WO2016034271A2 - Messvorrichtung zur optischen temperaturbestimmung eines geschmolzenen metalls sowie verschlusstopfen - Google Patents

Messvorrichtung zur optischen temperaturbestimmung eines geschmolzenen metalls sowie verschlusstopfen Download PDF

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WO2016034271A2
WO2016034271A2 PCT/EP2015/001714 EP2015001714W WO2016034271A2 WO 2016034271 A2 WO2016034271 A2 WO 2016034271A2 EP 2015001714 W EP2015001714 W EP 2015001714W WO 2016034271 A2 WO2016034271 A2 WO 2016034271A2
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fluid
gas
channel
measuring device
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Harald Fischer
Gerhard Wünsch
Torsten Lamp
Herbert KÖCHNER
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Minkon GmbH
Vdeh-Betriebsforschungsinstitut Gmbh
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    • G01J5/0818Waveguides
    • G01J5/0821Optical fibres

Definitions

  • the invention relates to a measuring device for the optical temperature determination of a molten metal and a sealing plug.
  • Such a measuring device is known, for example, from WO 2007/079894 A1.
  • an optical fiber is supplied to a container of a converter which receives molten metal.
  • the optical waveguide has the task of guiding the electromagnetic radiation of the molten metal to an optical detector.
  • a fluid-flow line is arranged, in which the optical waveguide is guided and in which the optical waveguide is transported by means of the fluid.
  • the invention has an unwinding device which unwinds the optical waveguide successively from a supply. This is necessary because the high temperatures at the measuring point mean that the optical waveguide melts gradually at its end immersed in the molten metal and must be adjusted accordingly.
  • a process gas line can be used as a transport line for the optical waveguide.
  • the process gas line can be, for example, a line system for the supply of treatment gas.
  • the treatment gas is supplied to the molten metal via a bottom opening of the converter.
  • CONFIRMATION COPY Fluid lines often have such a high pressure that a special sealing of the measuring device for the optical temperature determination of the molten metal is necessary. But even with transport lines with lower pressure seals of the measuring device must sometimes be made to ensure the transport of the optical waveguide and to avoid damage to parts of the measuring device. An insufficient seal can also falsify the measurement result.
  • the invention further relates to a closure plug for an outflow opening of a container receiving molten metal.
  • a closure plug for an outflow opening of a container receiving molten metal.
  • Such a sealing plug is known for example from DE 41 42 773 A1.
  • thermocouple in a channel extending axially in the rod-shaped plug.
  • the use of the sealing plug in a distributor of a continuous casting apparatus is shown. It is noticeable that the stopper according to
  • DE 41 42 773 A1 is able to measure the temperature of the metal melt flowing out of the distributor. Its measuring range ends in the distributor (and does not even extend to the lower end of the sealing plug). A temperature measurement in a dip tube or even in a mold is impossible here.
  • the device according to DE 41 42 773 A1 has the disadvantage that the
  • the object of the invention is to propose an improved seal for a measuring device for the optical temperature determination of a molten metal, in which an optical waveguide is transported via a line through which fluid flows.
  • the invention is further based on the object of proposing a closure plug for closing an outflow opening, in particular at the bottom of a container, which receives molten metal, with which it is possible to determine the temperature of the molten metal, in particular by means of a according to the invention to reach points below the plug, with the probe in direct contact with the molten metal.
  • the invention is based on the basic concept of restricting the gas-tight design of the measuring device to that part of the measuring device which is necessary for the transport of the optical waveguide.
  • the measuring device has a fluid-flow line in which an optical waveguide is guided at least in sections and in which the optical waveguide is transported in a preferred embodiment with the aid of a fluid.
  • the optical waveguide has the task of conducting electromagnetic radiation emitted by the metal or by the tip of the optical waveguide to an optical detector. Due to the high temperatures at the measuring point, the optical waveguide melts gradually and must be adjusted accordingly.
  • the measuring device further comprises an unwinding device for successively unwinding the optical waveguide from a supply.
  • the unwinding device according to the invention expediently has a receiving location for the stock.
  • the receiving location may be, for example, a rod-shaped device. This is particularly well suited for a supply in the form of a drum winch, around which the optical fiber is wound, and which has an axial central bore, through which the stock can be conveniently inserted into the rod-shaped device.
  • the supply may be a looped fiber optic cable, ball or the like.
  • the unwinding device is preferably located in its own gas-tight and pressure-resistant housing.
  • the fluid-flow-through line and the unwinding device are fluid-permeable to one another.
  • the line through which the fluid flows and the unwinding device form a system which is gastight with respect to its surroundings.
  • the gas-tight system is pressure resistant, ie, all components in the system withstand high pressures without impairing function and damage. In this way, eliminating the need to form the entire system gas-tight and pressure resistant.
  • the entire measuring device according to the invention is to be understood. Additional devices in the metal fabrication process and metal casting processes may also be included. It has been shown that the measurement accuracy could be increased by the measuring device according to the invention. In addition, it is possible to save enormous costs for the sealing of the entire system. Elaborate maintenance is also eliminated.
  • the optical detector which is arranged outside the gas-tight system, is connected to the optical waveguide via a gas-tight optical feedthrough.
  • the optical detector serves to determine the temperature of the metal from an analysis of the electromagnetic radiation which is fed to it via the optical waveguide.
  • the optical detector is therefore connected to the optical waveguide, which is located in the gas-tight system. So that the transmission of the electromagnetic radiation is not subject to any optical degeneration, it is expedient to connect the optical detector to the optical waveguide via the gas-tight optical feedthrough.
  • the optical detector is arranged in a gas-tight system. It makes sense that this is gas-tight and pressure-resistant.
  • an optical detector converts optical signals into electrical signals.
  • the optical detector forwards the electrical signals to a signal evaluation, which is located outside the gas-tight system on. The detector and the signal evaluation are connected via a gas-tight electrical feedthrough.
  • the line through which fluid flows can be a transport line which is provided separately for the supply of the optical waveguide and which, for example, is above a free transport line
  • the fluid-flow line is connected to a gas line, with the treatment gas is introduced into the molten metal.
  • the optical waveguide is guided at least in sections in the gas line and transported through the treatment gas.
  • the fluid-flow line is connected via an insertion opening in the gas line to the gas line.
  • the insertion opening is arranged in the region of a gas source.
  • Gas line connected via a shut-off valve This makes it possible to close the shut-off valve when no temperature measurement is required. At the same time, however, gas may flow through the gas line to treat the molten metal without transporting the optical fiber. In this advantageous manner, the optical waveguide is not unnecessarily consumed.
  • the gas-tight system according to the invention can be relieved of the process pressure by closing the shut-off valve.
  • the shut-off valve can be designed so that the optical waveguide is guided even when the shut-off valve is closed, for example, by squeezing a seal.
  • the shut-off valve is actuated automatically.
  • the shut-off valve can automatically open or close at a certain pressure value.
  • the automatic actuation can be effected, for example, hydraulically, electrically or mechanically.
  • the shut-off valve can be used as an actuator in a control or a control circuit.
  • the essence of the invention is to provide a sealing plug, through which an optical waveguide for optical temperature determination can be performed.
  • closure plug in a preferred embodiment, a rod-shaped body of refractory material to temperatures up to
  • rod-shaped is to be interpreted broadly, for example, it should not be limited to a cylindrical geometry, but rather it should be understood that the length of the body is (very) much larger than its diameter or its width.
  • the body has an upper and a lower end, the lower end being intended to be directed to the outflow opening.
  • end does not only mean a surface, for example an end surface, but may also be a section, so that it has, for example, lateral surfaces or a lateral surface.
  • the plug In a metal-making or metal casting process, such as in continuous casting, the plug is usually vertically aligned and located above the outlet port. By vertical movement of the sealing plug, the outlet opening can be closed and opened, wherein the closure, the lower end is connected to the outlet opening.
  • the sealing plug In order to pass the optical waveguide through the sealing plug, the sealing plug has a channel extending axially through at least part of the rod-shaped body.
  • the channel opens at a surface of the lower end.
  • it is preferably the lower end side of the body, so that the optical waveguide can be continued beyond the lower end even with an outlet opening closed by the sealing plug, for B. to a measuring point as in a dip tube or a mold.
  • the channel is connected to the surface of the upper end to introduce the optical waveguide in the channel.
  • This is preferably the end face of the upper end.
  • Channel sections are conceivable which do not extend axially, in particular which extend laterally.
  • the channel or the channel sections can in principle be connected to any surface of the sealing plug.
  • the channel may also have branches, e.g. B. with the same or different cross-sectional areas and cross-sectional shapes, for example, to obtain sections of different flow velocities and pressures.
  • the cross-sectional profile over the channel length or channel section length can also vary as desired.
  • every conceivable channel system is possible.
  • the channel (s) is drilled or created by casting.
  • the casting process is particularly suitable for complicated duct systems.
  • the channel preferably has a circular cross-section.
  • the sealing plug on a measuring device according to one of claims 1 to 7. If necessary, it is included the closure plug gas-tightly connected to the fluid-flow line, z. B. via an adapter or flange.
  • a measuring device for the optical temperature determination in which an optical waveguide is transported as Meßdorfnaufillon in a fluid-flow line by means of a fluid could not be used in all metal production and metal casting due to the fluid flow.
  • the fluid flow may be too strong or undesirable at certain locations. For example, too much fluid flow in a mold during continuous casting can cause the metal mold, which is just beginning to solidify, to be damaged. Therefore, it is provided in a particularly preferred embodiment that the channel is formed such that it has an upper and a lower end and that in a channel flowing from the upper to the lower end fluid, in particular for transporting the optical waveguide, an overpressure at the top End and a negative pressure at the bottom arises.
  • optical waveguide is well transported due to a strong flow at the upper end, while at the same time at the lower end of a weaker flow, which may not adversely affect the manufacturing or casting process prevails.
  • this is realized by the channel towards the lower end
  • Has cross-sectional widening which extends over at least part of the channel and is continuous or discontinuous, approximately stepped, executed, and that depending on the flow velocity of the fluid targeted a turbulent flow in the region of the cross-sectional widening can be achieved.
  • the boundary layer of the fluid (fluid layer in the wall area) separates from the channel wall, whereupon turbulences form, which slow the flow.
  • the conditions for the transition from a laminar to a turbulent flow can be determined by means of the Reynolds number. Influences which can be controlled in a practical manner are, in particular, the flow velocity and the channel cross section. Another factor influencing the targeted production of turbulence in the flow-through channel may also be the fluid viscosity.
  • a resistance body may be arranged such that it is flowed around by the fluid at a fixed location in the channel and that the resistance body is designed such that a turbulent flow arises downstream of the resistance body, which generates or amplifies the negative pressure at the lower end. Upstream of the resistor body, the fluid builds up and creates an overpressure. On the downstream side, however, creates a vortex zone with
  • the resistance body can, for example, have a simple spherical shape. have and be connected to a thread-like tension element, by means of which the resistance body is axially positionable in the channel. If necessary, the resistance body can be displaced, in which way the location and the intensity of the turbulence can be controlled.
  • the sealing plug according to the invention is particularly advantageously suitable for carrying out an optical temperature determination of molten metal in a dip tube and / or a mold in a continuous casting plant.
  • the temperature is determined by means of the measuring device according to the invention.
  • the optical waveguide is guided through the channel and through the outlet opening in the distributor to an otherwise hardly reachable measuring point in the dip tube or even in the mold.
  • the optical waveguide is arranged as a sensor in direct contact with the molten metal and not, as in the prior art, inside a solid body and surrounded by this / sheathed.
  • the measuring device has in this way a particularly increased measuring sensitivity.
  • a continuous temperature measurement is possible by the successive tracking of the optical waveguide. As a result, the continuous casting process can be optimized and the quality of the continuous casting products significantly increased.
  • Fig. 1 is a schematically sectional side view of the invention
  • Fig. 2 is a schematically sectional side view of a closure plug according to the invention with a distributor and a mold.
  • the gas-tight system 4 here consists of an unwinding device 5, which comprises a receptacle for a light-wave supply, and a fluid-flow line 6 for transporting an optical waveguide 7 to the molten metal 2 via a bottom opening in the converter 3.
  • the transport line consists of two sections.
  • the first section forms the fluid-flow-through line 6, the second a gas line 8.
  • the gas line 8 serves to melt the molten metal 2 with a treatment gas, eg. As oxygen supply.
  • the gas is fed via a gas supply 9 with a gas source, not shown, in the gas line 8.
  • the fluid-flow line 6 and the gas line 8 are connected to each other via a shut-off valve 10, so that z. B. the treatment process can also take place without an optical fiber feed when the shut-off valve 10 is closed.
  • the gas-tight system 4 is housed in the embodiment in an enclosure 11, in which other components of the measuring device, such as an optical detector 12 and a signal evaluation 13, are located.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the sealing plug according to the invention.
  • a longitudinal section of the sealing plug 14 which closes an outflow opening of a distributor 15 of a continuous casting plant. Also visible is a dip tube 16 and a mold 17 of the continuous casting plant.
  • An optical waveguide 7 as a measuring sensor of a measuring device 1 according to the invention (not shown) is guided through a channel 18 of the sealing plug 14.
  • the channel 18 has at the bottom of a cross-sectional widening 19 for conditioning a turbulent flow at the lower end 20 of the channel, so that the flow emerging from the channel 18 is decelerated.
  • the optical waveguide 7 can, as shown in Figure 2, to the mold
  • the optical waveguide 7 (and beyond) continue and record the electromagnetic radiation of the molten metal in the dip tube 16 or in the mold 17 for the optical temperature determination. Preferably, this is done continuously by the optical waveguide 7 is tracked successively.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur optischen Temperaturbestimmung eines geschmolzenen Metalls mit - einem Lichtwellenleiter, um von dem Metall oder von der Spitze des Lichtwellenleiters emittierte elektromagnetische Strahlung zu einem optischen Detektor zu leiten, - einem optischen Detektor zur Bestimmung der Temperatur des Metalls aus einer Analyse der elektromagnetischen Strahlung, - einer Abspulvorrichtung zum sukzessiven Abspulen des Lichtwellenleiters von einem Vorrat und einer mit der Abspulvorrichtung fluiddurchlässig verbundenen fluiddurchströmten Leitung, in der der Lichtwellenleiter zumindest abschnittweise geführt wird und in der der Lichtwellenleiter mit Hilfe des Fluids transportiert wird, wobei die fluiddurchströmte Leitung und die Abspulvorrichtung gegenüber ihrer Umgebung ein gasdichtes System bilden. Die Erfindung betrifft ferner einen Verschlussstopfen für eine Ausflussöffnung eines Behälters, der geschmolzenes Metall aufnimmt. Der Verschlussstopfen weist einen stabförmigen Körper aus feuerfestem Material mit einem oberen und einem unteren Ende, einem sich durch zumindest einen Teil des stabförmigen Körpers axial erstreckenden Kanal, der an einer Oberfläche des unteren Endes mündet, auf. Dabei wird zur optischen Temperaturbestimmung geschmolzenen Metalls ein Lichtwellenleiter durch den Kanal geführt.

Description

"Messvorrichtunq zur optischen Temperaturbestimmung eines geschmolzenen Metalls sowie Verschlussstopfen"
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur optischen Temperaturbestimmung eines geschmolzenen Metalls sowie einen Verschlussstopfen.
Eine solche Messvorrichtung ist beispielsweise aus der WO 2007/079894 A1 bekannt. Hierbei wird ein Lichtwellenleiter einem Behälter eines Konverters, der geschmolzenes Metall aufnimmt, zugeführt. Der Lichtwellenleiter hat die Aufgabe, die elektromagnetische Strahlung des geschmolzenen Metalls zu einem optischen Detektor zu leiten. Zwischen dem optischen Detektor und dem Behälter ist eine fluiddurchströmte Leitung angeordnet, in der der Lichtwellenleiter geführt und in der der Lichtwellenleiter mit Hilfe des Fluids transportiert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Erfindung eine Abspulvorrichtung auf, die den Lichtwellenleiter sukzessive von einem Vorrat abspult. Dies ist erforderlich, weil die hohen Temperaturen an der Messstelle dazu führen, dass der Lichtwellenleiter an seinem in das geschmolzene Metall eingetauchten Ende allmählich aufschmilzt und entsprechend nachgeführt werden muss.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gemäß WO 2007/079894 A1 kann eine Prozessgasleitung als Transportleitung für den Lichtwellenleiter genutzt werden. Bei der Prozessgasleitung kann es sich beispielsweise um ein Leitungssystem für die Zuführung von Behandlungsgas handeln. Das Behandlungsgas wird dabei über eine Bodenöffnung des Konverters dem geschmolzenen Metall zugeführt. In derartigen
BESTÄTIGUNGSKOPIE Fluidleitungen herrscht oft ein derart hoher Druck, dass eine besondere Abdichtung der Messvorrichtung zur optischen Temperaturbestimmung des geschmolzenen Metalls notwendig ist. Aber auch bei Transportleitungen mit geringerem Druck müssen mitunter Abdichtungen der Messvorrichtung vorgenommen werden, um den Transport des Lichtwellenleiters zu gewährleisten und die Beschädigung von Teilen der Messvorrichtung zu vermeiden. Eine unzureichende Abdichtung kann zudem das Messergebnis verfälschen.
Es ist daher bekannt, die Messvorrichtung in einer gasdichten Einhausung anzuord- nen. In der Einhausung sind dann beispielsweise Abspulvorrichtung, optischer Detektor, Signalauswertung, Steuerung, Kühlsystem, Drehkoppler, Faserverbrauchszähler und weitere Komponenten untergebracht. Ein derartiges System abzudichten ist sehr aufwendig. Zudem kann eine derartige Abdichtung aufgrund der Notwendigkeit, gasdichte und druckbeständige elektronische Komponenten zu verwenden, kostenintensiv sein.
Die Erfindung betrifft ferner einen Verschlussstopfen für eine Ausflussöffnung eines Behälters, der geschmolzenes Metall aufnimmt. Ein derartiger Verschlussstopfen ist beispielsweise aus der DE 41 42 773 A1 bekannt.
Um die Temperatur eines geschmolzenen Metalls, das aus dem Behälter über die Ausflussöffnung abfließt, zu bestimmen, wird dort vorgeschlagen, ein Thermoelement in einen Kanal, der sich axial im stabförmigen Verschlussstopfen erstreckt, anzubringen. Exemplarisch wird der Einsatz des Verschlussstopfens in einem Verteiler einer Stranggießvorrichtung gezeigt. Es fällt auf, dass der Verschlussstopfen gemäß
DE 41 42 773 A1 zwar die Temperatur der aus dem Verteiler abfließenden Metallschmelze zu messen vermag. Seine Messreichweite endet aber im Verteiler (und erstreckt sich nicht einmal bis zum unteren Ende des Verschlussstopfens). Eine Temperaturmessung in einem Tauchrohr oder gar in einer Kokille ist hierbei unmöglich. Zudem weist die Vorrichtung gemäß DE 41 42 773 A1 den Nachteil auf, dass der
Messfühler nicht in direktem Kontakt mit der Metallschmelze steht, wodurch die Messempfindlichkeit eingeschränkt ist.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für eine Messvor- richtung zur optischen Temperaturbestimmung eines geschmolzenen Metalls, bei der ein Lichtwellenleiter über eine fluiddurchströmte Leitung transportiert wird, eine verbesserte Abdichtung vorzuschlagen. Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung ferner die Aufgabe zugrunde, einen Verschlussstopfen zum Verschließen einer Ausflussöff- nung, insbesondere am Boden eines Behälters, der geschmolzenes Metall aufnimmt, vorzuschlagen, mit dem es möglich ist, bei einer optischen Temperaturbestimmung des geschmolzenen Metalls, insbesondere mittels einer erfindungsgemäßen Messvor- richtung, Messstellen unterhalb des Verschlussstopfens zu erreichen, wobei sich der Messfühler in direktem Kontakt mit dem geschmolzenen Metalls befindet.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, die gasdichte Ausgestaltung der Messvorrichtung auf den Teil der Messvorrichtung zu beschränken, der für den Transport des Lichtwellenleiters erforderlich ist.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung weist eine fluiddurchströmte Leitung auf, in der ein Lichtwellenleiter zumindest abschnittsweise geführt wird und in der der Lichtwellenleiter in einer bevorzugten Ausführungsform mit Hilfe eines Fluids transportiert wird.
Der Lichtwellenleiter hat dabei die Aufgabe, von dem Metall oder von der Spitze des Lichtwellenleiters emittierte elektromagnetische Strahlung zu einem optischen Detektor zu leiten. Durch die hohen Temperaturen an der Messstelle schmilzt der Lichtwellenleiter allmählich auf und muss entsprechend nachgeführt werden.
Daher weist die erfindungsgemäße Messvorrichtung ferner eine Abspulvorrichtung zum sukzessiven Abspulen des Lichtwellenleiters von einem Vorrat auf. Die erfindungsgemäße Abspulvorrichtung verfügt zweckmäßigerweise über eine Aufnahmestelle für den Vorrat. Bei der Aufnahmestelle kann es sich beispielsweise um eine stabförmige Vorrichtung handeln. Diese eignet sich besonders gut für einen Vorrat in Gestalt einer Trommelwinde, um die der Lichtwellenleiter aufgewickelt ist, und die eine axiale Zentralbohrung aufweist, über welche der Vorrat praktischerweise in die stabförmige Vorrichtung eingeschoben werden kann. Alternativ kann es sich bei dem Vorrat um ein in Schlaufen gelegter Lichtwellenleiter, ein Knäuel oder dergl. handeln. Die Abspulvorrichtung befindet sich vorzugsweise in einer eigenen gasdichten und druckbeständigen Einhausung.
Zweckmäßigerweise sind die fluiddurchströmte Leitung und die Abspulvorrichtung flu- iddurchlässig miteinander verbunden. Dadurch ist es möglich, dass mittels des Trans- portfluids der Lichtwellenleiter von der Abspulvorrichtung über die fluiddurchströmte Leitung zur Messstelle transportiert wird. Erfindungsgemäß bilden dabei die fluiddurchströmte Leitung und die Abspulvorrichtung ein gegenüber ihrer Umgebung gasdichtes System. Insbesondere bevorzugt ist das gasdichte System druckbeständig, d. h. alle Bestandteile im System widerstehen ohne Funktionsbeeinträchtigungen und Beschädigungen hohen Drücken. Auf diese Weise entfällt die Notwendigkeit, das Gesamtsystem gasdicht und druckbeständig auszubilden. Als Gesamtsystem ist nicht nur die gesamte erfindungsgemäße Messvorrichtung zu verstehen. Zusätzliche Vorrichtungen im Metallherstellungsverfahren und Metallgießverfahren können ebenso dazu gehören. Es hat sich gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Messvorrichtung die Messgenauigkeit gesteigert werden konnte. Zudem ist es möglich, enorme Kosten für die Abdichtung des Gesamtsystems einzusparen. Aufwendige Wartungen entfallen ebenfalls.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der optische Detektor, der außerhalb des gasdichten Systems angeordnet ist, über eine gasdichte optische Durchführung mit dem Lichtwellenleiter verbunden.
Der optische Detektor dient zur Bestimmung der Temperatur des Metalls aus einer Analyse der elektromagnetischen Strahlung, die ihm über den Lichtwellenleiter zuge- leitet wird. Der optische Detektor ist daher mit dem Lichtwellenleiter, der sich im gasdichten System befindet, verbunden. Damit die Weiterleitung der elektromagnetischen Strahlung keiner optischen Degeneration unterliegt, ist es zweckmäßig, den optischen Detektor mit dem Lichtwellenleiter über die gasdichte optische Durchführung zu verbinden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der optische Detektor im gasdichten System angeordnet. Sinnvollerweise ist dieser dabei gasdicht und druckbeständig. In der Regel wandelt ein optischer Detektor optische Signale in elektrische Signale um. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform leitet der optische Detektor die elektrischen Signale an eine Signalauswertung, die sich außerhalb des gasdichten Systems befindet, weiter. Der Detektor und die Signalauswertung sind dabei über eine gasdichte elektrische Durchführung verbunden.
Die fluiddurchströmte Leitung kann eine gesondert für die Zuführung des Lichtwellen- leiters vorgesehene Transportleitung sein, die beispielsweise oberhalb einer freien
Oberfläche des geschmolzenen Metalls enden kann und den Lichtwellenleiter dort in Kontakt oder in die Nähe des geschmolzenen Metalls bringt, um die von dem Metall emittierte elektromagnetische Strahlung aufzunehmen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die fluiddurchströmte Leitung mit einer Gasleitung, mit der Behandlungsgas in das geschmolzene Metall eingebracht wird, verbunden. Der Lichtwellenleiter wird hierbei in der Gasleitung zumindest abschnittsweise geführt und durch das Behandlungsgas transportiert. Zwar ist hierbei sehr vorteilhaft, dass eine bereits vorhandene Gasleitung als Transportleitung verwendet werden kann und dadurch Umbaumaßnahmen entfallen. Aller- dings können derartige Gasleitungen mitunter hohe Drücke aufweisen. Mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist es erstmals möglich, derartige Gasleitungen als Transportleitungen zu nutzen ohne spezielle und aufwendige Abdichtmaßnahmen am Gesamtsystem vorzunehmen.
Vorzugsweise ist die fluiddurchströmte Leitung über eine Einführöffnung in der Gasleitung mit der Gasleitung verbunden. Dabei ist die Einführöffnung im Bereich einer Gasquelle angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die fluiddurchströmte Leitung und die
Gasleitung über ein Absperrventil verbunden. Dadurch ist es möglich, dass Absperrventil zu verschließen, wenn keine Temperaturmessung erforderlich ist. Gleichzeitig kann jedoch Gas zur Behandlung des geschmolzenen Metalls durch die Gasleitung strömen, ohne dabei den Lichtwellenleiter zu transportieren. Auf diese vorteilhafte Weise wird der Lichtwellenleiter nicht unnötig verbraucht. Zudem kann in den Zeitabschnitten, in denen nicht gemessen wird, das gasdichte System gemäß der Erfindung durch Verschließen des Absperrventils vom Prozessdruck entlastet werden. Das Absperrventil kann dabei so ausgeführt werden, dass der Lichtwellenleiter auch bei geschlossenem Absperrventil geführt wird, beispielsweise unter Quetschen einer Dichtung.
Vorteilhafterweise wird das Absperrventil automatisch betätigt. Dabei kann etwa das Absperrventil ab einem bestimmten Druckwert automatisch öffnen oder schließen. Die automatische Betätigung kann beispielsweise hydraulisch, elektrisch oder mechanisch erfolgen. Insbesondere bevorzugt kann das Absperrventil als Aktuator in einer Steuerung oder einem Regelkreis verwendet werden.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Kern der Erfindung liegt darin, einen Verschlussstopfen bereitzustellen, durch den ein Lichtwellenleiter zur optischen Temperaturbestimmung geführt werden kann.
Zweckmäßigerweise weist der Verschlussstopfen in einer bevorzugten Ausführungs- form einen stabförmigen Körper aus feuerfestem Material auf, um Temperaturen bis
1600 °C und darüber hinaus standzuhalten. Der Begriff „stabförmig" ist weit auszulegen. Er darf beispielsweise nicht auf eine zylinderförmige Geometrie beschränkt werden. Vielmehr ist darunter zu verstehen, dass die Länge des Körpers (sehr) viel größer als sein Durchmesser bzw. seine Breite ist. Der Körper weist ein oberes und ein unteres Ende auf, wobei das untere Ende dazu vorgesehen ist, zur Ausflussöffnung gerichtet zu sein. Erfindungsgemäß ist unter „Ende" nicht nur eine Fläche, beispielsweise eine Stirnfläche, zu verstehen. Es kann sich auch um einen Abschnitt handeln, so dass dieser beispielsweise Seitenflächen oder eine Mantelfläche aufweist.
Bei einem Metallherstellungsverfahren oder Metallgießverfahren, beispielsweise beim Stranggießen, ist der Verschlussstopfen üblicherweise vertikal ausgerichtet und befindet sich über der Auslassöffnung. Durch vertikale Bewegung des Verschlussstopfens kann die Auslassöffnung verschlossen und geöffnet werden, wobei beim Verschluss das untere Ende mit der Auslassöffnung verbunden ist.
Um den Lichtwellenleiter durch den Verschlussstopfen hindurchzuführen, weist der Verschlussstopfen einen sich durch zumindest einen Teil des stabförmigen Körpers axial erstreckenden Kanal auf. Dabei mündet der Kanal an einer Oberfläche des unteren Endes. Insbesondere bevorzugt handelt es sich dabei um die untere Stirnseite des Körpers, sodass der Lichtwellenleiter selbst bei einer durch den Verschlussstopfen verschlossenen Auslassöffnung über das untere Ende hinaus weitergeführt werden kann, z. B. zu einer Messstelle etwa in einem Tauchrohr oder einer Kokille.
Bevorzugt ist der Kanal mit der Oberfläche des oberen Endes verbunden, um den Lichtwellenleiter in den Kanal einzuführen. Dabei handelt es sich bevorzugt um die Stirnfläche des oberen Endes. Möglich ist aber auch eine Verbindung des Kanals mit einer seitlichen Fläche des oberen Endes, um den Lichtwellenleiter seitlich in den Verschlussstopfen einzuführen.
Es sind Kanalabschnitte denkbar, die sich nicht axial erstrecken, insbesondere die sich seitlich erstrecken. Der Kanal bzw. die Kanalabschnitte können grundsätzlich mit jeder Oberfläche des Verschlussstopfens verbunden sein. Der Kanal kann ebenfalls Abzweigungen aufweisen, z. B. mit gleichen oder unterschiedlichen Querschnittsflächen und Querschnittsformen, um beispielsweise Abschnitte unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten und Drücke zu erhalten. Auch der Querschnittsverlauf über die Kanallänge oder Kanalabschnittslänge kann beliebig variieren. Zudem ist jedes denkbare Kanalsystem möglich.
Praktischerweise wird der Kanal bzw. die Kanalabschnitte gebohrt oder durch Gießen erzeugt. Der Gießprozess eignet sich insbesondere für komplizierte Kanalsysteme. Der Kanal weist vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist der Verschlussstopfen eine Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auf. Erforderlichenfalls ist dabei der Verschlussstopfen mit der fluiddurchströmten Leitung gasdicht verbunden, z. B. über einen Adapter oder Flansch.
Eine Messvorrichtung zur optischen Temperaturbestimmung, bei der ein Lichtwellen- leiter als Messgrößenaufnehmer in einer fluiddurchströmten Leitung mittels eines Fluids transportiert wird, konnte aufgrund der Fluidströmung nicht in allen Metallherstellungsverfahren und Metallgießverfahren eingesetzt werden. Die Fluidströmung kann an bestimmten Stellen zu stark oder unerwünscht sein. So kann beispielsweise eine zu starke Fluidströmung in einer Kokille beim Stranggießen dazu führen, dass die gerade zu erstarren beginnende Metallform beschädigt wird. Daher ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der Kanal derart ausgebildet ist, dass er ein oberes und ein unteres Ende aufweist und dass bei einem den Kanal vom oberen bis zum unteren Ende durchströmenden Fluid, insbesondere zum Transport des Lichtwellenleiters, ein Überdruck am oberen Ende und ein Unterdruck am unteren Ende entsteht. Dadurch wird es möglich, dass der Lichtwellenleiter aufgrund einer starken Strömung am oberen Ende gut transportiert wird, wohingegen gleichzeitig am unteren Ende eine schwächere Strömung, die sich nicht nachteilig auf den Herstel- lungs- oder Gießprozess auswirken kann, herrscht. Vorzugsweise wird dies dadurch realisiert, dass der Kanal zum unteren Ende hin eine
Querschnittserweiterung aufweist, welche sich mindestens über einen Teil des Kanals erstreckt und kontinuierlich oder diskontinuierlich, etwa stufenförmig, ausgeführt ist, und dass in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids gezielt eine turbulente Strömung im Bereich der Querschnittserweiterung erreicht werden kann.
Bei der turbulenten Strömung löst sich die Grenzschicht des Fluids (Fluidschicht im Wandbereich) von der Kanalwand ab, woraufhin sich Verwirbelungen bilden, die die Strömung abbremsen. Die Bedingungen für den Übergang von einer laminaren zu einer turbulenten Strömung können mittels der Reynolds-Zahl ermittelt werden. Ein- flussgrößen, die auf praktische Weise steuerbar sind, sind insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit und der Kanalquerschnitts. Als weitere Einflussgröße zur gezielten Herbeiführung von Turbulenzen im durchströmten Kanal kann auch die Flu- idviskosität in Betracht kommen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Widerstandskörper derart angeordnet werden, dass er an einer festen Stelle im Kanal von dem Fluid umströmt wird und dass der Widerstandskörper dergestalt ausgebildet ist, dass stromabwärtsseitig des Widerstandskörpers eine turbulente Strömung entsteht, die den Unterdruck am unteren Ende erzeugt oder verstärkt. Stromaufwärtsseitig des Widerstandskörpers staut sich das Fluid und es entsteht ein Überdruck. Stromabwärtsseitig entsteht hingegen eine Wirbelzone mit
Unterdruck. Der Widerstandskörper kann beispielsweise eine einfache Kugelform auf- weisen und mit einem fadenartigen Zugelement verbunden sein, mittels dessen der Widerstandskörper im Kanal axial positionierbar ist. Bedarfsweise kann der Wider- standskörper verschoben werden, wobei auf diese Weise der Ort und die Intensität der Turbulenz steuerbar sind.
Der erfindungsgemäße Verschlussstopfen eignet sich auf besonders vorteilhafte Weise zur Durchführung einer optischen Temperaturbestimmung geschmolzenen Metalls in einem Tauchrohr und / oder einer Kokille in einer Stranggießanlage. Besonders bevorzugt erfolgt die Temperaturbestimmung mittels der erfindungsgemäßen Messvorrichtung. Der Lichtwellenleiter wird dabei durch den Kanal und über die Auslassöffnung im Verteiler zu einer ansonsten kaum erreichbaren Messstelle im Tauchrohr oder sogar in der Kokille geführt. Der Lichtwellenleiter ist dabei als Messfühler in direktem Kontakt mit der Metallschmelze und nicht etwa, wie im Stand der Technik, im Inneren eines massiven Körper angeordnet und von diesem umgeben / ummantelt. Die Messvorrichtung weist auf diese Weise eine besonders erhöhte Messempfindlichkeit auf. Zudem ist durch das sukzessive Nachführen des Lichtwellenleiters eine kontinuierliche Temperaturmessung möglich. Dadurch kann der Stranggießprozess optimiert und die Qualität der Stranggusserzeugnisse deutlich erhöht werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen, die lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung zeigen, näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematisch geschnittene Seitenansicht der erfindungsgemäßen
Messvorrichtung und
Fig. 2 eine schematisch geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Verschlußstopfens mit einem Verteiler und einer Kokille.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 , die zur optischen Temperaturbestimmung eines geschmolzenen Metalls 2, das sich in einem Konverter 3 befindet, verwendet wird. Das gasdichte System 4 besteht hier aus einer Abspulvorrichtung 5, die einen Aufnahmebehälter für einen Lichtwellen-Vorrat umfasst, und einer fluiddurchströmten Leitung 6 zum Transportieren eines Lichtwellenleiters 7 zum geschmolzenen Metall 2 über eine Bodenöffnung im Konverter 3.
Die Transportleitung besteht aus zwei Abschnitten. Den ersten Abschnitt bildet die flu- iddurchströmte Leitung 6, den zweiten eine Gasleitung 8. Die Gasleitung 8 dient dazu, das geschmolzene Metall 2 mit einem Behandlungsgas, z. B. Sauerstoff, zu versorgen. Das Gas wird dafür über eine Gaszuführung 9 mit einer nicht dargestellten Gasquelle in die Gasleitung 8 eingespeist. Die fluiddurchströmte Leitung 6 und die Gasleitung 8 sind miteinander über ein Absperrventil 10 verbunden, sodass z. B. der Behandlungs- prozess auch ohne eine Lichtwellenleiter-Zuführung erfolgen kann, wenn das Absperrventil 10 verschlossen ist. Das gasdichte System 4 ist im Ausführungsbeispiel in einer Einhausung 11 untergebracht, in der sich auch andere Komponenten der Messvorrichtung, wie beispielsweise ein optischer Detektor 12 und eine Signalauswertung 13, befinden. Da die Abspulvorrichtung 5 und die fluiddurchströmte Leitung 6 bereits gasdicht ausgebildet sind, ist es nicht nötig, die Einhausung 1 1 gasdicht auszubilden. Ebenso können die Komponenten in der Einhausung gewöhnliche Komponenten sein, die nicht gasdicht und druckbeständig ausgebildet sein müssen. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verschlussstopfens.
Es ist ein Längsschnitt des Verschlussstopfens 14 zu sehen, der eine Ausflussöffnung eines Verteilers 15 einer Stranggießanlage verschließt. Ferner zu sehen ist ein Tauch- rohr 16 und eine Kokille 17 der Stranggießanlage. Ein Lichtwellenleiter 7 als Messfühler einer Messvorrichtung 1 gemäß der Erfindung (nicht dargestellt) wird durch einen Kanal 18 des Verschlussstopfens 14 geführt. Der Kanal 18 weist im unteren Bereich eine Querschnittserweiterung 19 zum Bedingen einer turbulenten Strömung am unteren Ende 20 des Kanals auf, sodass die aus dem Kanal 18 austretende Strömung abgebremst wird. Der Lichtwellenleiter 7 kann, wie in Figur 2 dargestellt, bis zur Kokille
17 (und darüber hinaus) weitergeführt werden und die elektromagnetische Strahlung des geschmolzenen Metalls im Tauchrohr 16 oder in der Kokille 17 zur optischen Temperaturbestimmung aufnehmen. Vorzugsweise geschieht dies kontinuierlich, indem der Lichtwellenleiter 7 sukzessive nachgeführt wird.

Claims

Patentansprüche:
Messvorrichtung (1) zur optischen Temperaturbestimmung eines geschmolzenen Metalls (2) mit
- einem Lichtwellenleiter (7), um von dem Metall (2) oder von der Spitze des Lichtwellenleiters (7) emittierte elektromagnetische Strahlung zu einem optischen Detektor (12) zu leiten,
- einem optischen Detektor (12) zur Bestimmung der Temperatur des Metalls (2) aus einer Analyse der elektromagnetischen Strahlung,
- einer Abspulvorrichtung (5) zum sukzessiven Abspulen des Lichtwellenleiters (7) von einem Vorrat,
- einer mit der Abspulvorrichtung (5) fluiddurchlässig verbundenen fluiddurch- strömten Leitung (6), in der der Lichtwellenleiter (7) zumindest abschnittweise geführt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die fluiddurchströmte Leitung (6) und die Abspulvorrichtung (5) gegenüber ihrer Umgebung ein gasdichtes System (4) bilden.
Messvorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der optische Detektor (12) außerhalb des gasdichten Systems (4) angeordnet ist und über eine gasdichte optische Durchführung mit dem Lichtwellenleiter (7) verbunden ist.
Messvorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (12) im gasdichten System (4) angeordnet ist.
Messvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die fluiddurchströmte Leitung (6) mit einer Gasleitung (8), mit der Behandlungsgas in das geschmolzene Metall (2) eingebracht wird, verbunden ist und dass der Lichtwellenleiter (7) in der Gasleitung (8) zumindest abschnittsweise geführt und durch das Behandlungsgas transportiert wird.
Messvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die fluiddurchströmte Leitung (6) über eine Einführöffnung in der Gasleitung (8) mit der Gasleitung (8) verbunden ist, wobei die Einführöffnung im Bereich einer Gasquelle angeordnet ist.
6. Messvorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die fluiddurchströmte Leitung (6) und die Gasleitung (8) über ein Absperrventil (12) verbunden sind.
7. Messvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrventil (12) automatisch betätigt wird.
8. Verschlussstopfen (14) für eine Ausflussöffnung eines Behälters, der geschmol- zenes Metall (2) aufnimmt, aufweisend einen stabförmigen Körper aus feuerfestem Material mit
- einem oberen und einem unteren Ende (20),
- einem sich durch zumindest einen Teil des stabförmigen Körpers axial erstreckenden Kanal (6), der an einer Oberfläche des unteren Endes (20) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass zur optischen Temperaturbestimmung geschmolzenen Metalls (2) ein Lichtwellenleiter (7) durch den Kanal (20) geführt wird.
9. Verschlussstopfen (14) nach Anspruch 8 mit einer Messvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
10. Verschlussstopfen (14) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (20) derart ausgebildet ist, dass er ein oberes und ein unteres Ende (20) aufweist und dass bei einem den Kanal (20) vom oberen bis zum unteren Ende (20) durchströmenden Fluid, insbesondere zum Transport des
Lichtwellenleiters (7), ein Überdruck am oberen Ende und ein Unterdruck am unteren Ende (20) entsteht.
11. Verschlussstopfen (14) nach eine der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (20) derart ausgebildet ist, dass er ein oberes und ein unteres Ende (20) aufweist und dass bei einem den Kanal (20) vom oberen bis zum unteren Ende (20) durchströmenden Fluid, insbesondere zum Transport des Lichtwellenleiters (7), ein geringer Unterdruck am oberen Ende und ein stärkerer Unterdruck am unteren Ende (20) entsteht.
12. Verschlussstopfen (14) nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (20) zum unteren Ende (20) hin eine Querschnittserweiterung (19) aufweist, welche sich mindestens über einen Teil des Kanals (20) erstreckt und kontinuierlich oder diskontinuierlich, etwa stufenförmig, ausgeführt ist, und dass in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids gezielt eine turbulente Strömung im Bereich der Querschnittserweiterung (19) erreicht werden kann.
13. Verschlussstopfen (14) nach Anspruch 10 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerstandskörper derart angeordnet ist, dass er an einer festen Stelle im Kanal (20) von dem Fluid umströmt wird und dass der Widerstandskörper dergestalt ausgebildet ist, dass stromabwärtsseitig des Widerstandskörpers eine turbulente Strömung entsteht, die den Unterdruck am unteren Ende (20) erzeugt oder verstärkt.
14. Verwendung des Verschlussstopfens (14) gemäß Ansprüche 8 bis 13 zur optischen Temperaturbestimmung geschmolzenen Metalls (2), vorzugsweise mittels der Messvorrichtung (1) gemäß Ansprüche 1 bis 7, in einem Tauchrohr (16) und/oder einer Kokille (17) in einer Stranggießanlage.
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