TWI493161B - 用於測量熔融金屬之溫度的方法或裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於用於利用光纖測量熔體、特定而言熔融金屬(例如熔融鋼)之溫度之方法、器件及裝置。
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生產力方面之許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。借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，發弧易於穩定平均功率輸入。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(例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，可使爐側壁暴露至來自弧之高輻射中。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，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，從而產生出於稍後解釋之原因對於製程控制測量而言極獨特且困難之環境。
在許多情況下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
將與浴中之若干組份反應，包括鋁、矽、錳、磷、碳及鐵。所有該等反應係放熱的(即其產熱)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許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之期間之能量效率。
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。該等變量之列表可參見EP 0747492。許多用於控制並預測EAF性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高得多且由此需要無級調速。糾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，熔融金屬之溫度測量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，現利用許多自動熱電偶浸沒機械系統提供熱電偶浸沒，例如自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。
在建立熔融金屬之彙集後，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(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測量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。使用機器人浸沒器件之測量製程要求打開通路艙口(通常熔渣門，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。儘管有必要借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測量時之時期期間使爐內部暴露至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，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及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測量之有用性。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中所指示，一冷點在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。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。
大部分機器人浸沒器件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器件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測量甚為重要，但利用手動或自動吹管獲取之實際溫度測量顯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器件穿過EAF之側壁達可預測熔融鋼浸沒深度之浸沒設備來測量溫度，且溫度至溫度測量頻率為少於20秒。隨選、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測量策略，且快速連續測量之能力以低成本提供幾乎連續之溫度數
據。
在先前技術中存在許多裝載在各種煉鋼槽中之溫度測量器件，其利用永久光學光導將輻射聚焦至光學檢測器。該先前技術之實例可參見JP-A 61-91529、JP-A-62-52423、US 4468771、US 5064295、US 6172367、US 6923573、WO 98/46971及WO 02/48661。此先前技術之共通性為光學引導為永久性的且正因如此需要使用複雜裝載免於損壞。該等保護性方式可包含氣體吹掃以冷卻該總成或去除金屬免於與光學元件物理接觸、因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糾正以測定準確溫度。
由JP-A-08-15040揭示者闡述將可消耗光纖進給至液體金屬中之方法。可消耗光纖(例如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，以使得使用安裝在所浸沒可消耗光纖之相反末端處之光電轉化元件進行之輻射之強度可用於測定熔融金屬之溫度。在P.Clymans,「Applications of an immersion-type optical fiber pyrometer」中簡明闡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曲材料進給至預定深度所必需之設備連續測量熔融金屬為本技術領域內所熟知，例如EP 0806640及JP-B-3267122。在將可消耗光纖浸沒至較高溫度金屬中之嚴酷工業環境中或在金屬以及熔渣覆蓋物之存在下，已證明因光纖隨著其溫度升高而存在之固有弱點，難以在應進行測量之時期期間維持預定深度。有必要利用額外保護來保護已經金屬覆蓋之纖維，例如氣體冷卻(JP-A-2000-186961)、在金屬覆蓋之纖維上分層之額外複合材料(EP 655613)、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具有顯著增加可消耗纖維總成之成本以
提供連續溫度讀數之缺點。儘管與在EAF中測量較高溫度時所遇到之條件不完全相同，但JP-B-3351120可用於充分瞭解光纖之消耗速度。在所揭示實例中，使用自線圈進給光纖之極複雜機械器件。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組成。推薦用於在鼓風爐出鋼流之鐵中之連續溫度測量之經改良溫度準確度的所揭示計算結果為令人驚訝之500mm/s。光纖及其包封不銹鋼外管之成本對於以此推薦進給速率消耗甚為昂貴。
連續溫度測量之實踐經濟性取決於消耗可能之最少量之纖維同時仍獲得連續資訊之益處。將光纖帶至測量點且暴露最少量之纖維係闡述於US 5585914及JP-A-2000-186961中，其中借助可安裝在爐壁中並借助其注射氣體之永久噴嘴進給單一之金屬覆蓋之纖維。儘管該等器件可將纖維成功遞送至測量點，但其因阻塞及連續維持而變成負擔。在進給模式之各階段，需要振動來防止纖維焊接至噴嘴。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測量直至修復噴嘴為止。EP 0802401利用一系列安置在提供用於解決何者問題曾防止纖維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測量數據之關閉通路埠之策略。在阻塞該等埠後，不能獲得溫度數據，此可在煉鋼製程中之重要時刻發生。
因進一步增加測量成本及浸沒設備之複雜性之連續進給光纖而產生額外問題。浸沒類型光纖僅會在假若其保持防熱及污染或以高於其劣化速率之速率更新下，維持其光學品質，且因此傳回準確溫度。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揭示進給速率方法，其中纖維消耗之速
度必須高於失透之速率，從而確保總能獲得新鮮光纖表面。簡單實驗室測試顯示，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。儘管對較低溫度金屬會有解決方案，但對高溫測試，以大於失透速率之速度進給光纖之速度對於簡單金屬覆蓋光纖甚為昂貴。在於EAF之嚴酷條件下測量高溫之情形下，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。
本發明之工作與先前教示不同，其傾向於提供點測量而非連續測量。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酷環境中與浸沒光纖相關之問題之溫度測量之低成本解決方案。本發明提供由以下構成之幾乎連續溫度測量輸出：將光纖穿過熔渣覆蓋浸沒至熔融金屬中而不先接觸熔渣、藉由受控進給在測量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、在測量後重新移動並重新捲曲未使用纖維、在重新捲曲後測量浴液面，及用於重複總是複製初始起始條件之測量製程之浸沒設備。
本發明解決之問題係改良已知方法及器件。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。
用於利用光纖測量熔體、特定而言熔融金屬之溫度之方法之特徵為借助可棄式引導管將光纖進給至熔體中，且其中將光纖及可棄式引導管之浸沒末端二者均以進給速度浸沒至熔體中，其中兩個進給速度彼此獨立。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。有利地繼第三期之後將外部可棄式引導管噴射至熔體中。
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。
用於測量熔體、特定而言熔融金屬之溫度之本發明器件包含光纖及可棄式引導管，該可棄式引導管具有浸沒末端及與浸沒末端相反之第二末端，本發明器件之特徵為光纖係部分配置在可棄式引導管中，其中可棄式引導管之內徑大於光纖之外徑，其中在可棄式引導管之第二末端處或在可棄式引導管內配置彈性塞，其中該光纖係借助彈性塞進給且其中彈性塞減少光纖與可棄式引導管之間之間隙。較佳地，間隙之面積減少至小於2mm2
，更佳小於1mm2
。
本發明亦係關於用於利用光纖測量熔體、特定而言熔融金屬之溫度之裝置，其包含前文所闡述之器件，該器件包含光纖及可棄式引導管，該可棄式引導管具有浸沒末端及與浸沒末端相反之第二末端，其中光纖係部分配置在可棄式引導管中，其中可棄式引導管之內徑大於光纖之外徑，其中在可棄式引導管之第二末端處或在可棄式引導管內配置彈性塞，其中光纖係借助彈性塞進給且其中彈性塞減少光纖與可棄式引導管之間之間隙，該裝置進一步包含纖維線圈及用於進給光纖及可棄式引導管之進給機構，其中進給機構包含至少兩個獨立進給馬達，一個用於進給光纖且一個用於進給可棄式引導管。較佳地，裝置之特徵在於進給馬達各自與單獨速度控制組合。
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測量。為可用於此目的，該器件必須：
‧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測量
‧中間測量提供最低成本
‧代表金屬溫度之金屬測量位置
此係藉由以下器件來完成：總是與連接至該儀器之連續溫度測量元件(即纖維)
‧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纖維-避免自金屬彎曲
‧保證纖維進入金屬-避免朝向熔渣向上偏轉
‧使纖維免於接觸液體熔渣-避免污染
‧使纖維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-製備纖維用於下一次使用
‧為可棄式的-每次使用新的筆直段-保證尺寸
氣塞
‧包封該管-允許在該管內產生背壓
‧具有容納非理想纖維末端之撓性。
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
‧始終監測纖維之末端之定位-直接及間接使用編碼器及感應位
置器件
‧重新磨光外管及氣塞並將纖維安置於內部並穿過二者
‧將所用外管及氣塞噴射至EAF中，同時將未使用纖維重新捲曲
‧能夠+2000mm/s進給且幾乎瞬間減速。
‧以不同速度將纖維及外管插入EAF中
‧可逆及獨立可逆驅動能力(在相反方向上移動)。
‧用於纖維之去捲繞及重新捲曲之動量補償制動器
‧用於溫度及浴液面檢測之遠程儀器。
US5585914認識到間歇性光纖進給提供間歇性溫度。當隨選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數據之技術需求支撐。
在以上揭示內容中，闡述10s 10mm/s進給及20s休止時間對於LD製程係適當的。在休止時間期間，必須振動纖維以防止外夾套焊接至噴嘴。在進給及等待時間二者期間，借助噴嘴吹掃氣體，噴嘴之直徑依照外部纖維夾套之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經由此噴嘴流動。
EP 802401亦利用借助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「延伸方式」進給的光纖提供2s至3s持續時間之隨選溫度讀數。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進給金屬覆蓋之光纖，二者同時進給至金屬中。亦闡述進給機器。JP-B-3351120之可消耗保護性管連續存在於纖維外側，猶如其為纖維之組成部分一般。本發明利用與光纖分開且不同之可棄式外管。不能在不亦進給纖維之情況下進給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
802401認識到需要延伸或引導管幫助浸沒纖維，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/鋼形式進入進給纖維之噴嘴之重要性。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，具有可棄式氣體塞之可棄式外管提供充分密閉系統。此系統可使用氣體之膨脹而非吹掃氣體。在EP 802401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，外管與纖維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。此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進給光纖維持連續測量相關之問題。
該器件係如以下借助實例闡述。圖1.顯示先前技術可消耗光纖10，其在測量液體金屬中常用，其包含光纖、覆蓋光纖夾套之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得之梯度折射係數多模態纖維，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2顯示金屬塗覆光纖10之前導部分10’，如自捲軸20穿過氣體保持彈性塞30所進給，氣體保持彈性塞30黏附至外部可棄式引導管40之相反浸沒末端50。纖維10及外部可棄式引導管40並非呈固定配置，且由此可彼此獨立地移動，且由此可獨立地以不同速度插入穿過熔渣層51並進入熔融浴52中，同時在相反末端維持氣封31。可棄式引導管40較佳為具有0.8mm至1mm之壁厚度之低碳鋼，但可選自各種金屬材料以及陶瓷及玻璃、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在可棄式引導管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，例如容易吸收至光纖結構中之氧化鐵。借助含有熔渣及鋼之外部可棄式引導管40進給之纖維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將為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。測試顯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
。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。
本發明之一較佳特性係利用可棄式引導管40中所含氣體之膨脹來避免熔融導入。使用彈性塞30有效密封與具有一定密封品質之浸沒末端相反之末端將確保氣體將在浸沒期間自浸沒末端湧出從而保持可棄式引導管40清潔。儘管如此，任何在浸沒之同時在可棄式引導管40中產生超壓力之方式亦避免鋼導入，例如在最低溫度下為蒸氣之材料之內塗層。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管內之湧升流及浸入，湧升流及浸入可阻礙光纖10自由進給。
塞30應具有適宜彈性以補償由先前浸沒導致之非理想光纖末端。在較佳實施例中，以每一外部可棄式引導管40替代塞30。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物料來更換。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置於更接近浸沒末端處係同樣可接受的，且將在浸沒期間完成優越超壓力從而幫助無錯浸沒光纖10。塞30之設計有助於其放置在顯示位於管末端之端緣之可棄式引導管40之極端處。可有其它組態。塞30之確切實施例應反映其位置之佈置及定位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。
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。
浸沒器件係闡述於圖3中。機器100係經適當構造並以將總成塞30與外部可棄式引導管40對準之方式裝備，故光纖10可插入穿過塞30進入外部可棄式引導管40之內部。外部可棄式引導管40及光纖10二者係以大約2000mm/s進給穿過EAF之側壁並穿過適宜通路板80。該等板80並非機器100之一部分。機器100具有獨立的100%可逆驅動或進給馬達25、45。馬達25驅動光纖10且馬達45驅動可棄式引導管40，以使得外部可棄式引導管40在任一方向上之速度均與光纖10在任一反向上之速度無關。
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之速度之速度獨立進給至浴中。較佳地，光纖10進給得較快，以使得外部可棄式引導管40之浸沒末端50及光纖10之前導部分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之前導部分10’繼續以約200mm/s在鋼中緩慢移動得更深並持續大約0.7s。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纖維消耗而不斷改變之捲軸20不斷去捲曲並重新捲曲。進給機器必須利用額外結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2個伺服馬達或進給馬達25、45控制纖維移動來解決。
一個進給馬達25處理纖維10之去捲曲及重新捲曲並以進給馬達25可極快加速之方式預進給纖維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反末端上之光電轉化元件並與相關儀器組合測量輻射之強度，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酷條件。光纖10之浸沒末端之定位通常已知並貫穿浸沒循環之浸沒、測量及去除部分藉由機器儀器來監測。該機器裝配有測定纖維長度之推移之位置編碼器及對位纖維末端之感應開關。
在完成測量後，自鋼以不同速度以光纖10在浴中停留得相反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。測量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，處置於爐內部並於其中消耗。安置新的外部可棄式引導管40及氣塞30以接收光纖10用於下一次測量。使其餘光纖10在去除期間重新捲曲並返回至起始位置。
本發明之關鍵能力為：
‧纖維之準確放線及重新捲曲
‧纖維末端之檢測
‧外部可棄式引導管之負載
‧氣塞之負載及位置
‧在起始位置處將纖維引導至氣塞中
‧纖維及外部可棄式引導管二者之完全可逆驅動
‧纖維及外部可棄式引導管之獨立速度特徵
‧用於液面檢測之纖維輸出之對位
‧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。此概念應使吾人無操作者控制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4之示意圖給出在測量循環之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之浸沒末端或前導部分10’二者之位置之視圖。對於纖維移動，吾人追蹤纖維之末端位置。
利用管移動吾人指出可棄式引導管40之浸沒末端之位置。外部可棄式引導管40之浸沒末端50之對面係氣塞30。出於此示意圖之目的，外部可棄式引導管40已準備好浸沒位置。氣體塞30已附接至後端且光纖10正好在氣塞30之內側。所顯示之相反尺度係出於描述性目的，應理解為根據在自鋼工廠之間可變之實際爐大小斷定絕對距離。
纖維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進給至位置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，纖維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孔外部可棄式引導管40二者。光纖10繼續抽出並重新捲曲返回至其負載位置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
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‧‧‧進給馬達
30‧‧‧彈性塞
40‧‧‧外部可棄式引導管
45‧‧‧進給馬達
50‧‧‧浸沒末端
51‧‧‧熔渣層
52‧‧‧熔融浴/熔融金屬
80‧‧‧通路板
100‧‧‧機器
在下文中，本發明係藉由實例之方式來闡述。
圖1 顯示先前技術可消耗光纖
圖2 顯示金屬塗覆光纖之前導部分
圖3a 顯示在浸沒光纖之前之浸沒器件
圖3b 顯示在浸沒光纖之後之浸沒器件
圖3c 顯示具有不同熔體容器(例如熔融金屬盛桶或漏斗)之圖3b浸沒器件
圖4 顯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。
10‧‧‧光纖
20‧‧‧捲軸
25‧‧‧進給馬達
30‧‧‧彈性塞
40‧‧‧外部可棄式引導管
45‧‧‧進給馬達
50‧‧‧浸沒末端
51‧‧‧熔渣層
52‧‧‧熔融浴/熔融金屬
80‧‧‧通路板
100‧‧‧機器
Claims (13)
- 一種用於利用光纖測量熔體之溫度、特定而言測量熔融金屬之溫度之方法，其中借助可棄式引導管將該光纖進給至該熔體中，且其中將該光纖及該可棄式引導管之浸沒末端二者均以進給速度浸沒至該熔體中，其中兩個進給速度彼此獨立。
- 如請求項1之方法，其中在浸沒之第一期將該可棄式引導管及該光纖浸沒至該熔體中，且在第二期將該光纖以比該可棄式引導管高之速度且更深地浸沒至該熔體中。
- 如請求項2之方法，其中該第二期在將該可棄式引導管之該浸沒末端浸沒至該熔體中後開始。
- 如請求項3之方法，其中在浸沒之第三期停止該光纖或將其自該熔體抽出。
- 如請求項4之方法，其中繼該第三期之後將該外部可棄式引導管噴射至該熔體中。
- 如請求項1至5中任一項之方法，其中該可棄式引導管及/或該光纖之速度在浸沒期間係變化的。
- 如請求項1至5中任一項之方法，其中以不等速度移動該光纖及該可棄式引導管。
- 如請求項1至5中任一項之方法，其中除該溫度外，亦測定該熔體之上表面。
- 一種用於測量熔體之溫度、特定而言測量熔融金屬之溫度之器件，其包含光纖及可棄式引導管，該可棄式引導管具有浸沒末端及與該浸沒末端相反之第二末端，其中該光纖係部分配置於該可棄式引導管中，其中該可棄式引導管之內徑大於該光纖之外徑，其中在該可棄式引導管之該第二末端處或在該可棄式引 導管內配置彈性塞，其中該光纖係借助該彈性塞進給且其中該彈性塞減少該光纖與該可棄式引導管之間之間隙，以避免光纖黏在該可棄式引導管上及避免熔融金屬湧入該可棄式引導管。
- 如請求項9之器件，其中該間隙之面積係減少至小於2mm2 、較佳小於1mm2 。
- 一種用於利用光纖測量熔體之溫度、特定而言測量熔融金屬之溫度之裝置，其包含如請求項9或10之器件，該器件包含光纖及可棄式引導管，該可棄式引導管具有浸沒末端及與該浸沒末端相反之第二末端，其中該光纖係部分配置於該可棄式引導管中，其中該可棄式引導管之內徑大於該光纖之外徑，其中在該可棄式引導管之該第二末端處或在該可棄式引導管內配置彈性塞，其中該光纖係借助該彈性塞進給且其中該彈性塞減少該光纖與該可棄式引導管之間之間隙，該裝置進一步包含纖維線圈及用於進給該光纖及該可棄式引導管之進給機構，其中該進給機構包含至少兩個獨立進給馬達，一個用於進給該光纖且一個用於進給該可棄式引導管。
- 如請求項11之裝置，其中該等進給馬達各自與單獨速度控制組合。
- 一種在如請求項1至8中任一項之方法中使用如請求項11或12之裝置之方法。
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