TWI548865B - 溫度連續測量裝置及包含該裝置的ｒｈ設備 - Google Patents

Description

溫度連續測量裝置及包含該裝置的RH設備

本發明係關於一種在煉鋼廠中主要執行真空除氣之魯爾-賀利氏(RH)程序中使用之溫度連續感測器，及一種包含該裝置的RH設備。

真空容器內之真空位準及溫度以及添加劑係執行真空除氣程序之RH設備之重要控制因素。

儘管可透過使用熱電偶之溫度感測器或複合感測器成批獲得用於溫度之連續測量及控制之各種資訊，但該溫度感測器或複合感測器在連續提供關於熔融鋼之資訊方面具有限制。

參考美國專利第6,235,084號(發佈於2001年5月22日)，通常藉助溫度測量元件(熱電偶)使用曝露於大氣之盛桶之上部表面上之噴槍來測量RH設備之溫度。然而，在此情形中，由於使用可棄式感測器執行溫度測量，因此間歇地測量溫度，藉此使得難以達成溫度連續管理。

韓國專利第0816634號(發佈於2008年3月18日)揭示一種藉由將熱電偶配置於保護體內而測量溫度達長時間週期之方法。然而，此方法需要具有像感測器一樣長的長度之昂貴鉑熱電偶(成本係由於高價保護管而招致)，當將該熱電偶浸漬於待測量之熔體中時熱平衡花費長的持續時間，從而導致不合意回應效能，且由於其中重複熱電偶之浸漬及回收之真空除氣程序之特性而快速進行降解，藉此使得難以使用 熱電偶達長時間週期。

美國專利公開案第2007-0268477號(公開於2007年11月22日)揭示一種其中可藉由將光纖浸漬於熔融金屬中同時校正測量儀器由於輻射熱之誤差來執行溫度連續測量之方法。光纖直接接觸熔融鋼之內部而避免漂浮於該熔融金屬上之熔渣，藉此達成熔融金屬之溫度測量。在此方法中，由於經浸漬光纖可損失掉，因此透過供應光纖之饋送器來執行光纖之連續浸漬。此外，此方法可具有由熱輻射導致之問題。

本發明之問題係提供一種可以低成本連續測量溫度且可在RH設備中有效測量熔融鋼之溫度之溫度連續測量裝置，及一種包含該裝置的RH設備。

該問題藉由在獨立請求項中闡述之本發明來解決。在附屬請求項中揭示較佳實施例。

根據本發明之一項態樣，一種溫度連續測量裝置包含：光轉溫度轉換器，其基於所接收光而測量溫度；光導桿，其自測量目標接收光；光纖，其將由該光導桿接收之該光傳送至該光轉溫度轉換器；連接器，其將該光纖連接至該光導桿，同時維持該光纖之平直度；初級保護管，其封圍該光導桿之外周邊表面；及撓性耐熱管，其保護該光纖。

較佳地，該溫度連續測量裝置進一步包括：次級保護管，其封圍該初級保護管之外周邊表面且在該初級保護管與該次級保護管之間形成冷卻氣體通道；及接頭，其連接至該撓性耐熱管且具備冷卻氣體注射管。該冷卻氣體注射管相對於朝向該光導桿之方向以鈍角傾斜可係有利的。該溫度連續測量裝置可進一步包括固定部件，該固定部件連接於該初級保護管與該次級保護管之間以便維持該初級保護管及該次級保護管之平直度，且具有冷卻氣體透過其流動之連通凹部。

進一步較佳地，該光導桿具備突出部且該初級保護管具備用於 止擋該突出部以使得該光導桿不與該初級保護管分離之止擋件。該初級保護管可劃分成兩個耦合區段，使得當耦合形成該止擋件時該突出部之每一側鄰接每一保護管區段。

該溫度連續測量裝置可進一步包括熱電偶，該熱電偶具有形成於該連接器上之溫度測量接面。溫度升高可導致誤差。該熱電偶可用來校正此誤差。

根據本發明之另一態樣，一種用於執行熔融金屬之真空除氣程序之RH設備包含：感測器孔，其形成於真空容器之下部容器處；溫度連續測量裝置，其安裝於該感測器孔上且包含基於所接收光而測量溫度之光轉溫度轉換器、自測量目標接收光之光導桿、將由該光導桿接收之該光傳送至該光轉溫度轉換器之光纖、將該光纖連接至該光導桿同時維持該光纖之平直度之連接器、封圍該光導桿之外周邊表面之初級保護管、保護該光纖之撓性耐熱管及連接至該撓性耐熱管且具備冷卻氣體注射管之接頭；及冷卻氣體供應單元，其將冷卻氣體供應至該冷卻氣體注射管。

該RH設備較佳地包括：凸緣管，其自該感測器孔延伸；及外部凸緣管，其封圍該初級保護管之外周邊表面，從而在該初級保護管與該外部凸緣管之間形成冷卻氣體通道，且耦合至該凸緣管，其中在該凸緣管與該外部凸緣管之間供應該冷卻氣體。此外，該RH設備進一步包括在該凸緣管及該外部凸緣管下方的用於屏蔽輻射熱之熱屏蔽板可係有利的。

進一步較佳地，該感測器孔經形成以測量升液管與降液管之間的區域之溫度。該感測器孔可經形成處於距該下部容器之底部100mm至300mm之高度。

該光導桿之光接收端可放置於距耐火材料100mm至200mm之距離內。

根據本發明之實施例，該溫度連續測量裝置可連續測量熔融金屬之溫度且可使用不止一次而是連續使用達長時間週期。

此外，該RH設備使得可連續且穩定地識別該熔融金屬之溫度，藉此達成有效程序管理。

在以下說明及申請專利範圍中使用之術語應解釋為具有與其在說明書及相關技術之內容脈絡中之含義一致之含義，且不應如通常使用之辭典中所定義而在理想化或過度正式之意義上加以解釋。另外，說明書中之揭示內容及圖式中所展示之組態僅係本發明之例示性實施例且並不涵蓋本發明之所有技術理念。因此，應理解，可在對本申請案提出申請時由各種等效內容及修改替換此等實施例。

本發明係關於一種可連續測量高溫測量目標(諸如熔融金屬)之溫度之溫度連續測量裝置，且大體而言係關於一種可用於魯爾賀利氏(RH)設備中之溫度連續測量裝置。

圖1係根據本發明之一項實施例之溫度連續測量裝置之圖式。

參考圖1，根據本發明之一項實施例之溫度連續測量裝置包含：光轉溫度轉換器110，其基於所接收光而測量溫度；光導桿120，其自測量目標接收光；光纖130，其將由光導桿120接收之光傳送至光轉溫度轉換器；連接器140，光纖130透過其連接至光導桿120同時維持於平直狀態中；初級保護管150，其封圍光導桿120之外周邊表面；及撓性耐熱管160，其保護光纖。

光轉溫度轉換器110可包含接收光以藉此產生電信號之輻射高溫計及顯示經測量溫度之顯示器。

根據本發明之溫度連續測量裝置透過光學方法來測量溫度。然而，由於熔渣漂浮於盛桶中，因此以該光學方法難以自盛桶上面測量溫度。在先前技術之說明中呈現之美國專利公開案第2007-0268477號中揭示透過使光纖與熔融金屬直接接觸以接收光來測量溫度之方法，其中光纖浸漬於熔融金屬中且因此經消耗掉，因而導致成本增加。

然而，由於熔融鋼在熱處理後旋即藉由如真空除氣程序中之壓力減小而曝露於真空容器之內部，因此本發明可藉由自曝露於經壓力減小氛圍之熔融鋼接收光而移除不必要程序(諸如光纖之連續浸漬)。

此外，由於光纖具有弱機械性質(儘管具有極佳撓性)，因此在將光纖直接連接至光轉溫度轉換器的同時透過單獨部件將光纖連接至測量側之真空容器以用於光接收在安裝或高溫耐久性方面係有利的。

本發明提供使用具有極佳光傳輸性之光導桿及光纖來促進真空容器內之光接收之結構。

根據本發明，光導桿120具備自其外周邊表面突出之突出部122，且初級保護管150具備用於止擋突出部122以使得光導桿120不與初級保護管150分離之止擋件123。光導桿120用於導引光且可由在高溫下不變形之透明材料形成。舉例而言，光導桿120可由石英、藍寶石、耐熱玻璃、透明合成樹脂或諸如此類形成。

儘管已採用各種手段(諸如夾子固定、黏合劑及諸如此類)來固定光導桿120，但突出部122形成於光導桿120之平滑表面上且用於止擋突出部122之止擋件123經提供至初級保護管150，藉此提供用於防止洩露之合意結構。

如圖1中所展示，針對具有此結構之初級保護管150之組態，初級保護管150可經形成具有其中初級保護管150劃分成彼此耦合之左區段及右區段(其中止擋件122放置於其之間的中央處)之結構。

由於光導桿120可因在RH設備之使用條件中壓力減小或熔融鋼之噴吹而產生大振動，因此初級保護管150封圍光導桿120之外周邊表面以保護光導桿120，藉此加固光導桿120。

儘管在真空容器(諸如RH設備)中之溫度測量期間可伴有由於根據壓力減小之壓力差造成之問題，但可藉由自外側連續引入冷卻氣體來解決此等問題。

為此，根據本發明之溫度連續測量裝置可包含連接至撓性耐熱管且具備冷卻氣體注射管172之接頭170。

此外，冷卻氣體注射管172可相對於朝向光導桿120之方向以鈍角傾斜，使得接頭170可沿朝向光導桿120之方向引入冷卻氣體。亦即，冷卻氣體注射管172經組態以允許經引入冷卻氣體沿朝向光導桿120而非朝向光轉溫度轉換器110之方向平滑地流動，藉此無壓降地供應冷卻氣體。

另外，使用接頭170之此冷卻氣體供應結構可由於室溫或低溫冷卻氣體而防止高溫熔融鋼直接損壞光導桿120或使其變形。

可將初級保護管150插入至次級保護管180中，使得冷卻氣體可流動至初級保護管150與次級保護管180之間的空間中。亦即，初級保護管150之外表面與次級保護管180之內表面彼此分離預定距離，使得冷卻氣體可流動至其之間的空間中。

為此，溫度連續測量裝置可進一步包含固定部件190，該固定部件連接初級保護管150及次級保護管180以便維持初級保護管150及次級保護管180之平直度，且具有冷卻氣體透過其流動之連通凹部。

如上文所闡述，初級保護管150用以保護光導桿120以便防止光導桿120由於振動之損壞。然而，由於初級保護管150安置於次級保護管180內以使得在初級保護管150與次級保護管180之間形成冷卻氣體通道，因此需要能夠將初級保護管150緊緊固定至次級保護管180之固定部件190。

圖2展示其中固定部件190附接至初級保護管150之狀態，且圖3係固定部件190之前視圖。

固定部件190將初級保護管150連接至次級保護管180。如圖3中所展示，固定部件190之內周邊表面附接至初級保護管150，且固定部件190之外周邊表面可由附接至次級保護管180之內表面之接觸表面192及與次級保護管180之內表面分離之非接觸表面194構成。

固定部件190之內周邊表面亦可由附接至初級保護管150之外周邊表面之接觸表面及未附接至初級保護管150之外周邊表面之非接觸表面構成。另一選擇係，固定部件190亦可以其中其內周邊表面附接至初級保護管150、其外周邊表面附接至次級保護管180且冷卻氣體透過其流動之通孔由此形成之形狀組態。

返回參考圖1，溫度連續測量裝置包含連接器140，該連接器將光導桿120連接至光纖130且用以維持不具有剛度之光纖130之平直度。

FC連接器可用作連接器140。FC連接器可透過環氧樹脂之填充而形成，且當通常在150攝氏度之溫度下使用之環氧樹脂曝露於高溫環境時，可由於光接收而產生經測量溫度之偏差。

因此，可將單獨熱電偶142附接至連接器140。溫度升高可導致 誤差。該熱電偶可用來校正此誤差。

更詳細地，熱電偶之溫度測量接面形成於連接器上，且熱電偶測量裝置藉由使補償引線延伸至撓性耐熱管160中而額外地提供至光轉溫度轉換器110，藉此使得可監測連接器140之溫度增加並處理溫度測量環境之改變。

接下來，將闡述包含前述溫度連續測量裝置之RH設備。

圖4係一般RH設備之示意圖。

由於藉由在鼓風爐中熔化鐵礦石而製備之熔融鐵具有高碳含量，因此藉由在煉鋼程序中將熔融鐵浸漬於轉爐中且以純氧氣鼓泡而將熔融鐵中之碳移除至預定含量(約0.04%)。將其碳含量減少至預定位準之熔融鐵稱為熔融鋼。

在轉爐程序之後，將熔融鋼饋送至RH設備中。在RH設備中，在真空下劇烈攪拌熔融鋼以使得熔融鋼之組份及溫度變得均勻且自熔融鋼移除剩餘氣體組份。此後，將熔融鋼饋送至連續鑄造程序中。

用於執行真空除氣程序之RH設備包含：真空容器10，其包含上部容器12及下部容器14；盛桶20，其放置於真空容器10下方且儲存熔融鋼；升液管30，儲存於盛桶20中之熔融鋼藉由真空容器內之經減小壓力透過其吸入至真空容器10中；及降液管40，真空容器內之熔融鋼透過其排放至盛桶20中。

在真空容器10中形成排氣口16，將排氣泵連接至該排氣口。

RH設備使熔融鋼循環穿過包含升液管(儲存於盛桶20中之熔融鋼藉由真空容器10內之經減小壓力透過其吸入至真空容器10中)及降液管(真空容器內之熔融鋼透過其排放至盛桶中)之兩個循環管。RH設備透過提供至升液管30之噴嘴吹送氬氣以減小熔融鋼之視比重，藉此導致真空容器10內之熔融鋼之高度差，且減小經壓力減小氛圍中之熔融鋼內之氣相分子之分壓以藉此執行除氣程序。

圖5係根據本發明之一項實施例之RH設備之示意圖，且圖6係根據本發明之實施例之RH設備中之次級保護管之內部結構之視圖。

根據本發明之實施例之RH設備包含：感測器孔15，其形成於真空容器10之下部容器14處；溫度連續測量裝置100，其安裝於感測器孔上且包含基於所接收光而測量溫度之光轉溫度轉換器、自測量目標接收光之光導桿120(位於圖6中之初級保護管內側)、將由光導桿120接收之光傳送至光轉溫度轉換器之光纖、將光纖連接至光導桿120以便維持光纖之平直度之連接器140、封圍光導桿120之外周邊表面之初級保護管150、保護光纖之撓性耐熱管及連接至撓性耐熱管且具備冷卻氣體注射管之接頭；及冷卻氣體供應單元(未展示)，其將冷卻氣體供應至該冷卻氣體注射管。

根據本發明之實施例之RH設備進一步包含次級保護管180，次級保護管180包含：凸緣管182，其自感測器孔延伸；及外部凸緣管184，其封圍初級保護管150之外周邊表面，在初級保護管150與外部凸緣管184之間形成冷卻氣體通道，且耦合至凸緣管。

此外，初級保護管150透過固定部件190固定至次級保護管180之內部。固定部件190具備冷卻氣體(由虛線展示)可透過其流動之連通凹部。

根據本發明之實施例之RH設備可進一步包含在凸緣管182及外部凸緣管184下方之屏蔽輻射熱之熱屏蔽板185。

由於安裝於感測器孔上之溫度連續測量裝置曝露於盛桶中之高溫熔融鋼及熔渣，因此用於屏蔽輻射熱之熱屏蔽板185可安置於凸緣管182及外部凸緣管184下方，藉此防止溫度連續測量裝置之過熱。

感測器孔15可經形成以使得可測量升液管與降液管之間的區域之溫度。此外，感測器孔15可經形成處於距下部容器14之底部100mm至300mm之高度。

在其中感測器孔15經形成處於距下部容器14之底部小於100mm之高度之情形中，熔融鋼在經完全處理之後降落至盛桶中，且自真空容器之上部側及內側落下之澆桶粑可堆疊於其中已恢復壓力之真空容器之下部部分處。此時，堆疊於真空容器之下部部分處之澆桶粑中之某些澆桶粑熔接於感測器孔15上或靠近感測器孔15以遮擋光，藉此在盛桶之後續使用中導致問題。

另一方面，在其中感測器孔15經形成處於距下部容器14之底部大於300mm之高度之情形中，熔融鋼在經處理時無法達到感測器孔，藉此導致不準確地接收熔融鋼。

感測器孔15之配置中之另一重要因素係感測器孔15與浸漬管之間的相關性。使用載體氣體來將熔融鋼吸入於包含交替使用之升液管及降液管之兩個浸漬管中，且由於載體氣體及熔融鋼之吸入，圍繞浸漬管之耐火材料之熔化損失變得嚴重。然而，由於根據本發明之溫度連續測量裝置安裝於下部容器之耐火材料內側，因此耐火材料之熔化損失可導致光導桿之曝露，此可由於光導桿在高溫下之變形而導致經測量溫度之偏差。因此，感測器孔可安置於升液管與降液管之間的區域中。

當溫度連續測量裝置100安裝於耐火材料內側時，期望光導桿之光接收端放置於距耐火材料100mm至200mm之距離內。然而，當光導桿之光接收端太靠近於熔融鋼放置時，由於真空容器之耐火材料腐蝕，因此石英棒可直接曝露於熔融鋼，藉此由於高溫變形而導致測量偏差。另一方面，當光導桿之光接收端放置於下部容器中太深時，光導桿無法自熔融鋼接收光。

在根據本發明之RH設備中，自熔融鋼輻射之光透過光導桿及撓性耐熱管內之光纖傳送至光轉溫度轉換器且在光轉溫度轉換器中讀取為溫度值。自冷卻氣體供應單元供應之冷卻氣體透過連接至撓性耐熱 管之一部分之接頭沿光源之方向引入，在初級保護管與次級保護管之間通過，且保護光導桿使其免受熔融鋼及熔融鋼之高溫影響。此外，形成於光導桿上之突出部及安裝於初級保護管中之止擋件可防止光導桿在經減小壓力下被吸入至真空容器中。

儘管已提供某些實施例來圖解說明本發明，但熟習此項技術者將明瞭，該等實施例係藉由圖解說明方式給出，且可在不背離本發明之精神及範疇之情況下做出各種修改及等效實施例。因此，本發明之範疇應僅由隨附申請專利範圍及其等效內容限制。

10‧‧‧真空容器

12‧‧‧上部容器

14‧‧‧下部容器

15‧‧‧感測器孔

16‧‧‧排氣口

20‧‧‧盛桶

30‧‧‧升液管

40‧‧‧降液管

100‧‧‧溫度連續測量裝置

110‧‧‧光轉溫度轉換器

120‧‧‧光導桿

122‧‧‧突出部/止擋件

123‧‧‧止擋件

130‧‧‧光纖

140‧‧‧連接器

142‧‧‧單獨熱電偶

150‧‧‧初級保護管

160‧‧‧撓性耐熱管

170‧‧‧接頭

172‧‧‧冷卻氣體注射管

180‧‧‧次級保護管

182‧‧‧凸緣管

184‧‧‧外部凸緣管

185‧‧‧熱屏蔽板

190‧‧‧固定部件

192‧‧‧接觸表面

194‧‧‧非接觸表面

依據結合隨附圖式對以下實施例進行之詳細說明將明瞭本發明之以上及其他態樣、特徵及優點，在附圖中：圖1係根據本發明之一項實施例之溫度連續測量裝置之圖式；圖2係根據本發明之實施例之附接至溫度連續測量裝置之初級保護管之固定部件之剖面圖；圖3係根據本發明之實施例之溫度連續測量裝置之固定部件之前視圖；圖4係一般RH設備之示意圖；圖5係根據本發明之一項實施例之RH設備之示意圖；且圖6係根據本發明之實施例之RH設備中之次級保護管之內部結構之視圖。

110‧‧‧光轉溫度轉換器

120‧‧‧光導桿

122‧‧‧突出部/止擋件

130‧‧‧光纖

140‧‧‧連接器

142‧‧‧單獨熱電偶

150‧‧‧初級保護管

160‧‧‧撓性耐熱管

170‧‧‧接頭

172‧‧‧冷卻氣體注射管

180‧‧‧次級保護管

Claims (13)

1. 一種溫度連續測量裝置，其包括：光轉溫度轉換器，其基於所接收光而測量溫度；光導桿，其自測量目標接收光；光纖，其將由該光導桿接收之該光傳送至該光轉溫度轉換器；連接器，其將該光纖連接至該光導桿，同時維持該光纖之平直度；初級保護管，其封圍該光導桿之外周邊表面；及撓性耐熱管，其保護該光纖。
2. 如請求項1之溫度連續測量裝置，其進一步包括：次級保護管，其封圍該初級保護管之外周邊表面且在該初級保護管與該次級保護管之間形成冷卻氣體通道；及接頭，其連接至該撓性耐熱管且具備冷卻氣體注射管。
3. 如請求項2之溫度連續測量裝置，其中該冷卻氣體注射管相對於朝向該光導桿之方向以鈍角傾斜。
4. 如請求項2之溫度連續測量裝置，其進一步包括：固定部件，其連接於該初級保護管與該次級保護管之間以便維持該初級保護管及該次級保護管之平直度，且具有冷卻氣體透過其流動之連通凹部。
5. 如請求項1之溫度連續測量裝置，其中該光導桿具備突出部且該初級保護管具備用於止擋該突出部以使得該光導桿不與該初級保護管分離之止擋件。
6. 如請求項5之溫度連續測量裝置，其中該初級保護管劃分成兩個耦合區段，使得當耦合形成該止擋件時該突出部之每一側鄰接 每一保護管區段。
7. 如請求項1之溫度連續測量裝置，其進一步包括：熱電偶，其具有形成於該連接器上之溫度測量接面。
8. 一種用於執行熔融金屬之真空除氣程序之RH設備，該RH設備包括：感測器孔，其形成於真空容器之下部容器處；溫度連續測量裝置，其安裝於該感測器孔上，該溫度連續測量裝置包括基於所接收光而測量溫度之光轉溫度轉換器、自測量目標接收光之光導桿、將由該光導桿接收之該光傳送至該光轉溫度轉換器之光纖、將該光纖連接至該光導桿同時維持該光纖之平直度之連接器、封圍該光導桿之外周邊表面之初級保護管、保護該光纖之撓性耐熱管及連接至該撓性耐熱管且具備冷卻氣體注射管之接頭；及冷卻氣體供應單元，其將冷卻氣體供應至該冷卻氣體注射管。
9. 如請求項8之RH設備，其進一步包括：凸緣管，其自該感測器孔延伸；及外部凸緣管，其封圍該初級保護管之外周邊表面，從而在該初級保護管與該外部凸緣管之間形成冷卻氣體通道，且耦合至該凸緣管，其中在該凸緣管與該外部凸緣管之間供應該冷卻氣體。
10. 如請求項9之RH設備，其進一步包括：熱屏蔽板，其用於在該凸緣管及該外部凸緣管下方屏蔽輻射熱。
11. 如請求項8之RH設備，其中該感測器孔經形成以測量升液管與降液管之間的區域之溫度。
12. 如請求項8之RH設備，其中該感測器孔經形成於距該下部容器之底部100mm至300mm之高度。
13. 如請求項8之RH設備，其中該光導桿之光接收端放置於距耐火材料100mm至200mm之距離內。