CN1109970A - 温度测量装置 - Google Patents

Abstract

一种温度测量装置包括：光纤(11)，用于包覆光 纤的金属保护管(12)，以及用于包覆保护管的绝热涂 层(13)。该光纤用保护管和绝热涂层包覆形成双重 被覆光纤。该绝热涂层含有熔点高于待测熔融金属 温度的添加剂粒子。该绝热层可以包含纤维素。

Description

本发明涉及一种温度测量装置，更具体地说是涉及温度测量装置的结构。

例如在连续浇铸过程中，为了改进产品质量和提高生产率，必需精确测量浇铸期间钢水的温度和液面。测量浇口盘和铸模中钢水温度的传统技术是在输入钢水的石墨套管内侧设置了固化室，使用消耗型浸没式热电偶或用陶瓷保护管包覆热电偶的接触式温度计测定固化室内的温度。

因为消耗型浸没式热电偶直接接触钢水，所以仅在一次测量循环后它就变坏。因此，在温度计端头处的测温探头是可拆卸的，在每次测量中都需要更换端探头。由于在每次测量时都要报废这种昂贵的端探头，所以增加测量次数是很困难的。

在用陶瓷管包覆热电偶的情况下，热电偶并不同钢水直接接触。因而，可以进行连续测量。然而，在该情况中，由于热冲击和结渣引起的腐蚀，限制了陶瓷保护管的使用寿命。结果，昂贵的保护管仅能耐用50～100小时，因而长期反复使用是不可能的。

作为解决上述各种问题的方法，介绍了消耗型温度测量技术，该技术使用浸入高温熔融金属的光纤，将从钢水发射的辐射光导向光纤，使用安装在光纤另一端的光电转换元件测量辐射光的亮度，以测定钢水温度。例如，可以参考未经审查的日本专利公报No.62-19727。

然而，为了精确地测量熔融金属的温度，必需使光纤稳定地浸入熔融金属到相当深度。在上述专利公报公开的技术中，光纤的强度很低。在用普通材料[例如TEFLON（商标）]包覆光纤的情况中，当光纤接近熔融金属表面时该被覆材料着火，光纤芯暴露明显地降低了光纤强度。结果，光纤很容易在浸入熔融金属处折断，这使光纤很难浸入熔融金属中。因此，无法使光纤浸入熔融金属到能精确测定熔融金属内部温度所需的深度。

在未经审查的日本专利公报No.4-231509中公开了使用双重被覆光纤测量深部区域温度的另一种技术。该公开技术涉及用一种绝热涂层包覆金属管，由于存在绝热涂层所以延长了光纤的熔化时间。尽管如此，溶损量仍然很大，从成本观点来看，一直要求进一步延长光纤的寿命。此外，普通绝热材料的耐热性不够，不能使光纤稳定地浸入钢水。从这一点也期待着使用更好绝热性能的涂层包覆光纤。

本发明的目的是提供一种能确保长期和高精度地测量温度的温度测量装置。

为了实现上述目的，本发明提供一种温度测量装置，该装置包括：

（a）光纤;

（b）用于包覆光纤的金属保护管;

（c）用于包覆保护管的绝热涂层，用保护管和绝热涂层包覆的光纤形成了双重被覆光纤，双重被覆光纤的端头是温度测量元件，和

（d）所述绝热涂层包含熔点高于待测熔融金属温度的颗粒添加剂。

本发明还提供一种温度测量装置，该装置包括：

（a）光纤;

（b）用于包覆光纤的金属保护管;和

（c）用于包覆保护管的绝热涂层，该绝热涂层含有纤维素。

附图简要说明

图1表示本发明温度测量装置的横断面图;

图2表示本发明处于测量状态时温度测量装置的横断面图;

图3表示本发明处于另一种测量状态时温度测量装置的横断面图;

图4是图解说明使用本发明双重被覆光纤的温度测量装置简图;

图5是表示在不含碳粒子的普通绝热涂层情况下熔损量的频率分布;

图6是表示在含有碳粒子的绝热涂层情况下熔损量的频率分布;

图7是表示用不含碳粒子的普通绝热涂层测定温度的波形图;

图8是表示用含有碳粒子的绝热涂层测定温度的波形图;

图9表示钢水温度和使用不含碳粒子的普通绝热涂层双重被覆光纤所测温度之间的关系;

图10表示钢水温度和使用含有碳粒子的绝热涂层双重被覆光纤所测温度之间的关系。

实施方案说明

本发明的双重被覆光纤在光纤上具有保护管，还具有包覆保护管的绝热涂层。该绝热涂层含有熔点高于测定对象温度的颗粒。该高熔点颗粒使用碳粒子（carbon particles）。

此外，本发明的双重被覆光纤在其上具有金属保护管，还具有由包覆保护管的纤维素组成的绝热涂层。该绝热涂层是用纸张制成的。

例如，碳（石墨）是一种具有高于3500℃的最高熔点的元素。当使含有碳粒子作为添加剂的绝热材料浸入钢水时，碳粒子不会发生燃烧。因为它们得不到氧气，当绝热材料在熔融金属中熔化后，碳粒子在保护管上遗留下一层木炭层。残留的木炭层具有绝热效果以致抑制保护管熔损。此外，由于有高温耐用性金属的支撑从而保持了光纤的抗弯强度。

由此可见，含有熔点温度高于测定对象温度的碳粒子作为添加剂的绝热涂层降低了光纤的损耗并保持了保护管的强度，这就能够测定熔融金属内部（深处）的温度。

当将由纤维素组成的绝热材料浸入熔融金属时，还确立了不伴有氧化作用的受热状态。结果，在绝热材料熔化后留下了碳结构，作为木炭残存在保护管表面上。此外，由于有高温耐用金属的支撑，从而保持了光纤的抗弯强度。

按照上述程序，含有纤维素成分的绝热涂层降低了光纤的损耗并保持了保护管的强度，从而能够测量熔融金属内部（深处）的温度。

实施例1

图1表示本发明实施例1的光纤横断面。数字1表示双重被覆光纤。该双重被覆光纤包括光纤11、用于包覆光纤11的保护管12以及用于包覆保护管12表面的绝热涂层13。该光纤11是用石英玻璃制造的GI纤维（GRADED-INDEX MULTIMODE FIBER）。该光纤11的内径为50μm，外径为125μm的光纤被缩写为“50/125光纤”。该保护管12用外径为1.4mm、内径为1mm的不锈钢管制成。该绝热涂层13用含有约3%碳粒子作为添加剂的聚乙烯树脂制成。

例如，如同图4中所示，测定钢水温度的温度测量装置由双重被覆光纤（它被绕在进料筒2周围并同时用作光导和温度测量元件）、光纤传送装置3和信号处理器4组成。用惰性气体7吹洗接近钢水表面的双重被覆光纤周围，以实现光纤被覆的最大耐热效果并防止被覆材料免遭燃烧。

使用上述结构的温度测量装置测定钢水的温度。当双重被覆光纤1的端头通过粉末6被浸入钢水5时，即使在双重被覆光纤1通过粉末6期间绝热涂层13熔化，也会在保护管12的表面上留下木炭层，这是由于用不锈钢保护管12和用含有约3%碳粒子作为添加剂的聚乙烯绝热涂层13包覆光纤11的缘故。残留的木炭层具有防止保护管12免遭热损坏的绝热效果，所以光纤11能够稳定地浸入钢水5中。

相反，在用不含碳粒子的普通聚乙烯制造的绝热涂层情况下，绝热涂层在通过粉末时熔化以致暴露出保护管12。结果，同使用含有碳粒子作为添加剂的聚乙烯制造的本发明绝热涂层13比较，保护管的熔化速度快，所以该类型的光纤11不能稳定地浸入足够的深度。这是因为抗弯曲强度降低了的保护管不能承受钢水5的压力，从而不能浸入钢水5中，还因为即使光纤11已被浸入钢水5中，其熔损量也过大。

当将使用含有碳粒子作为添加剂的绝热涂层13的双重被覆光纤1浸入1500℃或1500℃以上的钢水中时，双重被覆光纤端头的温度突然升高，端头处的绝热层13被熔化而在保护管12的表面上留下了薄碳层。由于保护管12是用熔点约为1400℃～1430℃的不锈钢制造的，未被炭绝热层隔热的区域受热而从端头处逐渐熔化，如同图2所示，光纤11从端头开始逐渐暴露。

露出的光纤11的端头立即接收取决于钢水5温度的辐射光。入射光通过双重被覆光纤11被传送到信号处理器4而转换成温度。

当使用含有碳粒子作为添加剂的绝热涂层13时，双重被覆光纤1浸入钢水5中时和保护管12熔化直到光纤11暴露时之间出现了时间滞后。所以可以将光纤11的端头保持在钢水5中规定的深度。由于光纤11是用软化点约为1600℃的石英玻璃制造的，其软化点高于钢水的温度，因此甚至在光纤11被暴露后，它们原有形状也保持一定时间。因此，能够迅速而准确地测定钢水5的内部温度。

在测量后，从钢水5中拉出双重被覆光纤1。保护管12的端头被熔化从而包覆了光纤11的端头，这在图3中已示出。于是，保护管12和绝热涂层13残存在双重被覆光纤1的端头处，保护管12包覆和保护了光纤11的端头。所以，能使光纤11在下一次测量循环中浸入钢水5的深处。

参考实施例观察在测量钢水5时双重被覆光纤1的端头状态。如上所述，双重被覆光纤1包括光纤11、用于包覆光纤11的保护管12和用于包覆保护管12表面的绝热涂层13。光纤11是用石英玻璃制造的GI纤维（GRADED-INDEX MULTIMODE FIBER）。光纤11的内径为50μm，外径为125μm，用聚酰亚胺涂覆。保护管12是用外径1.4mm和内径1mm的不锈钢管制造的。绝热涂层13是用含有3%碳粒子作为添加剂的聚乙烯树脂制造的。

使双重被覆光纤1的端头浸入1550℃的钢水5中至约200mm深处，并在该处保持1秒钟。断续地反复进行测量。在每次测量中，观察双重被覆光纤1的端头形状，以发现浸入钢水5中至约200mm深处的端头变成如图3所示的形状，同时遗留下约160mm长的端头。在1秒钟的测量期间，已发现双重被覆光纤1的端头损耗约40mm长，但该端头仍保持在钢水5内，而不在钢水以上的粉末6中，并已测量了钢水的内部温度。

其次为了阐明本发明的有效作用，使用含有3%碳粒子作为添加剂的聚乙烯绝热涂层的本发明双重被覆光纤1同使用不含碳粒子的普通聚乙烯绝热涂层的双重被覆光纤进行比较。

图5和图6示出了将双重被覆光纤反复浸入1550℃的钢水5中至200mm深处保持1秒种时该光纤的熔损量。图5表示绝热涂层为不含碳粒子添加剂的普通聚乙烯时的的熔耗量。图6表示绝热涂层为含有约3%碳粒子作为添加剂的聚乙烯时的熔损量。

使用不含碳粒子的普通聚乙烯绝热涂层时的熔损量约为120mm。使用含有约3%碳粒子作为添加剂的聚乙烯绝热涂层时的熔损量约为40mm，这显示了各种情况下的熔损量的明显差异。这种比较证实了含有碳粒子作为添加剂的聚乙烯的优越性。

图7和图8示出了双重被覆光纤的端头被反复浸入钢水5中至约200mm深处保持1秒种时所观察到的波形。图7表示不含碳粒子作为添加剂的聚乙烯绝热涂层的波形。图8表示含有约3%碳粒子添加剂的聚乙烯绝热涂层的熔损波形。在图7中，观察到测量值几次突然降低的情况。该现象示出，在露出光纤的端头被熔损以致暴露出新端头部分时出现温度变化。另一方面，图8显示出一段稳定的坪区，这表示光纤受到很好保护并在稳定位置进行了温度测量。

然后，将双重被覆光纤浸入在1500℃～1600℃温度范围内变化的钢水5中至约200mm深处保持1秒钟。断续地进行反复测量，在图9和图10中给出了测量结果。图9表示不含碳粒子添加剂的普通聚乙烯绝热涂层的测量曲线。图10表示含有3%碳粒子作为添加剂的聚乙烯绝热涂层熔损的测量曲线。

参考图9，经常出现指示温度比钢水实际温度约低20℃。该现象的原因被认为是，在双重被覆光纤1浸入钢水5的过程中达到足够深度以前，该双重被覆光纤的端头失去了它的绝热涂层，保护管12直接暴露于钢水5中以致降低了它的强度，并且该端头不能达到足够的深度，从而无法测量钢水5的正确温度。

相反，在使用含有碳粒子作为添加剂的聚乙烯绝热涂层13的情况中，该情况示于图10，几乎完全稳定地测量了钢水的正确温度。

从以上温度测量结果来看，证实了含有碳粒子作为添加剂的绝热涂层的优越性。

以上实施例使用了含有约3%碳粒子作为添加剂的聚乙烯绝热涂层。尽管如此，含有约5%碳粒子的聚乙烯绝热涂层也给出了与含有约3%碳粒子的聚乙烯绝热涂层的同等效果。如果不要求考虑缠绕在转筒周围的光纤弯曲特性，还可以进一步增加碳粒子的含量。

实施例2

实施例2使用含有碳粒子作为添加剂的聚乙烯制造的热缩管作为双重被覆光纤的绝热材料。以下是实施例2的双重被覆光纤的结构说明。

双重被覆光纤包括用聚酰亚胺涂敷的石英玻璃GI纤维制造的50/125光纤，用外径1.4mm内径1mm不锈钢制造的用于包覆光纤11的保护管12，以及用含有碳粒子作为添加剂的聚乙烯树脂制造的用于包覆保护管12表面的热缩管，从而形成了外径约为4mm的双重被覆光纤。

将双重被覆光纤的端头浸入1400℃～1600℃的钢水中至约200mm深处保持1秒钟。继续地反复进行测量。在每次测量中，观察双重被覆光纤的端头形状，以致发现保留着类似于图3所示形状的端头;双重被覆光纤端头的熔损量约为30mm，这与使用含有约3%碳粒子的聚乙烯绝热涂层的情况具有大致相同的效果;该端头浸入到使用双重被覆光纤温度测量装置测定钢水正确温度所必要的深度。

从以上结果来看，在使用聚乙烯热缩管的绝热层的双重被覆光纤的条件下，确认能够在每次测量中降低光纤损耗的情况下测量足够深度处的钢水温度。

实施例3

实施例1和2论及使用由石英玻璃制成的光纤11和不锈钢制成的保护管12测量约1500℃的钢水温度。然而，可以使用软化点为1000℃或1000℃以下的多成分玻璃光纤测量1000℃左右的温度，该光纤用含有碳粒子作为添加剂的绝热涂层包覆。

实施例4

实施例4使用金属管包覆的光纤，金属管还用缠绕在其上的纸带包覆。这种双重被覆光纤的结构包括用聚酰亚胺涂敷的GI石英玻璃纤维构成的50/125光纤11，外径1.4mm内径1mm不锈钢保护管12用于包覆光纤11，纸带用作缠绕在保护管12周围的绝热层。

将以上制取的双重被覆光纤浸入1400℃～1600℃的钢水中至200mm深处，观察双重被覆光纤端头的状态。浸入钢水的部分在金属管表面上残留有像烟炱一样的炭，端头熔损约50mm。在不用绝热层的金属管包覆的光纤被浸入钢水的情况中，浸入钢水中的部分几乎全部被熔损了。

从以上观察结果来看，证实了使用纤维素绝热层的双重被覆光纤能够在熔融金属足够深的位置进行温度测量，同时在每次测量循环中降低了熔损量。

如上详细所述，由于本发明的双重被覆光纤在光纤上使用了金属保护管，使用含有熔点高于测定对象温度的颗粒的绝热涂层或纤维素绝热层，即使用于熔融金属体系该双重被覆光纤也会减少熔损量，以致降低测量成本。

还由于该金属保护管具有足够的强度，本发明的双重被覆光纤能够测量熔融金属中深部区域的正确温度。

Claims (8)

1、一种温度测量装置，该装置包括：

(a)光纤(11)；

(b)用于包覆光纤的金属保护管(12)；

(c)用于包覆保护管的绝热涂层(13)，用保护管和绝热涂层包覆的光纤组成双重被覆光纤，该双重被覆光纤的端头是温度测量元件；和

(d)所述绝热涂层含有熔点高于待测熔融金属温度的添加剂粒子。

2、根据权利要求1的温度测量装置，其中所述光纤是用石英玻璃制造的光纤。

3、根据权利要求1的温度测量装置，其中所述金属保护管是不锈钢管。

4、根据权利要求1的温度测量装置，其中所述颗粒是碳粒子。

5、根据权利要求1的温度测量装置，其中所述绝热涂层含有碳粒子作为添加剂的聚乙烯涂层。

6、根据权利要求1的温度测量装置，其中所述绝热层是含有碳粒子作为添加剂的聚乙烯管，该聚乙烯管具有热缩性能。

7、一种温度测量装置，该装置包括：

（a）光纤（11）;

（b）用于包覆光纤的金属保护管（12）;和

（c）用于包覆保护管的绝热涂层（13），

该绝热层包括纤维素。

8、根据权利要求7的温度测量装置，其中所述绝热层是用纸制成的。

Images