TWI640755B - 用於測量熔融金屬溫度的溫度測量裝置與溫度測量方法 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露了一種用於測量熔融金屬溫度的溫度測量裝置和溫度測量方法。溫度測量裝置包括感溫元件、支撐管、連接管和排風結構，感溫元件為一端封閉另一端開口的金屬陶瓷管，金屬陶瓷管伸入熔融金屬內時基於黑體空腔原理能夠感知熔融金屬的溫度並發射穩定的熱輻射能；金屬陶瓷管的開口端與支撐管的一端固定連接且金屬陶瓷管的內部與支撐管的內部連通，支撐管的另一端與連接管固定連接；排風結構用於排出金屬陶瓷管和支撐管內部的煙氣。在熔融金屬測溫時，使溫度測量裝置插入熔融金屬的深度應大於等於金屬陶瓷管的外徑的8倍。本發明能夠以較快的回應速度實現對熔融金屬溫度的連續測量。
Description
本發明涉及溫度測量技術領域，特別涉及一種用於測量熔融金屬溫度的溫度測量裝置與溫度測量方法。
在冶金行業，生產時需要對熔融金屬(如鋼水，鐵水)的溫度進行即時連續測量，這對於提高金屬品質和生產效率、降低能耗具有重要意義。
現有技術中對熔融金屬進行溫度測量通常採用鉑銠熱電偶加保護管的測溫方式。採用該測溫方式測量熔融金屬溫度時，將熱電偶放置於保護管中，然後將保護管連同內部的熱電偶插入熔融金屬中，實現對熔融金屬溫度的連續測量。由於鉑銠熱電偶價格昂貴，導致測量成本過高。
公告號為US6846105B2的美國專利揭露了一種對鋼水的溫度進行連續測量的方法和測溫管。該測溫管由兩個套在一起的一端開口、一端封閉的管體組成。使用時，將管體插入鋼水中一定深度，待插入鋼水的部分管體內外達到熱平衡後，插入鋼水的部分的內部形成等溫的黑體空腔，通過測溫儀測量空腔的熱輻射可以計算出鋼水的溫度。
根據傳熱分析和黑體空腔理論，由於對測溫管的結構和測溫管插入到鋼水中的深度作出了一定的限定，該測溫管底部的內部能夠實現穩定的黑體空腔輻射，其有效發射率接近於1，從而保證了輻射測溫的準確性。然而，該專利的技術方案不足之處在於測溫回應速度慢。該測溫管管體採
用內外兩層結構，外層為鋁碳耐火材料管體A1，內層為剛玉或氧化鋯等材料管體A2，如第1圖所示，導致回應速度慢。另外，外層鋁碳耐火材料管體的強度較低、氣孔率較高，為了滿足測溫管的強度和使用壽命要求，需製作成較大壁厚(壁厚d1約為20mm~35mm)和較大尺寸的結構，這也加劇了測溫回應的滯後程度°所以，這種結構的管體從插入鋼水到測出溫度的回應時間長達5min~10min，使得該測溫管目前用於中間包測溫，而無法滿足連鑄開澆、精煉和轉爐等連續測溫對測溫裝置的快速回應特性的要求。
公開號為CN102221408A的中國發明專利申請揭露了一種鋼水連續測溫用紅外測溫管及其組分、製備方法。該專利申請揭露的測溫管管體的內孔為階梯孔，一導熱塊鑲嵌在測溫管管體下端較大的孔中，連接管固定在測溫管管體上端。測溫管管體為鉻剛玉質耐火澆注料，導熱塊為鋁碳質材料。通過導熱塊的快速傳熱實現鋼水溫度的快速測量。該專利的技術方案的不足之處在於，當測溫管管體剛插入鋼水時，導熱塊與周圍管體形成的空腔由於材料不同，熱物性參數不同，形狀及尺寸不同，會存在顯著的非等溫分佈，該非等溫分佈及導熱塊表面發射率的不確定性將導致測量結果的不確定性，難以保證測量精度。此外，導熱塊的厚度為20mm，該尺寸的厚度將使得傳熱較慢。經傳熱分析與實驗驗證，該厚度的測溫回應時間約為5min，難以達到快速回應的目的。
公開號為CN1936524A的中國發明專利申請揭露了一種具有連續測溫功能的中間包塞棒。該專利申請揭露具有測溫功能的塞棒是在現有的塞棒上安裝有測溫裝置。該專利所述的現有塞棒通常採用鋁碳、鎂碳或鋯碳材料，如第2圖所示，該專利所述的測溫裝置為S型或B型熱電偶，或輻射測溫裝置。該專利的技術方案的不足之處在於，其採用現有塞棒作為溫度感知部件，為抵禦中間包鋼水出口的強沖刷，塞棒的壁厚d2需達到約
60mm~100mm，將導致顯著的測溫響應滯後，經傳熱分析及實驗測試，測溫回應時間將達到20min以上，難以滿足連鑄製程控制的要求。
本發明的目的在於提供一種用於測量熔融金屬溫度的溫度測量裝置與溫度測量方法，旨在提高熔融金屬連續測溫的快速性。
本發明第一方面提供一種用於測量熔融金屬溫度的溫度測量裝置，包括感溫元件、支撐管、連接管和排風結構，該感溫元件為一端封閉另一端開口的金屬陶瓷管，該金屬陶瓷管的壁厚小於該支撐管的壁厚，且該金屬陶瓷管伸入熔融金屬內時該金屬陶瓷管基於黑體空腔原理能夠感知熔融金屬的溫度並發射穩定的熱輻射能；該金屬陶瓷管的開口端與該支撐管的一端固定連接且該金屬陶瓷管的內部與該支撐管的內部連通，該支撐管的另一端與該連接管固定連接；該排風結構用於排出該金屬陶瓷管和該支撐管內部的煙氣。
可選地，該金屬陶瓷管的壁厚d為1.0mm~10.0mm。
可選地，該金屬陶瓷管露出該支撐管的部分的內腔的長度L1與該金屬陶瓷管的內徑Φ0的比值L1/Φ0=1.0~20.0。
可選地，該金屬陶瓷管露出該支撐管的部分的內腔的長度L1與該金屬陶瓷管的內徑Φ0的比值L1/Φ0=1.0~6.0。
可選地，該金屬陶瓷管、該支撐管和該連接管是同軸的。
可選地，該金屬陶瓷管的材料為由金屬粉和陶瓷粉經粉末冶金製成的金屬與陶瓷的複合材料，該複合材料包括W-ZrO2、Mo-ZrO2、Mo-MgO、W-Mo-ZrO2中的一種或多種。
可選地，該金屬陶瓷管的材料包含體積含量為30%~60%的金屬，體積含量為30%~60%的全穩定氧化鋯，體積含量為5%~30%的部分穩定氧化鋯。
可選地，該金屬陶瓷管的外表面設有防氧化層。
可選地，該支撐管的壁厚為15mm~100mm；和/或，該支撐管的長度為200mm~2200mm。
可選地，該排風結構包括排風管和排風孔，該排風管的一端設置於該支撐管的內部並分別與該支撐管的內部、該金屬陶瓷管的內部和該排風孔連通，該排風管的另一端與該連接管的一端連接；該連接管的另一端用於與紅外測溫探頭相連；在測量熔融金屬溫度時，從該連接管吹入的沖洗氣體能夠經過該排風管進入該金屬陶瓷管和該支撐管的內部以將煙氣經過該排風管與該支撐管之間的縫隙和該排風孔吹出。
可選地，該排風管與該金屬陶瓷管臨近的一端距該金屬陶瓷管的開口端的距離L2大於等於30mm。
可選地，該排風孔包括該支撐管上的通孔；和/或，該排風孔包括由該支撐管的內壁上的排風槽與該連接管的外壁構成的通道；和/或，該排風孔包括由該連接管的外壁上的排風槽與該支撐管的內壁構成的通道；和/或，該排風孔包括該連接管上的通孔。
可選地，該支撐管包括中空的塞棒。
可選地，該溫度測量裝置還包括紅外測溫探頭和訊號處理器，該紅外測溫探頭與該連接管同軸連接且用於將接收到的由該金屬陶瓷管發出的熱輻射能轉變為電訊號，該訊號處理器對該電訊號進行處理並計算出熔融金屬溫度。
本發明第二方面提供一種用於測量熔融金屬溫度的溫度測量方法，採用本發明第一方面任一項所述的溫度測量裝置測量熔融金屬溫度，在測量熔融金屬溫度時，使該溫度測量裝置插入熔融金屬的深度大於等於該金屬陶瓷管的外徑的8倍。
基於本發明提供的用於測量熔融金屬溫度的溫度測量裝置與溫度測量方法，根據傳熱分析與黑體空腔理論，由於感溫元件為壁厚薄於支撐管的金屬陶瓷管，能夠實現快速傳熱和穩定的黑體空腔輻射，從而，能夠以較快的回應速度實現對熔融金屬溫度的連續測量。
通過以下參照附圖對本發明的示例性實施例的詳細描述，本發明的其它特徵及其優點將會變得清楚。
A1‧‧‧鋁碳耐火材料管體
A2‧‧‧剛玉或氧化鋯等材料管體
d、d1、d2‧‧‧壁厚
L1‧‧‧長度
L2‧‧‧距離
1‧‧‧金屬陶瓷管
2‧‧‧支撐管
3‧‧‧排風管
4‧‧‧連接管
5‧‧‧排風孔
6‧‧‧紅外測溫探頭
7‧‧‧訊號處理器
8‧‧‧螺母
9‧‧‧中間包
10‧‧‧鋼水
此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：第1圖為先前技術中專利US6846105B2的測溫管的結構示意圖。
第2圖為先前技術中專利CN1936524A的用於測量鋼水溫度的現有塞棒的結構示意圖。
第3圖為本發明第一實施例的用於測量熔融金屬溫度的溫度測量裝置在測量狀態下的結構示意圖。
第4圖為本發明第一實施例的用於測量熔融金屬溫度的溫度測量裝置的測量主體的結構示意圖。
第5圖為本發明第二實施例的用於測量熔融金屬溫度的溫度測量裝置的測量主體的結構示意圖。
第6圖為第5圖所示的溫度測量裝置的測量主體的排風孔的結構示意圖。
第7圖為本發明第三實施例的用於測量熔融金屬溫度的溫度測量裝置的測量主體的排風孔的結構示意圖。
第8圖為本發明第四實施例的用於測量熔融金屬溫度的溫度測量裝置的測量主體的結構示意圖。
第9圖為本發明第五實施例的用於測量熔融金屬溫度的溫度測量裝置的測量主體在測量狀態下的結構示意圖。
第10圖為本發明第五實施例的用於測量熔融金屬溫度的溫度測量裝置的測量主體的結構示意圖。
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本發明及其應用或使用的任何限制。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
除非另外具體說明，否則在這些實施例中闡述的部件和步驟的相對佈置、數位運算式和數值不限制本發明的範圍。同時，應當明白，為了便於描述，附圖中所示出的各個部分的尺寸並不是按照實際的比例關係繪製的。對於相關領域普通技術人員已知的技術、方法和裝置可能不作詳細討論，但在適當情況下，該技術、方法和裝置應當被視為授權說明書的一
部分。在這裡示出和討論的所有示例中，任何具體值應被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實施例的其它示例可以具有不同的值。應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步討論。
為了便於描述，在這裡可以使用空間相對術語，如“在……上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用來描述如在圖中所示的一個裝置或特徵與其他裝置或特徵的空間位置關係。應當理解的是，空間相對術語旨在包含除了裝置在圖中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附圖中的裝置被倒置，則描述為“在其他裝置或構造上方”或“在其他裝置或構造之上”的裝置之後將被定位為“在其他裝置或構造下方”或“在其他裝置或構造之下”。因而，示例性術語“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”兩種方位。該裝置也可以其他不同方式定位(旋轉90度或處於其他方位)，並且對這裡所使用的空間相對描述作出相應解釋。
如第3圖至第10圖所示，本發明提供的用於測量熔融金屬溫度的溫度測量裝置包括感溫元件、支撐管2、連接管4和排風結構。感溫元件為一端封閉另一端開口的金屬陶瓷管1，金屬陶瓷管1的壁厚小於支撐管2的壁厚，金屬陶瓷管1伸入熔融金屬內時基於黑體空腔原理能夠感知熔融金屬的溫度並發射穩定的熱輻射能。金屬陶瓷管1的開口端與支撐管2的一端固定連接且金屬陶瓷管1的內部與支撐管2的內部連通。支撐管2的另一端與連接管4固定連接。排風結構用於排出金屬陶瓷管1和支撐管2內部的煙氣。
由於溫度測量裝置的感溫元件為採用薄壁的金屬陶瓷材料製成的金屬陶瓷管1，其材料具有比先前技術中常用於熔融金屬溫度測量裝置的材
料如鋁碳耐火材料、鎂碳耐火材料和鋯碳耐火材料等更高的強度和緻密性，同時具有優異的抗熱震性和抗侵蝕性，使得傳熱速度顯著提高。在支撐管2和金屬陶瓷管1插入熔融金屬初期，金屬陶瓷管1可快速感知熔融金屬的溫度並發射穩定的熱輻射能，形成線上黑體空腔，從而，能夠以較快的回應速度實現對熔融金屬溫度的連續測量。
可選地，金屬陶瓷管的壁厚為1.0mm~10.0mm。例如，金屬陶瓷管1的壁厚可以為1.0mm、1.5mm、3.0mm、5.0mm、6.5mm、7.0mm、8.5mm、10.0mm等。該壁厚範圍使得金屬陶瓷管的壁厚較薄，從而可以更快地感知熔融金屬的溫度並發射穩定的熱輻射能，更好地實現對熔融金屬溫度的連續測量。而且，合理設置金屬陶瓷管1的壁厚範圍，可以綜合平衡溫度測量裝置的測溫性能、製造成本和使用壽命，使溫度測量裝置的整體性能達到最佳。
可選地，金屬陶瓷管1露出支撐管2的部分的內腔的長度L1與金屬陶瓷管1的內徑Φ0的比值L1/Φ0=1.0~20.0，較佳地，比值L1/Φ0=1.0~6.0。例如，L1/Φ0可以為1、2、3、4.5、7、8.5、10、12、15、17、18.5、19、20等。
經理論計算和實驗驗證可知，若L1/Φ0大於或等於1.0，即滿足線上黑體空腔條件，其空腔的有效發射率接近於1，從而保證了測量的準確性。而對金屬陶瓷管1露出支撐管2部分的長度的上限進行適當的控制利於控制溫度測量裝置的生產成本。
可選地，金屬陶瓷管1、支撐管2和連接管4是同軸的。同軸連接有助於保證測溫光路的對中。
可選地，金屬陶瓷管1的材料為由金屬粉和陶瓷粉經粉末冶金製成的金屬與陶瓷的複合材料，主要成分為W-ZrO2、Mo-ZrO2、Mo-MgO、
W-Mo-ZrO2中的一種或多種。金屬陶瓷具有較高的強度、緻密性和良好抗熔融金屬侵蝕性，還具有較高的熱擴散率，可以製作成薄壁結構，提高溫度測量裝置的回應速度，在金屬陶瓷管1剛插入熔融金屬初期，金屬陶瓷管1可快速形成線上黑體空腔。
可選地，金屬陶瓷管1的材料包含體積含量為30%~60%的金屬，體積含量為30%~60%的全穩定氧化鋯，體積含量為5%~30%的部分穩定氧化鋯。
可選地，金屬陶瓷管1外表面塗有防氧化塗層。防氧化塗層可以防止金屬陶瓷管1在製備和使用程序中的氧化。
可選地，支撐管2的壁厚為15mm~100mm，例如，可以為15mm、30mm、50mm、65mm、80mm、95mm等；和/或，支撐管2的長度為200mm~2200mm，例如，可以為250mm、300mm、500mm、650mm、800mm、950mm、1150mm、1300mm、1500mm、1750mm、1800mm、1950mm、2150mm等。支撐管2有合理的壁厚和/或長度，可以保證溫度測量裝置的整體強度和使用壽命，以及適於在具有不同深度的熔融金屬中測量溫度。
支撐管2的材料可以根據實際需要採用先前技術所使用的鋁碳耐火材料、鎂碳耐火材料、鋯碳耐火材料中的一種或多種製成。
金屬陶瓷管1與支撐管2的連接方式可以根據實際需要設置為密封連接方式。例如，金屬陶瓷管1與支撐管2的連接方式包括螺紋連接、凹槽與凸起配合連接、錐面配合連接或通過高溫結合劑進行黏結等。
可選地，溫度測量裝置的排風結構包括排風管3和排風孔5。排風管3的一端設置於支撐管2的內部並分別與支撐管2的內部、金屬陶瓷管1的內部和排風孔5連通，排風管3的另一端與連接管4的一端連接；連接管4的另一端用於與紅外測溫探頭6同軸相連。在測量熔融金屬溫度時，沖洗氣體
從連接管4吹入，流經排風管3進入支撐管2的內部和金屬陶瓷管1的內部，沖洗氣體將金屬陶瓷管1和支撐管2內部的煙氣經過排風管3與支撐管2之間的縫隙和排風孔5吹出。在溫度測量裝置測溫時，向連接管4內吹入沖洗氣體(例如壓縮空氣，較佳為惰性氣體N2或Ar)，經排風管3內進入，可以將測溫光路上的煙氣吹離，並經排風孔5排出至溫度測量裝置外部，使輻射溫度測量裝置可以更準確地測量溫度。
可選地，排風管3與金屬陶瓷管1臨近的一端距金屬陶瓷管1的開口端的距離L2大於等於30mm。合理設置排風管3的位置，可以有效排出測溫光路上的煙氣，提高溫度測量裝置的測量準確性。
排風孔5的設置可以有多種方式。例如，排風孔5包括支撐管2上的通孔；和/或，排風孔5包括由支撐管2的內壁上的排風槽與連接管4外壁構成的通道，其中，排風槽可選地沿軸向設置；和/或，排風孔5包括由連接管4的外壁上的排風槽與支撐管2內壁構成的通道，其中，排風槽可選地沿軸向設置；和/或，排風孔5包括連接管4上的通孔。
排風孔5的個數可以根據煙氣流量、溫度測量裝置大小等進行設置，例如可以為1、2、3、4、5、6、7、8、10、11、12個等。
連接管4與支撐管2的連接方式可以根據實際需要設置。例如，支撐管2與連接管4的連接方式為錐面配合和銷釘定位；或者，支撐管2與連接管4的連接方式為柱面配合和銷釘定位；或者，支撐管2與連接管4的連接方式為螺紋連接，支援管體2的內部嵌入螺母8，連接管4與螺母8的螺紋配合。
連接管4與排風管3的連接方式可以根據實際需要設置。例如，連接管4與排風管3的連接方式可以為高溫結合劑黏合和銷釘定位。
可選地，支撐管2為中空的塞棒。採用塞棒作為支撐管2，金屬陶瓷管1作為感溫元件的測溫裝置具有兩個優點：一是所測得的溫度比現有測
溫裝置測得的溫度更接近結晶器內鋼水的溫度，對連鑄製程中鋼水的凝固控制更具有參考價值；二是由於感溫元件金屬陶瓷管1的薄壁結構，本實施例的測溫裝置的測溫回應速度較快，回應時間約在90s以內，滿足連鑄製程控制的要求。而若採用鋁碳或鎂碳等材料製作的現有塞棒用於測溫裝置，為抵禦中間包鋼水出口的強沖刷，其底端感溫部分的壁厚需達到約60mm~100mm，將引起顯著的測溫回應滯後，根據理論分析及實驗測試，其測溫回應時間將達到約20min以上，難以滿足連鑄製程控制的要求，不具有可行性。此外，具有塞棒功能的溫度測量裝置兼具鋼水測溫和控制鋼水流量的雙重功能，具有比分別使用溫度測量裝置和塞棒更低的成本。
可選地，溫度測量裝置還包括紅外測溫探頭6和訊號處理器7，紅外測溫探頭6與連接管4同軸連接且用於將接收到的由金屬陶瓷管1發出的熱輻射能轉變為電訊號，訊號處理器7對電訊號進行處理並計算出熔融金屬溫度。
本發明還提供一種用於測量熔融金屬溫度的溫度測量方法，溫度測量方法包括採用前述的溫度測量裝置測量熔融金屬溫度。
可選地，在測量熔融金屬溫度時，使溫度測量裝置插入熔融金屬的深度大於等於金屬陶瓷管1的外徑的8倍。對插入深度做如上限定，能夠實現穩定的黑體空腔輻射，從而保證測溫精度。
可選地，溫度測量方法包括在測溫時使煙氣沖洗氣體從連接管4吹入並流經排風管3，將煙氣經過排風管3與支撐管2之間的縫隙由排風孔5吹出到裝置外部。沖洗氣體可以消除支撐管2高溫時揮發的煙氣，防止煙氣干擾輻射測溫。
採用本發明的溫度測量方法測量熔融金屬的溫度，具有前述溫度測量裝置具有的全部優點。
以下結合附圖對本發明的實施方式進行詳細的描述。
第3圖和第4圖示出了本發明第一實施例的溫度測量裝置的結構。該溫度測量裝置可用於對中間包鋼水溫度進行連續快速測量。
如第3圖和第4圖所示，該溫度測量裝置包括測量主體、紅外測溫探頭6和訊號處理器7。
測量主體包括作為感溫元件的金屬陶瓷管1、支撐管2、連接管4和排風結構。排風結構包括排風管3和排風孔5。
金屬陶瓷管1的頂端為開口端、底端為封閉端。金屬陶瓷管1的內部具有空腔。金屬陶瓷管1的開口端連接於支撐管2的底端。金屬陶瓷管1伸入熔融金屬內時基於黑體空腔原理能夠感知熔融金屬的溫度並發射穩定的熱輻射能。
紅外測溫探頭6用於接收來自金屬陶瓷管1的空腔發出的熱輻射能並將熱輻射能轉變為電訊號輸送至訊號處理7，訊號處理器7對電訊號進行處理，並計算出溫度測量裝置的金屬陶瓷管1所插入的熔融金屬溫度。
本實施例中，金屬陶瓷管1的壁厚為2.5mm，內徑為22.5mm。合理設置金屬陶瓷管1的壁厚範圍，可以綜合平衡溫度測量裝置的測溫性能、製造成本和使用壽命，使溫度測量裝置的整體性能達到最佳。
由於金屬陶瓷管1具有比先前技術中常用測溫管更薄的壁厚和優異的導熱性能，在測量主體剛插入熔融金屬初期，金屬陶瓷管1可快速形成線上黑體空腔，以達到快速回應的目的。
如第4圖所示，金屬陶瓷管1的開口端嵌入到支撐管2的底端的內部並與支撐管2的底端形成密封連接。金屬陶瓷管1與支撐管2同軸連接。本實
施例中，二者通過凹槽和凸台配合連接。這種連接方式可以有效地保證金屬陶瓷管1與支撐管2的同軸度和軸向位置。
本實施例中，金屬陶瓷管1的開口端嵌入到支撐管2的底端的內部，嵌入長度為50mm，未嵌入長度為100mm。
該嵌入長度可以保證金屬陶瓷管1與支撐管2的牢固同軸連接，並且利於控制溫度測量裝置的生產成本。該未嵌入長度滿足形成黑體空腔條件，其空腔的有效發射率接近於1，從而保證了測量的準確性，且利於控制溫度測量裝置的生產成本。
較佳地，金屬陶瓷管1由高導熱、抗鋼水侵蝕和沖刷且具有高強度和緻密性的金屬陶瓷材料製成。本實施例中，金屬陶瓷材料為Mo-ZrO2。其中，形成金屬陶瓷管1的金屬陶瓷材料的金屬相體積含量為50%，部分穩定氧化鋯體積含量為15%，穩定氧化鋯體積含量為35%。
金屬陶瓷材料不僅具有較高的強度、緻密性和良好抗熔融金屬侵蝕性，還具有優異的導熱性能，可以提高溫度測量裝置的回應速度，在測量主體插入熔融金屬初期，金屬陶瓷管1可快速形成線上黑體空腔。
本實施例中，金屬陶瓷管1和支撐管2的外表面塗有防氧化塗層。防氧化塗層用於防止在測量主體製備和使用程序中發生高溫氧化。
本實施例中，支撐管2的頂端和紅外測溫探頭6分別與連接管4同軸連接。紅外測溫探頭6包括光纖紅外測溫探頭，光纖紅外測溫探頭與連接管4連接。具體地，紅外測溫探頭6與連接管4的連接方式為錐面配合連接。紅外測溫探頭6連接在連接管4的上方。
如第4圖所示，支撐管2與連接管4的連接方式為螺紋同軸連接。
支撐管2由耐高溫、抗渣侵、抗氧化的鋁碳耐火材料製作而成。
由於本實施例的金屬陶瓷管1具有快速傳熱特性，以及支撐管2的材料具有低成本、良好抗熔渣和熔融金屬侵蝕的優點，測量時，在支撐管2的支撐下，金屬陶瓷管1可快速形成黑體空腔，從而實現對熔融金屬快速地測溫。
另外，由於金屬陶瓷材料的價格比先前技術中常用於製造測溫管的耐火材料昂貴，如果將金屬陶瓷管1嵌入採用低成本的耐火材料製成的支撐管2中，再伸入熔融金屬內部，此時支撐管2只起到承載金屬陶瓷管1的作用，而不參與形成用於測量熔融金屬溫度的黑體空腔，因此，可以控制測量裝置的成本。
本實施例中，支撐管2的壁厚為25mm，長度為800mm。支撐管2有合理的壁厚和/或長度，可以保證溫度測量裝置的整體強度和使用壽命，以及適於在具有不同深度的熔融金屬中測量溫度。
本實施例中，排風管3由氧化鋁製成，與金屬陶瓷管1的空腔連通。排風管3由氧化鋁製成，可以使排風管3耐受高溫，適合於溫度測量裝置的工作環境，提高溫度測量裝置的壽命。
如第4圖所示，排風管3設置在支撐管2的內部，兩者之間留有2mm的縫隙，該縫隙形成沖洗氣體的流體通道。
排風孔5與外界連通。如第4圖所示，第一實施例中排風孔5為支撐管2上的通孔。排風孔5的個數為2個。
在溫度測量裝置測溫時，向連接管4內通入沖洗氣體，經排風管3吹入排風管5內，並經排風管5進入支撐管2和金屬陶瓷管1的內部，將測溫光路上的煙氣吹離，並經排風管3與支撐管2間的縫隙，由排風孔5排出至溫度測量裝置外部，保證測溫光路的清潔，使溫度測量裝置可以更準確地測量溫度。
排風管3的一端與連接管4連接，排風管3與金屬陶瓷管1臨近的一端距金屬陶瓷管1的開口端的距離L2大於等於30mm。該設置可以在溫度測量裝置進行測量時使排風管3的靠近金屬陶瓷管1的一端位於熔融金屬液面之下且位於金屬陶瓷管1的開口端之上一定距離，例如100mm。合理設置排風管3的位置，可以有效排出測溫光路上的煙氣，保證測溫光路的清潔，提高測量準確性。
連接管4與排風管3連接。連接方式可以根據實際需要設置。本實施例中，連接管4與排風管3的連接方式可以為高溫結合劑黏合和銷釘定位。
下面簡要描述第一實施例的溫度測量裝置對鋼水溫度進行測量的程序。
將測量主體的具有金屬陶瓷管1的一端插入熔融金屬中。本實施例中，插入的深度為金屬陶瓷管1外徑的10倍。
在其它實施例中，測量主體插入熔融金屬的深度宜大於等於金屬陶瓷管1外徑的8倍。根據傳熱分析和黑體空腔輻射理論，對插入深度做如上限定，能夠實現穩定的黑體空腔輻射，從而保證測量精度。
可以將溫度測量裝置固定在位於中間包的包蓋上的托盤上。將連接管4與紅外測溫探頭6連接，紅外測溫探頭6與訊號處理器7連接。金屬陶瓷管1與熔融金屬達到熱平衡後，金屬陶瓷管1的空腔形成線上黑體空腔，紅外測溫探頭6接收來自黑體空腔發出的熱輻射能並將熱輻射能轉為電訊號，訊號處理器7接收電訊號並根據電訊號計算出熔融金屬溫度。
另外，在測量時，沖洗氣體從連接管4吹入，進入排風管3，從排風管3流出的沖洗氣體使測溫光路上的煙氣經過排風管3與支撐管2之間的縫隙流至排風孔5，並由排風孔5吹出到溫度測量裝置外部。
本實施例中，沖洗氣體為N2。在其它實施例中，沖洗氣體可以為其它種類的氣體，如壓縮空氣，較佳為其它惰性氣體，如Ar。沖洗氣體可以消除支撐管2高溫時揮發的煙氣，防止煙氣干擾輻射測溫。
根據實驗結果顯示，第一實施例的溫度測量裝置的測溫精度與二等B型鉑銠熱電偶相比，其測溫誤差小於±3℃。且該溫度測量裝置的測溫回應時間可以達到60s以內。
第一實施例中未說明的部分可參考其餘實施例的相關內容。
第5圖為本發明第二實施例的用於測量熔融金屬溫度的溫度測量裝置的測量主體的結構示意圖。第6圖為第5圖所示的溫度測量裝置的排風孔的結構示意圖。
如第5圖和第6圖所示，本實施例與第一實施例的差別在於，排風孔5由支撐管2的內壁沿軸向的2個排風槽與連接管4的外壁構成。排風槽的個數為2個。另外，支撐管2的頂端與連接管4通過錐面配合和銷釘定位連接。
第二實施例中未說明的部分可參考其餘實施例的相關內容。
第7圖為本發明第三實施例的用於測量熔融金屬溫度的溫度測量裝置的測量主體的排風孔的結構示意圖。
如第7圖所示，第三實施例與第一實施例的差別在於，排風孔5由連接管4的外壁沿軸向的2個排風槽與支撐管2的內壁構成。排風槽的個數為2個。
第三實施例中未說明的部分可參考其餘實施例的相關內容。
第8圖為本發明第四實施例的用於測量熔融金屬溫度的溫度測量裝置的測量主體的結構示意圖。
如第8圖所示，第四實施例與第一實施例的差別在於，排風孔5為連接管4上的通孔。通孔的個數為2個。如第8圖所示，在支撐管2的內部嵌入螺母8，連接管4與螺母8的螺紋配合。
第四實施例中未說明的部分可參考其餘實施例的相關內容。
第9圖為本發明第五實施例的用於測量熔融金屬溫度的溫度測量裝置的測量主體在測量狀態下的結構示意圖。第10圖為本發明第五實施例的溫度測量裝置的測量主體的結構示意圖。
如第9圖和第10圖所示，第五實施例與第一實施例的差別在於，支撐管2與塞棒兼用，將金屬陶瓷管1安裝於作為支撐管2的塞棒的底端，可以利用塞棒作為測量主體的支撐管2，實現測溫功能。
塞棒是中間包9中設置於熔融金屬出口處以控制熔融金屬如鋼水10的流出速度的棒體。具有塞棒功能的溫度測量裝置所測得的溫度比現有測溫管測得的溫度更接近結晶器(未圖示)內鋼水的溫度，對連鑄製程中鋼水的凝固控制更具有參考價值。此外，具有塞棒功能的溫度測量裝置兼具鋼水測溫和控制鋼水流量的雙重功能，具有比分別使用測溫感測器和塞棒更低的成本。
第五實施例中未說明的部分可參考其餘實施例的相關內容。
本發明以上實施例能夠對熔融金屬溫度進行快速連續的測量，回應時間從現有採用鋁碳或鎂碳等材料製作的測溫裝置的5~10min縮減到90s以內。可被用於連鑄中間包全程序測溫，尤其是測溫快速回應的連鑄開澆和換包程序。此外，還可以被應用於爐外精煉等鋼水溫度快速變化場合的
連續測溫，以及其它高溫熔體溫度的連續測量。可與塞棒兼用，使塞棒具有測溫功能。
最後應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制；儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解：依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者對部分技術特徵進行等同替換；而不脫離本發明技術方案的精神，其均應涵蓋在本發明請求保護的技術方案範圍當中。
Claims (14)
- 一種用於測量熔融金屬溫度的溫度測量裝置，其特徵在於，包括一感溫元件、一支撐管、一連接管和一排風結構，該感溫元件為一端封閉另一端開口的一金屬陶瓷管，該金屬陶瓷管的壁厚小於該支撐管的壁厚，且該金屬陶瓷管伸入熔融金屬內時基於黑體空腔原理能夠感知熔融金屬的溫度並發射穩定的熱輻射能；該金屬陶瓷管的開口端與該支撐管的一端固定連接且該金屬陶瓷管的內部與該支撐管的內部連通，該支撐管的另一端與該連接管固定連接；該排風結構用於排出該金屬陶瓷管和該支撐管內部的煙氣，該支撐管包括中空的一塞棒。
- 如申請專利範圍第1項所述的溫度測量裝置，其中該金屬陶瓷管的壁厚d為1.0mm~10.0mm。
- 如申請專利範圍第1項所述的溫度測量裝置，其中該金屬陶瓷管露出該支撐管的部分的內腔的長度與該金屬陶瓷管的內徑Φ0的比值L1/Φ0=1.0~20.0。
- 如申請專利範圍第1項所述的溫度測量裝置，其中該金屬陶瓷管露出該支撐管的部分的內腔的長度與該金屬陶瓷管的內徑Φ0的比值L1/Φ0=1.0~6.0。
- 如申請專利範圍第1項所述的溫度測量裝置，其中該金屬陶瓷管、該支撐管和該連接管是同軸的。
- 如申請專利範圍第1項所述的溫度測量裝置，其中該金屬陶瓷管的材料為由金屬粉和陶瓷粉經粉末冶金製成的金屬與陶瓷的一複合材料，該複合材料包括W-ZrO2、Mo-ZrO2、Mo-MgO、W-Mo-ZrO2中的一種或多種。
- 如申請專利範圍第1所述的溫度測量裝置，其中該金屬陶瓷管的材料包含體積含量為30%~60%的金屬，體積含量為30%~60%的全穩定氧化鋯，體積含量為5%~30%的部分穩定氧化鋯。
- 如申請專利範圍第1項所述的溫度測量裝置，其中該金屬陶瓷管的外表面設有防氧化層。
- 如申請專利範圍第1項所述的溫度測量裝置，其中該支撐管的壁厚為15mm~100mm；和/或，該支撐管的長度為200mm~2200mm。
- 如申請專利範圍第1項所述的溫度測量裝置，其中該排風結構包括一排風管和一排風孔，該排風管的一端設置於該支撐管的內部並分別與該支撐管的內部、該金屬陶瓷管的內部和該排風孔連通，該排風管的另一端與該連接管的一端連接；該連接管的另一端用於與紅外測溫探頭相連；在測量熔融金屬溫度時，從該連接管吹入的沖洗氣體能夠經過該排風管進入該金屬陶瓷管和該支撐管的內部以將煙氣經過該排風管與該支撐管之間的縫隙和該排風孔吹出。
- 如申請專利範圍第10項所述的溫度測量裝置，其中該排風管與該金屬陶瓷管臨近的一端距該金屬陶瓷管的開口端的距離大於等於30mm。
- 如申請專利範圍第10項所述的溫度測量裝置，其中該排風孔包括該支撐管上的一通孔；和/或，該排風孔包括由該支撐管的內壁上的排風槽與該連接管的外壁構成的通道；和/或，該排風孔包括由該連接管的外壁上的排風槽與該支撐管的內壁構成的通道；和/或，該排風孔包括該連接管上的通孔。
- 如申請專利範圍第1項至第12項中任一項所述的溫度測量裝置，其中該溫度測量裝置還包括一紅外測溫探頭和一訊號處理器，該紅外測溫探頭與該連接管同軸連接且用於將接收到的由該金屬陶瓷管發出的熱輻射能轉變為電訊號，該訊號處理器對該電訊號進行處理並計算出熔融金屬溫度。
- 一種用於測量熔融金屬溫度的溫度測量方法，其特徵在於，採用申請專利範圍第1項至第13項中任一項所述的溫度測量裝置測量熔融金屬溫度，在測量熔融金屬溫度時，使該溫度測量裝置插入熔融金屬的深度大於等於該金屬陶瓷管的外徑的8倍。
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