СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВАННЫ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА Российский патент 2011 года по МПК G01K11/32 G01J5/02 

Изобретение относится к способу измерения параметра, в частности температуры, ванны расплава, в частности ванны расплавленного металла, при помощи оптического волокна, окруженного покрытием, при этом оптическое волокно погружено в ванну расплава, и излучение, поглощаемое оптическим волокном в ванне расплава, подается в детектор, при этом оптическое волокно нагревается при погружении в ванну расплава. Кроме того, изобретение относится к устройству для измерения параметра, в частности температуры, ванны расплава, в частности ванны расплавленного металла, с помощью оптического волокна, имеющего покрытие, и детектора, соединенного с волокном, при этом покрытие окружает волокно в несколько слоев. Параметрами в смысле изобретения могут быть также, например, высота ванны или состав, другими словами соотношение компонентов. Можно выполнять измерения также в ваннах других расплавов, таких как расплавленная соль, криолит или ваннах стекла.

Способ такого рода известен, например, из JP 11118607. В нем описано как использовать оптическое волокно для измерения температуры в ваннах расплавленного металла. Оптическое волокно сматывается с катушки и подается в ванну расплавленного металла через подающую трубу. Излучение, поглощаемое оптическим волокном, оценивается детектором. Соответствующие оптические волокна известны, например, из JP 10176954. Описываемое здесь волокно окружено на расстоянии металлической трубой. Расположенная вокруг труба является трубой, выполненной из изоляционного материала, которая в свою очередь окружена наружной металлической трубой. Эта структура предотвращает слишком быстрое расплавление внутренней металлической трубы. Труба, выполненная из изоляционного материала, содержит частицы угля, так что внутренняя металлическая труба не плавится, пока соответствующая часть трубы не будет погружена в ванну расплавленного металла. Волокно погружается в ванну расплавленного металла и подается с заранее заданной скоростью, так что можно продолжать измерение, даже если вершина волокна разрушена. Аналогичное оптическое волокно для измерения температуры раскрыто в JP 7151918. Здесь оптическое волокно окружено защитной металлической трубой, которая также окружена слоем пластмассового материала.

Кроме того, известны многослойные проволоки, которые используются на сталелитейных заводах для избирательного введения легирующих материалов в ванну расплавленного металла (например, из DE 19916235, DE 3712619, DE 19623194, US 6770366).

Целью данного изобретения является улучшение измерения параметров в ваннах расплава с помощью оптических волокон.

Цель достигнута с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствования приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Оптическое волокно естественным образом нагревается при погружении в ванну расплава или при приближении к ванне расплава или к слою шлака над ним (например, на ваннах расплавленной стали). Нагревание затрачивает особенно вершину или погружаемый конец оптического волокна. Оптическое волокно, светопроводящим элементом которого обычно является кварцевое стекло, необходимо регулярно заменять в части вершины, например, в ваннах расплавленной стали, поскольку кварцевое стекло не выдерживает долго температуры ванны расплавленной стали. В соответствии с этим, способ, согласно изобретению, относится в каждом случае к передней части оптического волокна, которая погружается в ванну расплава или в слой шлака над ней. Кривая нагревания оптического волокна (которая представляет увеличение температуры Т в зависимости от времени t) имеет, согласно изобретению, по меньшей мере, одну точку Р (t₀, Т₀), в которой увеличение ΔТ₁ температуры оптического волокна в течение времени Δt в первый интервал времени t₀-Δt до температуры Т₀ меньше, чем повышение ΔТ₂ температуры оптического волокна в течение времени Δt в непосредственно следующем втором интервале времени t₀+Δt.

Такой ход изменения температуры означает, что, начиная с конкретного момента времени и далее, кривая нагревания имеет, в принципе, изгиб (квази-нарушение непрерывности), в котором скорость нагревания значительно увеличивается по сравнению с предыдущей кривой. Было установлено, что если имеет место механическое движение оптического волокна или его непосредственного окружения, то его величина зависит от величины изменения скорости нагревания и краткости соответствующего интервала времени. Чем больше изменение скорости нагревания и чем меньше интервал времени Δt, тем больше механическое перемещение волокна или его непосредственного окружения во время этого квази эрратического изменения в кривой нагревания. Это перемещение сопровождает погружение оптического волокна в ванну расплава и замену вершины оптического волокна, которая практически выталкивается при внезапно возникающем перемещении (вибрации), так что можно следить за новым концом стекловолокна, еще не поврежденным высокой температурой.

Повышение ΔТ₂ температуры Т после второго интервала времени t₀+Δt, по меньшей мере, в 5 раз, предпочтительно, по меньшей мере, в 10 раз, в частности, по меньшей мере, в 20 раз больше повышения ΔТ₁ температуры в первый интервал времени t₀-Δt. В частности, предпочтительно повышение температуры во второй интервал времени в 50 раз, более предпочтительно в 100 раз. Длительность Δt двух интервалов времени должна предпочтительно составлять максимально 500 мс, предпочтительно максимально 200 мс.

Желательно, если температура Т₀ оптического волокна, соответствующая моменту времени t₀ между двумя интервалами времени, составляет максимально 600°С, предпочтительно максимально 200°С, в частности, предпочтительно максимально 100°С. Температура действительно оптического волокна в более узком смысле, другими словами, температура кварцевого стекла должна при этом учитываться. Чем ниже эта температура Т₀, на которой основывается изменение скорости нагревания, тем более точным и эффективным может быть это изменение.

Скорость, с которой оптическое волокно погружают в ванну расплавленного металла или подают в него, соответствует скорости, с которой разрушается стеклянная структура его вершины, так что постоянно подают новый материал оптического волокна, который пригоден для приема и передачи излучения без потерь излучения, возникающих за счет разрушения структуры волокна.

Согласно изобретению, устройство для измерения параметра, в частности температуры, ванны расплава, в частности ванны расплавленного металла, с помощью оптического волокна, имеющего покрытие, и детектора, соединенного с волокном, при этом покрытие окружает волокно в несколько слоев, характеризуется тем, что один слой выполнен в виде металлической трубы, и промежуточный слой, расположенный под ней, выполнен из порошкового, волоконного или гранулированного материала, при этом материал промежуточного слоя окружает волокно на множестве отдельных частей. Признак, согласно которому материал промежуточного слоя окружает волокно на множестве отдельных частей, означает в контексте изобретения, что конструкция во множестве частей существует в рабочем состоянии, другими словами, во время или после погружения в ванну расплава, подлежащего измерению. В этом случае имеются температуры, по меньшей мере, 1000°С, предпочтительно, по меньшей мере, 1400°С. В этом состоянии связующий агент, при необходимости используемый во время изготовления между частями промежуточного слоя, растворяется или сгорает, так что отдельные части не склеены или по существу больше не склеены друг с другом. Части могут образовывать небольшие частицы или же большие скопления, такие как конгломераты или, например, оболочки, расположенные вокруг волокна. Поэтому материал промежуточного слоя является не полностью жестким, а может по меньшей мере, в ограниченной степени перемещаться внутри себя.

Промежуточный слой такого вида нагревается во время погружения оптического волокна в ванну расплавленного металла или в слой шлака над ней, при этом неожиданным образом было установлено, что комбинация металлической трубы и промежуточного слоя, расположенного под ней, выполненного из порошкового или волоконного или гранулированного материала, приводит к внезапному сильному расширению этого материала во время нагревания, начиная с конкретного момента времени и далее по кривой нагревания, в присутствии газов, а именно, если металлическая труба нагревается так, что она не может дольше выдерживать давление, которое возникает внутри металлической трубы вследствие расширения газов промежуточного слоя в результате нагревания. В этом случае внутри металлической трубы образуются быстро увеличивающиеся напряжения, пока она внезапно не разрывается или разрушается другим образом, так что покрытие оптического волокна практически взрывообразно перемещается от волокна. В целом, устройство, согласно изобретению, характеризуется тем, что во время или после разрушения металлической трубы, промежуточный слой очень быстро теряет структуру слоя, при этом его части перемещаются в направлении от волокна. Таким образом, с одной стороны, оптическое волокно очень быстро и внезапно подвергается воздействию ванны расплавленного металла на своем погруженном конце и, с другой стороны, продвижение вершины оптического волокна в ванну расплавленного металла значительно упрощается.

Промежуточный слой предпочтительно образован из диоксида кремния, оксида алюминия или материала, огнеупорного относительно ванны расплавленной стали или из инертного материала. Материал промежуточного слоя не является жестким сам по себе, и отдельные частицы материала могут двигаться относительно друг друга, так что, с одной стороны, покрытие с оптическим волокном является гибким, и, с другой стороны, гарантируется эрратическая природа взрыва или освобождения этого материала. Покрытие может иметь наружный слой из металла, в частности, цинка, керамической бумаги, картона или пластмассового материала.

В покрытии предпочтительно предусмотрен вибратор, или вибратор расположен на покрытии или вблизи него для улучшения освобождения материала покрытия с оптического волокна или удаления (отламывания) разрушенной вершины оптического волокна. Вибратор может быть образован также материалом промежуточного слоя, поскольку было установлено, что частицы материала промежуточного слоя движутся в направлении друг друга при нагревании, причем это движение происходит частично эрратически, так что внутри этого материала или внутри промежуточного слоя возникают вибрации.

Вибратор может быть образован из материала, формирующего газ при температурах между 100°С и 1700°С (например, пластмассового материала или другого материала, который сгорает или испускает газ в этом диапазоне температур). Можно также предусматривать между вибратором и покрытием промежуточное пространство, которое меньше амплитуды колебаний вибратора. В частности, если вибратор расположен снаружи покрытия, то он периодически воздействует на покрытие механически, так что вибрация оптимально передается с помощью этих ударных воздействий. Другой предпочтительной возможностью является то, что снаружи покрытия предусмотрены неравномерности последовательно в продольном направлении, в котором действует препятствие, расположенное вблизи покрытия, в частности, в устройстве направления волокна, так что когда оптическое волокно продвигается, то создается вибрация.

Дополнительно к этому, оптическое волокно может быть окружено металлическим рукавом в качестве внутреннего слоя. Слои покрытия могут быть расположены в каждом случае непосредственно друг над другом, при этом внутренний слой предпочтительно опирается непосредственно на оптическое волокно. Металлическая труба покрытия, а также металлический рукав предпочтительно выполнены из стали, в частности, если устройство используется для измерения в ванне расплавленной стали или в ванне расплавленного железа. По существу, температура плавления материала металлической трубы или металлического рукава должны соответствовать температуре плавления ванны расплавленного металла, подлежащего измерению.

Устройство, согласно изобретению, имеет покрытие для волокна из кварцевого стекла, которое при погружении в ванну расплавленного металла прерывисто разрушается. Таким образом, оптическое волокно удерживается в течение относительно длительного времени при очень низкой температуре, и, начиная от конкретной температуры и далее, волокно нагревается эрратически до температуры равновесия в ванне расплавленного металла, так что можно очень быстро осуществлять измерение, прежде чем оптическое волокно или его конец, погруженный в ванну расплавленного металла, разрушается. При непрерывной подаче волокна в ванну расплава с той же скоростью, с которой разрушается его погруженный конец, всегда имеется полезный для измерения волоконный материал, доступный в ванне расплавленного металла. Вершина волокна непрерывно разрушается, так что торцевая поверхность эрозии волокна является практически стационарной. Для этого волокно или его погруженный конец должны достигнуть температуры ванны в момент начала его разрушения (поэтому в данном случае эта так называемая критическая скорость идентична скорости эрозии, с которой движется торцевая поверхность эрозии волокна). Если скорость эрозии меньше критической скорости, то волокно разрушается, прежде чем оно достигнет температуры ванны.

Ниже приводится в качестве примера описание вариантов выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг.1 - кривая нагревания для способа, согласно одному варианту выполнения изобретения, признаки которой указаны во вступительной части описания;

фиг.2 - устройство, согласно одному варианту выполнения изобретения;

фиг.3 - возможность создания механической вибрации для устройства;

фиг.4а-4с - устройство, согласно различным вариантам выполнения изобретения, с детектором;

фиг.5а-5d - поперечные сечения различных вариантов выполнения волокна с покрытием для устройства; и

фиг.6 - поперечное сечение волокна, в увеличенном масштабе.

На фиг.1 показан ход изменения температуры в зависимости от времени при погружении оптического волокна в ванну расплавленной стали в соответствии со способом, согласно изобретению. Скорость погружения волокна из кварцевого стекла с покрытием в ванну расплавленной стали равна скорости его разрушения (скорости эрозии), так что торцевая поверхность эрозии является квази стационарной в ванне расплавленного металла. Эта скорость соответствует критической скорости, так что оптическое волокно на торцевой поверхности разрушения достигает температуры ванны.

Само волокно кварцевого стекла внутри своего покрытия испытывает только небольшое увеличение температуры в течение длительного периода времени. В конкретный момент времени его покрытие внезапно удаляется, так что его температура увеличивается за короткое время очень резко, пока не достигнет равновесия с температурой ванны расплавленной стали.

На фиг.2 показан тигель 1 с ванной 2 расплавленной стали. В нее погружена система 3 оптического волокна. Система 3 оптического волокна имеет над ванной расплавленного металла наружное покрытие 4, которое служит для более простого продвижения с помощью устройства 5 продвижения. На конце покрытия 4, обращенном к ванне 2 расплавленной стали, расположен вибратор 6, который с короткими интервалами ударяет по покрытию 4, так что покрытие волокна из кварцевого стекла внезапно разрушается за счет создаваемой вибрации, как только оно достигнет заданной температуры. В этой точке температура наружного стального покрытия уже очень высокая, порошок, расположенный между волокном из кварцевого стекла и наружным стальным покрытием, или газ, содержащийся в промежуточном слое, сильно расширился, и при поддержке механического действия вибратора 6 взрывается стальное покрытие, которое в любом случае находится под термомеханическим напряжением. В результате, волокно из кварцевого стекла мгновенно подвергается воздействию температуры ванны расплавленной стали, так что оно чрезвычайно быстро нагревается до равновесной температуры. Промежуточный слой образован из порошка диоксида кремния или порошка оксида алюминия.

На фиг.3 показана система 3 оптического волокна с покрытием, которое имеет на своей наружной стороне неравномерности, расположенные последовательно в продольном направлении. Система 3 оптического волокна направляется с помощью направляющей втулки 7, которая имеет внутри опорный элемент 8, вдоль которого направляется система 3 оптического волокна. На стороне системы 3 оптического волокна, противоположной опорному элементу 8, край направляющей втулки 7 отогнут по касательной внутрь, так что в этой точке он образует препятствие 9. Препятствие 9 входит в соприкосновение с неравномерностями, так что система 3 оптического волокна непрерывно вибрирует во время своего продвижения вперед.

На фиг.4а показана система 3 оптического волокна, в которой волокно 10 из кварцевого стекла окружено стальной трубой 10. Внутри стальной трубы 11 расположен промежуточный слой 12, выполненный из порошка оксида алюминия. Волокно 10 из кварцевого стекла соединено с детектором 13 на своем конце, противоположном погружаемому концу оптического волокна. На фиг.4b показана аналогичная система, и здесь волокно 10 из кварцевого стекла окружено металлическим рукавом 14. Через металлический рукав 14 можно пропускать охлаждающий газ, который выпускается из стальной трубы 11 на конце системы 13 оптического волокна на стороне детектора, так что волокно 10 из кварцевого стекла дополнительно охлаждается. На фиг.4с показана система, также аналогичная показанной на фиг.4а системе 3 оптического волокна. Промежуточное пространство между стальной трубой 11 и волокном 10 из кварцевого стекла разделено на несколько камер с помощью картонных дисков 15, расположенных перпендикулярно оптическому волокну 10. Картонные диски 15 служат, с одной стороны, для стабилизации промежуточного слоя 12. Они стабилизируют, в частности, порошок промежуточного слоя 12 во время разрушения системы 3 оптического волокна, проходящего в продольном направлении. С другой стороны, во время сгорания картонных дисков 15, происходящего из-за нагревания, создается дополнительное нарушение непрерывности или разрыв, который способствует воздействию ванны расплавленного металла на волокно 10 из кварцевого стекла, так что оно очень быстро нагревается после разрушения покрытия.

На фиг.5а-5d показано несколько возможностей для стабилизации волокна 10 из кварцевого стекла в центре покрытия системы 3 оптического волокна. Согласно фиг.5а, стальная труба 11 изогнута так, что она образует как единое целое концентрично расположенную внутреннюю трубу 16, которая соединена с наружной стальной трубой 11 соединительной частью 17, проходящей вдоль покрытия. Наружная стальная труба 11 сварена в точке 18 шва и имеет толщину стенки примерно 0,5 мм. Волокно 10 из кварцевого стекла расположено во внутренней трубе 16. В варианте выполнения, согласно фиг.5b, волокно 10 из кварцевого стекла расположено центрально в материале промежуточного слоя 12. На фиг.5 с показан другой вариант выполнения системы 3 оптического волокна, аналогичной системе, показанной на фиг.5а. Здесь стальная труба 11 состоит из двух половин с образованием двух соединительных частей 17, с помощью которых центрально фиксируется волокно 10 из кварцевого стекла. Вариант выполнения, согласно фиг.5d, имеет аналогичную конструкцию. Дополнительно к этому, имеется вторая наружная стальная труба 19, которая удерживает вместе стальную трубу 11, образованную из двух оболочек. Толщина стенки двух стальных труб 11, 19 может быть соответственно уменьшена по сравнению с другими вариантами выполнения и составляет в каждом случае примерно 0,25 мм. Необходима единственная сварка в точке 20 шва.

На фиг.6 показано в увеличенном масштабе поперечное сечение волокна. Волокно 10 из кварцевого стекла окружено на минимальном расстоянии стальным кожухом 21, так что возможно различное расширение двух материалов при нагревании, и тем не менее волокно 10 из кварцевого стекла стабилизировано. Между стальным кожухом 21 и стальной трубой 11 расположен промежуточный слой 12, выполненный из частиц оксида алюминия. Стальная труба 11 свернута из металлического листа и закрыта с помощью фальца 23.

Изобретение относится к способу измерения параметра ванны расплава с помощью оптического волокна, окруженного покрытием. Оптическое волокно погружено в ванну расплава и излучение, поглощаемое оптическим волокном в ванне расплава, подается в детектор, при этом оптическое волокно нагревается при погружении в ванну расплава. Кривая нагревания оптического волокна имеет, по меньшей мере, одну точку Р (t₀, T₀), при этом увеличение ΔТ₁ температуры Т оптического волокна в течение времени Δt в первый интервал времени t₀-Δt до температуры Т₀ меньше, чем повышение ΔТ₂ температуры оптического волокна в течение времени Δt в непосредственно следующем втором интервале времени t₀+Δt. Устройство для реализации указанного способа содержит покрытие, которое окружает волокно в несколько слоев, при этом один слой содержит металлическую трубу, и предусмотрен промежуточный слой, расположенный под ней, содержащий порошковый, волоконный или гранулированный материал, при этом материал промежуточного слоя окружает волокно в виде множества частей. Технический результат - улучшение измерения параметров в ваннах расплава с помощью оптических волокон. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ измерения параметра ванны расплава с помощью оптического
волокна, окруженного покрытием, при этом оптическое волокно погружено в ванну расплава, и излучение, поглощаемое оптическим волокном в ванне расплава, подается в детектор, при этом оптическое волокно нагревается при погружении в ванну расплава, причем кривая нагревания оптического волокна имеет, по меньшей мере, одну точку Р (t₀, Т₀), при этом увеличение Δt₁ температуры Т оптического волокна в течение времени Δt в первый интервал времени t₀-Δt до температуры Т₀ меньше, чем повышение ΔТ₂ температуры оптического волокна в течение времени Δt в непосредственно следующем втором интервале времени t₀+Δt, при этом температура Т₀ оптического волокна в момент времени t₀ между двумя интервалами времени составляет максимально 600°С.

2. Способ по п.1, в котором параметр является температурой.

3. Способ по любому из пп.1 или 2, в котором ванна расплава является ванной расплавленного металла.

4. Способ по п.1, в котором повышение ΔТ₂ температуры во втором интервале времени t₀+Δt, по меньшей мере, в 5 раз больше повышения Δt₁ температуры в первый интервал времени t₀-Δt.

5. Способ по п.4, в котором повышение ΔТ₂ температуры во втором интервале времени t₀+Δt, по меньшей мере, в 10 раз больше повышения Δt₁ температуры в первый интервал времени t₀-Δt.

6. Способ по п.5, в котором повышение ΔТ₂ температуры во втором интервале времени t₀+Δt, по меньшей мере, в 20 раз больше повышения ΔT₁ температуры в первый интервал времени t₀-Δt.

7. Способ по п.6, в котором повышение ΔТ₂ температуры во втором интервале времени t₀+Δt, по меньшей мере, в 50 раз больше повышения ΔT₁ температуры в первый интервал времени t₀-Δt.

8. Способ по п.7, в котором повышение ΔТ₂ температуры во втором интервале времени t₀+Δt, по меньшей мере, в 100 раз больше повышения ΔT₁ температуры в первый интервал времени t₀-Δt.

9. Способ по п.1, в котором время Δt имеет длительность максимально 500 мс.

10. Способ по п.9, в котором время Δt имеет длительность максимально 200 мс.

11. Способ по п.1, в котором температура Т₀ оптического волокна в момент времени t₀ между двумя интервалами времени составляет максимально 200°С.

12. Устройство для измерения параметра ванны расплава с помощью оптического волокна, имеющего покрытие, и детектора, соединенного с волокном, при этом покрытие окружает волокно в несколько слоев, при этом один слой содержит металлическую трубу, и предусмотрен промежуточный слой, расположенный под ней, содержащий порошковый, волоконный или гранулированный материал, при этом материал промежуточного слоя окружает волокно в виде множества частей.

13. Устройство по п.12, в котором параметр является температурой.

14. Устройство по любому из пп.12 или 13, в котором ванна расплава является ванной расплавленного металла.

15. Устройство по п.12, в котором промежуточный слой содержит инертный материал, диоксид кремния, оксид алюминия или материал, огнеупорный относительно ванны расплава.

16. Устройство по п.12, в котором наружный слой содержит металл, керамическую бумагу, картон или пластмассовый материал.

17. Устройство по п.16, в котором металл содержит цинк.

18. Устройство по п.12, в котором покрытие содержит вибратор, или вибратор расположен на покрытии или вблизи него.

19. Устройство по п.18, в котором вибратор содержит материал, который образует газ при температуре между 100°С и 1700°С.

20. Устройство по любому из пп.18 или 19, в котором между вибратором и покрытием расположено промежуточное пространство, которое меньше амплитуды колебания вибратора.

21. Устройство по п.20, в котором наружная сторона покрытия имеет неравномерности, расположенные последовательно в продольном направлении, с которыми соприкасается препятствие, расположенное вблизи покрытия, в частности на направляющей волокно системе.

22. Устройство по п.12, в котором оптическое волокно окружено металлическим рукавом в качестве внутреннего слоя.

23. Устройство по п.12, в котором слои покрытия расположены непосредственно друг на друге.

24. Устройство по п.23, в котором слой на внутренней стороне опирается непосредственно на оптическое волокно.