹至浴中。此氧氣將與浴中之包含鋁、矽、錳、磷、碳及鐵之若干組份反應。所有該等反應係放熱的(亦即，其產生熱量)且將供應能量以幫助熔融廢料。所形成之金屬氧化物最終將存在於熔渣中。

當最後廢料裝填及原材料實質上熔融時，達到平坦浴狀態。此時，浴溫度及化學分析樣品將用於測定近似氧氣精煉時期及計算直至出鋼為止之其餘電力開啟時間。

不管可視可用原材料之利用、爐設計、局部操作實踐及生產之局部節約而變之具體局部處理步驟，顯然可在各種策略中採用諸多至爐中之能量輸入形式，以使出鋼至出鋼時間降至最少並改良在固體廢料及熔渣組份以正確化學組成及期望出鋼溫度轉化成熔融鋼及熔渣期間之能量效率。

如在其他煉鋼製程中，EAF之出鋼至出鋼產生製程係由考慮原材料之數量及品質之數學模型指導以預測給出能量輸入及熱輸出之製程終點。該等變數之列表可參見EP 0747492 A1。諸多用於控制並預測EAF效能之製程模型為本技術領域內所熟知。當與鼓風爐至轉化器之經典煉鋼製程比較時，EAF製程中所用之原材料之變異數高得多且由此需要不斷調整。校正並指導該製程所需要之至該等模型中之若干資訊輸入中之一者係熔融金屬溫度。

向EAF操作者提供最佳且最新之熔融金屬溫度資訊應滿足以下要求：-代表塊體金屬之準確溫度，-與爐傾斜無關之固定浸沒深度，-可連續或幾乎連續獲得，-用於浸沒深度調整之浴液面測定。

通常，熔融金屬之溫度量測係使用熟知可棄式熱電偶完成，如 US 2993944中所闡述。該等熱電偶可由操作者利用具有經調適電佈線及連接以將熱電偶信號傳達至適當儀器之鋼桿手動浸沒。另外，現利用諸多自動熱電偶浸沒機械系統提供熱電偶浸沒，諸如自www.more-oxy.com公開獲得或於文獻Metzen等人，MPT International 4/2000，第84頁中所闡述之彼等。

在形成熔融金屬之彙集後，浴溫度將緩慢升高。對於給定能量輸入而言，非熔融廢料之含量愈高，溫度升高速率將愈低。在熔融所有廢料後，浴之溫度將極快升高，在該製程即將結束時在35℃/分鐘至70℃/分鐘左右。為預測最佳製程終點(亦即，金屬準備出鋼之時間)，製程控制模型需要具有準確並以足夠高之量測頻率建立停止各種能量輸入之最佳時刻之準確預報的溫度資訊。使用機器人浸沒裝置之量測製程要求打開通路艙口(通常係熔渣門，一般闡述出現在US 2011/0038391及US 7767137中)以允許插入支撐可棄式熱電偶之機械臂。在大多數現代操作中，亦使用此門為氧燃料燃燒器及氧氣吹管提供至爐之通路，該等燃燒器及該等吹管係利用與浸沒吹管類似之操縱器帶入適當位置。最近，若干額外埠亦可圍繞燃燒器之爐殼之圓周提供，如US 6749661中所闡述。

在該製程後期出於獲得溫度之目的打開熔渣門使得大量空氣進入爐中。此打開之結果為使局部區域冷卻並提供氮氣源。在發弧期間，將氮氣轉化成為EAF製程之不期望流出物之NOx。儘管有必要藉助此打開使爐進行出渣，但亦利用此打開獲取溫度之機器人浸沒設備之使用在需要重複溫度量測時之時期期間使爐內部曝露於不必要氮氣導入及無意出渣。

隨著在金屬精煉製程之末期期間快速升溫，在最佳情況下之製程控制模型之更新時間無法跟上現代高功率爐之發展。理想地，在精煉結束期間之快速溫度更新及在出鋼前之最後幾分鐘期間之連續溫度資訊提供模型預測準確度與終點測定之最佳組合。對於典型機器人系統而言1分鐘之現實測試至測試時間限制此一動態製程之點量測之有用性。除當用於準確終點決定時最終減少製程模型之預測成功之較低取樣頻率以外，習用可棄式熱電偶及機器人浸沒設備亦具有若干種額外限制。

在熔融及精煉製程期間，該浴將具有溫度梯度，而浴表面將具有顯著高於塊體熔融金屬之溫度。金屬之熱點及冷點遍及爐內部定位，從而使得使用專門燃燒器及定向化石燃料加熱器成為必需以有助於使內部勻質化。如EP 1857760 A1中所指示，一冷點處於因典型機器人浸沒設備之較大通路要求而通常發生可棄式熱電偶浸沒之熔渣門區域中。EAF具有「搖擺」爐之能力，亦即使爐之水平位置自前至後地傾斜，以使該浴進一步勻質化，使爐進行出渣並出鋼，如US 2886617中所闡述。

大部分機器人浸沒裝置係安裝在熔渣門區域中並安裝在操作底板上且因此不會沿著傾斜爐之角度傾斜。正因如此，該等操縱器不會始終並在所有情況下均將可棄式熱電偶安置於浴中。此外，熱電偶之浸沒深度與機器人裝置之機械臂之關節有關，且由此在浴液面因爐傾斜之角度而變化時不易調整。儘管出於EAF製程之操作模型之目的在反映整體溫度之位置中重複量測甚為重要，但利用手動或自動吹管獲取之實際溫度量測展示難以穩定浸沒深度，當浸沒吹管之位置未與爐之搖擺及實際浴液面對準時無法達成，且無有助於溫度準確度之位置。

本發明在冶金槽中使用熔融金屬浸沒之可消耗光纖及能夠插入溫度裝置穿過EAF之側壁達可預測熔融鋼浸沒深度之浸沒設備來量測溫度，且溫度至溫度量測頻率為少於20秒。應需、單次或快速連續取樣之能力允許可在製程期間之關鍵時刻更新EAF操作之數學預測模型的量測策略，且快速連續量測之能力以低成本提供幾乎連續之溫度資料。

在先前技術中存在諸多安裝在各種煉鋼槽中之溫度量測裝置，其利用永久光學光導將輻射聚焦至光學偵測器。此先前技術之實例可在JP-A 61-91529、JP-A-62-52423、US 4468771、US 5064295、US 6172367、US 6923573、WO 98/46971 A1 and WO 02/48661 A1中發現。此先前技術之共同性係光學引導係永久的且係由於對使用複雜安裝保護免受損壞之此需要。該等保護方式可包括氣體吹掃以冷卻該總成或去除金屬免於與光學元件實體接觸，藉由內襯於煉鋼槽中而相對永久或略微易蝕之保護性殼層，及光波長及強度之複雜發射率校正以測定準確溫度。

由JP-A-08-15040揭示者闡述將可消耗光纖饋送至液體金屬中之方法。可消耗光纖(諸如JP-A-62-19727中所揭示者)當浸沒至熔融金屬中達可預測深度時接收在黑體條件下自熔融金屬發射之輻射光，以致使用安裝在經浸沒可消耗光纖之相對末端處之光電轉換元件，可利用輻射強度來測定熔融金屬之溫度。在P.Clymans，「Applications of an immersion-type optical fiber pyrometer」中簡明詳述之先前技術科學原理為光纖必須浸沒於達成黑體條件之深度下。使用可消耗光纖及將較長長度之捲材饋送至預定深度所必需之設備連續量測熔融金屬為本技術領域內所熟知，例如EP 0806640 A2及JP-B-3267122。在將可消耗光纖浸沒至較高溫度金屬中之嚴苛工業環境中或在金屬以及熔渣覆蓋物之存在下，已證實因光纖隨著其溫度升高而存在之固有弱點，難以在應進行量測之時段期間內維持預定深度。因此有必要利用額外保護來保護已經金屬覆蓋之光纖，該額外保護諸如氣體冷卻(JP-A-2000-186961)、鋪設在金屬覆蓋之光纖上之額外複合材料(EP 655613 A1)、絕緣覆蓋物(JP-A-06-058816)或額外金屬覆蓋物(US 5163321及JP-B- 3351120)。

上文對高溫使用之改良有顯著增加可消耗光纖總成之成本來提供連續溫度讀數之缺點。儘管與在EAF中量測較高溫度時所遇到之條件不完全相同，但JP-B-3351120可用於瞭解光纖之消耗速度。在所揭示實例中，使用自線圈饋送光纖之極為複雜的機械裝置。該線圈係由經額外3mm厚之不銹鋼管再次覆蓋之經金屬覆蓋之光纖所組成。建議用於在鼓風爐出鋼流之鐵中之連續溫度量測之經改良溫度準確度的所揭示計算結果為驚人之500mm/s。光纖及其包封不銹鋼外管之成本對於以此建議饋送速率消耗係甚為昂貴。

連續溫度量測之實際經濟性取決於消耗可能之最少量之光纖同時仍獲得連續資訊之益處。將光纖帶至量測點且暴露最少量之光纖係闡述於US 5585914及JP-A-2000-186961中，其中藉助可安裝在爐壁中並藉助其注射氣體之永久噴嘴饋送單一之經金屬覆蓋之光纖。儘管該等裝置可將光纖成功遞送至量測點，但其因阻塞及連續維持而變成負擔。在饋送模式之各階段，需要振動來防止光纖焊接至噴嘴。若埠因氣壓不足而阻塞或關閉，則在不能恢復之情況下終止量測直至修復噴嘴為止。EP 0802401 A1利用一系列安置在提供用於解決何者問題曾防止光纖穿過噴嘴之工具組之可移動輸送架上之沖模桿及引導管解決爐之阻塞開口的問題。然而，該等係開啟無法獲得量測資料之關閉通路埠之策略。在阻塞該等埠後，不能獲得溫度資料，此可在煉鋼製程中之重要時刻發生。

因進一步增加量測成本及浸沒設備之複雜性之連續饋送光纖而產生額外問題。若浸沒類型光纖保持防熱及污染或以高於其降級速率之速率更新，則其僅維持其光學品質，且因此返回及準確溫度。在黑體條件下準確獲得浸沒於熔融鋼中之部分之浴溫度之光學信號。然而，上文之其餘未浸沒部分必須保留完美光導。在高溫下，將發生光纖之失透，光之透射率降低且隨降低之強度而變之溫度誤差增加。JP-A-09-304185及US 7891867揭示饋送速率方法，其中光纖消耗之速度必須高於失透之速率，從而確保總能獲得新鮮光纖表面。簡單實驗室測試展示，在極短時期(在低於1580℃之溫度下約1.0s且當在1700℃下浸沒時僅0.1s)期間光學信號保持穩定。儘管較低溫度金屬之溶液，但高溫測試之以大於失透速率之速度饋送光纖之速度對於簡單金屬覆蓋之光纖甚為昂貴。在於EAF之嚴苛條件下量測高溫之情形下，亦以與光纖相同之速率消耗先前技術揭示之額外保護方法。此對於上文所提及之雙重覆蓋光纖而言變得禁止性地昂貴。

JP-A-2010-071666揭示用於使用氣密環境及在吹管與光纖之間具有氣密密封之量測吹管之熔融金屬量測之光纖溫度量測裝置。

本發明之工作與先前教示不同，其傾向於提供點量測而非連續量測。本發明發明適於以足夠高之取樣頻率利用以滿足EAF熔融製程之數學模型之更新要求同時解決在嚴苛環境中與浸沒光纖相關之問題之溫度量測之低成本解決方案。本發明提供由以下構成之幾乎連續溫度量測輸出：將光纖穿過熔渣覆蓋浸沒至熔融金屬中而不先接觸熔渣、藉由受控饋送在量測時期期間維持預定浸沒深度、在EAF內部之高環境熱中保護未浸沒部分免於失透、在量測後去除並重新捲起未使用光纖、在重新捲起後量測浴液面，及用於重複總是複製初始起始條件之量測製程之浸沒設備。

本發明解決之問題係改良已知方法及裝置。向EAF操作者提供最佳且最新之熔融金屬溫度資訊應滿足以下要求：-代表塊體金屬之準確溫度，-與爐傾斜無關之固定浸沒深度，-可連續或幾乎連續獲得，-用於浸沒深度調整之浴液面測定。

該問題由根據獨立技術方案之裝置解決。

用於利用光纖量測熔體、特定而言熔融金屬之溫度之方法之特徵為藉助可棄式引導管將光纖饋送至熔體中，且其中將光纖及可棄式引導管之浸沒末端二者均以饋送速度浸沒至熔體中，其中兩個饋送速度彼此獨立。較佳地，在浸沒之第一期將可棄式引導管及光纖浸沒至熔體中且在第二期將光纖以比可棄式引導管高之速度且更深地浸沒至熔體中。較佳地，第二期在將可棄式引導管之浸沒末端浸沒至熔體中後開始。此外，較佳地，在浸沒之第三期停止光纖或將其自熔體抽出。

在本發明之有利實施例中，可棄式引導管及/或光纖之速度在浸沒期間係變化的。此外，有利地以不等速度移動光纖及可棄式引導管。有利地除溫度以外亦測定熔體之上表面。

用於量測熔體、特定而言熔融金屬之溫度之本發明裝置包括光纖及(較佳地可棄式)引導管，該引導管具有浸沒末端及與該浸沒末端相對之第二末端，該裝置之特徵在於該光纖係部分地配置於該可棄式引導管中，藉以該引導管之內徑係大於該光纖之外徑，藉以第一塞或該引導管之直徑之縮減件係配置於該引導管之該浸沒末端處或該引導管內接近該管之該浸沒末端處，以及藉以第二塞可配置於該引導管之該第二末端處或該引導管內接近該管之該第二末端處，藉以該光纖係穿過該等塞或該引導管之該直徑之該縮減件饋送以及藉以該引導管之該第一塞及較佳地亦該第二塞或該引導管之該直徑之該縮減件減少或甚至閉合該光纖與該引導管之間的間隙。該引導管之該直徑之該縮減件另一選擇係亦可被理解為該管在其浸沒末端處或接近其浸沒末端處之剖面積之縮減件。該引導管較佳地可為可棄式，此意謂其(例如，在被損壞之情況下)可容易地被替換而不必使用工具。較佳地，間隙之面積係減少至小於2mm²，更佳小於1mm²。甚至可閉合該間隙。較佳地，該等塞中之一者或兩者係有彈性的，更佳地具有彈性材料。進一步較佳係地，該第一塞之浸沒末端或該引導管之該直徑之該縮減件距該引導管之該浸沒末端之距離(在該第一塞配置於該引導管中之情況下)係不大於該引導管之該內徑的5倍。若該第二塞配置於該引導管中，則其配置於該第一塞或該引導管之該直徑之該縮減件與該引導管之該第二末端之間。

較佳地，至少該第一塞(或該第一塞及該第二塞)至少在其浸沒末端處具有錐形形狀，藉以該塞之壁厚度朝向該浸沒末端減少。其可具有至少該第一塞之該內徑朝該浸沒末端減少之優點。

較佳地係該裝置進一步包括光纖線圈及用於饋送該光纖及該引導管之饋送機構，藉以該饋送機構包括至少兩個獨立饋送馬達，一個用於饋送該光纖且一個用於饋送該可棄式引導管。較佳地，該裝置之特徵在於該等饋送馬達各自與個別的速度控制件組合。

此外，本發明係關於在先前說明所定義之方法中使用如前文所闡述之裝置之方法。

本發明係用於獲得在EAF中控制煉鋼之最後處理步驟所需要之溫度量測。為可用於此目的，該裝置必須：

-以提供準確製程模型及操作者資訊之關於出鋼之更新之取樣頻率提供準確溫度量測

-中間量測提供最低成本

-代表金屬溫度之金屬量測位置

此係藉由以下裝置來完成：

總是連接至儀器之連續溫度量測元件(亦即，光纖)

-總是可用

-不損失等待連接之可用性

-於金屬及熔渣中之快速反應時間-低接觸時間

-低成本

外金屬管

-在朝向浴快速加速期間支撐光纖-避免自金屬彎曲

-保證光纖進入金屬-避免朝向熔渣向上偏轉

-使光纖免於接觸液體熔渣-避免污染

-使光纖之未浸沒部分保持涼爽-避免失透

-為保持抽出光纖之筆直度之引導-製備光纖用於下一次使用

-為可棄式的-每次使用新的筆直段-保證尺寸

-氣塞包封管內之氣體體積-允許在管內形成正壓力

-具有容納非理想光纖末端之撓性。

使用如下機器將光纖浸沒於鋼浴中超過足夠長之長度：

-安裝在EAF側壁上

-具有較佳20s之循環時間

-始終監測光纖之末端之位置-直接及間接使用編碼器及感應位置裝置

-重新磨光外管及氣塞並將光纖安置於內部並穿過二者

-將所用外管及氣塞噴射至EAF中，同時將未使用光纖重新捲起

-能夠+2000mm/s饋送且幾乎瞬間減速。

-以不同速度將光纖及外管插入至EAF中

-可逆及獨立可逆驅動能力(在相對方向上移動)。

-用於光纖之去捲繞及重新捲起之動量補償致動器

-用於溫度及浴液面偵測之遠程儀器。

US5585914認定間歇性光纖饋送提供間歇性溫度。當應需溫度可用性足以引導冶金製程時，則連續溫度之要求變得無法由該等資料之技術需求支援。

在以上揭示內容中，闡述10s 10mm/s饋送及20s休止時間對於 LD製程係適當的。在休止時間期間，必須振動光纖以防止外夾套焊接至噴嘴。在饋送及等待時間二者期間，藉助噴嘴吹掃氣體，該噴嘴之直徑依照外部光纖夾套之OD固定在1.8mm與4.2mm之間。一系列含於供應有油之殼體中之橡膠塞所含吹掃氣體流動穿過此噴嘴。

EP 0802401 A1亦利用透過經氣體吹掃之引導管或用於保護光纖之延伸(但未浸沒)部分之目的之「延伸構件」饋送的光纖提供2s至3s持續時間之應需溫度讀數。該等外管二者均非可消耗的。裝配浸沒機器以切掉光纖之失透部分，故每4次至5次浸沒呈現新鮮表面。

JP-B-3351120揭示具有額外可消耗外金屬管之連續饋送金屬覆蓋之光纖，二者同時饋送至金屬中。亦闡述饋送機器。JP-B-3351120之可消耗保護性管連續存在於光纖外側，猶如其為光纖之整體部分一般。本發明利用與光纖分開且不同之可棄式外管。不能在不亦饋送光纖之情況下饋送JP-B-3351120之外金屬管。額外外金屬管與光纖之分開在本發明中很明顯。其亦提供其他問題之解決方案。儘管EP 0802401 A1認識到需要延伸或引導管幫助浸沒光纖，但引導管未完全延伸至金屬表面。其並非可浸沒的且非可棄式的且正因如此光纖從不完全安全。

在實踐中，可與噴嘴一樣處理其且二者均遭受阻塞之問題。實際上，所闡述之噴嘴及引導管二者均具有額外機構來避免其孔因材料導入而阻塞。先前技術明確認識到吹掃氣體防止熔渣/鋼形式進入饋送光纖之噴嘴之重要性。由於該等噴嘴並非可棄式的，故將吹掃氣體密封在引導管與浸沒末端之間之方法係利用油之典型永久密封。

在本發明中，具有至少一個(較佳地係可棄式)氣體塞之可棄式外管提供充分密閉系統。該系統可使用已存在於管中之氣體在第一塞後面或較佳地兩個塞之間的熱膨脹，而非添加外部吹掃氣體，藉此解決先前技術中固有之吹掃氣體供應問題。在EP 0802401 A1中，引導或延伸管不接觸金屬。其開口末端在加熱氣體膨脹期間不能提供加壓。在US 5585914之永久包封空間中，一旦氣體膨脹，其可不再提供金屬導入之置換。在JP-B-3351120中，外管與光纖之間之空間長度有限且因氣體之可壓縮性而不能用於提供浸沒末端處氣體之加熱膨脹。自吹掃外管之獨特性僅可在外管之可棄性之概念下係可能的。本發明之此特徵在整個先前技術中係獨特的。其並不明顯，此乃因先前技術一直在解決與自連續饋送光纖持連續量測相關之問題。

該裝置係如以下藉助實例闡述。圖1展示先前技術可消耗光纖10，其在量測液體金屬中常用，其包括光纖、覆蓋光纖之夾套及覆蓋塑膠夾套之表面之保護性金屬管。光纖10通常為由石英玻璃製成之梯度折射係數多模態光纖，其具有直徑為62.5μm之內部核心11及直徑為125μm之外部護套12，外部護套12覆蓋有聚醯亞胺或類似材料13。保護性金屬管14通常為1.32mm外徑(OD)及0.127mm壁厚度之不銹鋼。儘管金屬覆蓋光纖較佳，但其中14及/或13由單一塑膠材料替代之額外實施例不背離預期發明。

圖2a展示如自捲軸20透過貼附至外部可棄式引導管40之第一氣體保持彈性塞32饋送之金屬塗覆光纖10之前導區段10’。第一氣體保持塞32接近管40之浸沒末端50。

圖2b展示如自捲軸20透過貼附至外部可棄式引導管40之相對浸沒末端50之第二氣體保持彈性塞30饋送之金屬塗覆光纖10之前導區段10’。第一氣體保持塞32接近管40之浸沒末端50。

光纖10及外部可棄式引導管40並非處於固定配置中且由此可彼此獨立地移動，且因此其可以不同速度獨立地穿過熔渣層51插入至熔融浴52中，同時維持塞30與塞32之間的氣體體積31。可棄式引導管40較佳地係具有0.8mm至1mm之壁厚度之低碳鋼，但其可選自多種金屬材料以及陶瓷及玻璃、硬紙板及塑膠或材料之組合。在可棄式引導管40係選自與熔融浴反應之材料之情形下，以其藉由施加本技術領域內已知用於減少飛濺之目的之材料之塗層或覆蓋物來不將熔融金屬飛濺於可棄式引導管40之內側之方式製備浸沒部分50係可取的。

將末端開口之外部可棄式引導管40在無塞30之情況下穿過熔渣層51浸沒於鋼中將導致在此管中導入熔渣及鋼。由精煉製程產生之熔融熔渣富含氧化物，諸如容易吸收至光纖結構中之氧化鐵。透過含有熔渣及鋼之外部可棄式引導管40饋送之光纖10將在達到外部可棄式引導管40之開口末端之前受到損壞。對於2m長、浸沒深度為30cm且在兩個末端處開口之較佳外部可棄式引導管40，於外部可棄式引導管40內側熔融材料之湧升流可高達30cm。在末端封閉之外部可棄式引導管40之情形下，湧升流將為大約16cm。此係忽略將因溫度升高而經歷膨脹之包封空氣之氣體膨脹來計算。測試展示鋼導入可藉由減少外部可棄式引導管40之內徑(ID)與光纖10金屬覆蓋物之OD之間之空氣間隙來降至最小。極佳地將此間隙減少至最小值，然而，實際上對於ID為10mm之管，此間隙應小於2mm²，較佳小於1mm²。甚至可閉合該間隙。具有較小ID之管因包封空氣之較快加熱速率將允許較大間隙。

本發明之較佳特徵中之一者係利用含於固定於可棄式引導管40上或內之氣體保持塞對之間的氣體體積之熱膨脹避免熔融體導入。使用彈性塞30及32以特定密封品質有效地密封與浸沒末端相對之末端將在浸沒期間保持與液體鋼之填充壓力相反之正壓力，因此保持可棄式引導管40透明。儘管如此，任何在浸沒之同時在可棄式引導管40中形成超壓力之方式亦避免鋼導入，諸如在最低溫度下為蒸氣之材料之內塗層，諸如鍍覆塗層(例如，Zn)。關於產生正壓力在外部可棄式引導管40中之突出概念係避免金屬、熔渣或其他污染物在可棄式引導40管內側之湧升流及浸入，湧升流及浸入可阻礙光纖10自由饋送。

塞30與塞32具有透過具有小於光纖之外徑之直徑(非操作性)之孔之饋送，且應具適合彈性以便補償由先前浸沒引起之不理想光纖末端。熱彈性材料Santoprene(Santoprene係Exxon Mobile之商標)係已發現在量測之持續時間期間保持彈性及驚人完整性兩者之此類材料。然而，其亦可係不同材料，諸如木材或另一適合塑膠。在較佳實施例中，以每一外部可棄式引導管40替代塞30及32。每一替代確保適當密封，然而，此塞30可以諸如與多個外部可棄式引導管一起再使用之方式構造並作為維護材料來更換。圖2b、圖2c中之塞30在外部可棄式引導管40之終端處之較佳位置係經選擇便於施加。然而，將塞30放置於較靠近浸沒末端處同樣係可接受的。圖2b中之塞30與塞32之設計有助於其放置於可棄式引導管40之最末端處，該等最末端展示擱置於管末端上之唇部。其他構形以及模製或壓刻於塞之外部表面上以輔助藉由突出部或黏接劑之塞至管40之固定之構件係可能的。塞32之確切實施例應反映其位置之放置、定位及固定之容易性且不背離塞限制外管中之空氣逃逸之主要目的，從而確保內壓之累積。圖2c展示氣體保持塞32接近管40之浸沒末端之替代位置。在此實施例中，管40之浸沒末端與光纖自塞32離開之位置之間的較佳距離係不大於管40之內徑的5倍。與塞32之浸沒末端相反，該塞之內部輪廓朝向管40之內壁漸細，使得塞32在其最末端處之厚度不大於光纖之直徑的三分之一，因此確保在饋送期間朝向浸沒末端之一致引導。塞32亦可構形有模製或壓刻於塞之外部表面上以輔助塞藉由突出部或黏接劑至管40之固定之構件。塞具有錐形形狀，藉以塞之壁厚度朝向浸沒末端減少。

類似於圖2c，可使用引導管40在其浸沒末端處或靠近於其浸沒末端處之直徑或剖面積之縮減件(圖3)而非塞32。

在鋼管中浸沒之同時在鋼管中之鋼導入隨以下而增加：

-浸沒深度之增加

-管長度之增加

-空氣間隙(在另一末端處)之增加

-較低浴溫度

-較厚壁厚度

-鋼浴之較高氧含量。

在圖4中闡述該浸沒裝置。機器100以對準塞30與塞32至外部可棄式引導管40之裝配之方式經適合地構造及用儀器裝備，因此光纖10可穿過塞30插入至外部可棄式引導管40之內部中且僅退出塞32。儘管如此，管40以及塞30及32可在不背離本發明之範疇之情況下預裝配及裝載於機器100上。外部可棄式引導管40與光纖10兩者透過適合通路面板80穿過EAF之側壁以大約3000mm/s饋送。此等面板80不係機器100之部分。機器100具有獨立的100%可逆驅動或饋送馬達25、45。馬達25驅動光纖10且馬達45驅動可棄式引導管40，使得外部可棄式引導管40在任一方向上之速度與光纖10在任一方向上之速度無關。

機器100能夠將光纖10以小於、等於或高於外部可棄式引導管40之速度之速度獨立饋送至浴中。較佳地，光纖10饋送得較快，以使得外部可棄式引導管40之浸沒末端50及光纖10之前導區段10’二者大約同時到達金屬之預定表面。在達到浴液面位置後，使外部可棄式引導管40減速至於熔融金屬52中之幾乎靜止位置。光纖10之前導區段10’繼續以約200mm/s經大約0.7s在鋼中緩慢移動得更深。外部可棄式引導管40及光纖10二者以不等速度不斷移動，以避免將兩個金屬表面焊接在一起，從而解決先前技術中所闡述之問題。

光纖10之加速及減速之問題比移動外部可棄式引導管40更複雜。使光纖10自線圈或其線圈重量因光纖消耗而不斷改變之捲軸20不斷去捲曲並重新捲起。饋送機器必須利用額外機構來調適以避免來自線圈或捲軸20自身之彈性彈回效應以及連接至線圈之高溫計之重量。此係藉由使用伺服馬達或饋送馬達25控制光纖移動來解決。一個饋送馬達25處理光纖10之去捲曲及重新捲起並以饋送馬達25可極快加速之方式預饋送光纖10。

可消耗光纖10接收自熔融金屬發射之輻射光，將該輻射光傳達至安裝在捲曲可消耗光纖之相對末端上之光電轉換元件並與相關儀器組合量測輻射之強度，使用此強度來測定金屬之溫度。光纖線圈或捲軸20及儀器隔開一定距離定位，並與EAF分開，但適當強健以抵抗煉鋼環境之嚴苛條件。光纖10之浸沒末端之位置通常已知並貫穿浸沒循環之浸沒、量測及去除部分藉由機器儀器來監測。該機器配備有測定光纖長度之推移之位置編碼器及對位光纖末端之感應開關。

在完成量測後，自鋼以不同速度以光纖10在浴中停留得相對較深之方式抽出可消耗光纖10及外部可棄式引導金屬管40二者。在此移動期間，當與在預定位置之間抽取之光纖10之長度相關時，其能夠根據光強度之變化測定浴液面。量測後浴液面測定隨後用於下一次浸沒。亦預期可在浸沒期間在背離本發明方法之情況下使用文獻中充分闡述之各種技術測定浴液面。

在光纖10離開EAF內部後，屆時將外部可棄式引導管40之方向逆轉朝向爐內部。然後噴射外部可棄式引導金屬管40，安置於爐內部並於其中消耗。定位新的外部可棄式引導管40以及氣塞30及32以接收光纖10用於下一次量測。使其餘光纖10在去除期間重新捲起並返回至起始位置。

本發明之關鍵能力為：

-光纖之準確放線及重新捲起

-光纖末端之偵測

-外部可棄式引導管之裝載

-氣塞之負載及位置

-在起始位置處將光纖引導至氣塞中

-光纖及外部可棄式引導管二者之完全可逆驅動

-光纖及外部可棄式引導管之獨立速度量變曲線

-用於液面偵測之光纖輸出之對位

-可附接至爐殼用於浴液面之傾斜補償

該方法係藉由總循環描述之實例闡述。此概念應帶來無操作者控制EAF。預期最佳操作係快速連續進行多溫度浸沒(約5次)。每一次浸沒為大約2s；總循環時間在單一爐期間應少於20s。

圖5之示意圖給出在量測循環之2次浸沒期間外部可棄式引導管40之浸沒末端50及光纖10之浸沒末端或前導區段10’二者之位置之視圖。對於光纖移動，追蹤光纖之末端位置。

用管移動指示可棄式引導管40之經浸沒末端之位置。氣塞32在管40之浸沒末端處或附近。氣塞30在外部可棄式引導管40之浸沒末端 50之相對處。出於此示意圖之目的，外部可棄式引導管40已經準備至浸沒位置。氣塞30及32已附接至後端且光纖10自氣塞32朝向熔融金屬稍微延伸。展示之相對尺寸係出於描述性目的，理解根據自鋼車間至鋼車間可變化之實際爐大小預測絕對距離。

光纖在外金屬管內之在時間0處之起始位置1設定在熔融金屬/浴液面以上350cm處。外金屬管之浸沒末端在時間0處之起始位置1係定位於浴液面以上150cm處。光纖10係自位置1饋送至位置2，而外部可棄式引導管40保持幾乎靜止。在覆蓋位置2至4之時間0.8s與1.2s之間，光纖10及外部可棄式引導管40二者均前進至正好在熔融熔渣51以上之位置。在1.2s及位置4處，光纖比外部可棄式引導金屬管40前進得略快，穿過熔渣51並進入熔融金屬52中。外部可棄式引導金屬管40變慢，而光纖10以大約200mm/s前進，達到進入浸沒中位置6及1.5s處之最大浸沒。在0.1s內抽取光纖10及外部可棄式引導管40二者。光纖10繼續抽出並重新捲起返回至其負載位置8，而在位置7處逆轉外部可棄式引導金屬管40方向之其餘部分並丟棄。光纖10仍受所丟棄外部可棄式引導管40之其餘部分保護。

10‧‧‧光纖

10’‧‧‧前導區段

11‧‧‧內部核心

12‧‧‧外部護套

13‧‧‧聚醯亞胺或類似材料

14‧‧‧保護性金屬管

20‧‧‧捲軸

25‧‧‧馬達/饋送馬達

30‧‧‧氣塞/塞

31‧‧‧氣體體積

32‧‧‧彈性塞/塞/氣體保持塞

40‧‧‧管/引導管/外部可棄式引導管/外部可棄式引導金屬管/可棄式引導管

45‧‧‧馬達

50‧‧‧浸沒末端

51‧‧‧熔融熔渣/熔渣/熔渣層

52‧‧‧熔融金屬/熔融浴

80‧‧‧面板/通路面板

100‧‧‧機器

在下文中，本發明係藉由實例之方式來闡述。

圖1展示先前技術可消耗光纖

圖2a展示金屬塗覆光纖與引導管之前導區段

圖2b展示金屬塗覆光纖與引導管之替代前導區段

圖2c展示金屬塗覆光纖之另一替代前導區段

圖3展示金屬塗覆光纖與經調適引導管之前導區段

圖4a展示在浸沒光纖之前之浸沒裝置

圖4b展示在浸沒光纖之後之浸沒裝置

圖4c展示具有不同熔體容器(例如，熔融金屬盛桶或漏斗)之圖3b浸沒裝置

圖5展示在浸沒期間外管之浸沒末端及光纖之浸沒末端之位置二者之視圖。