PL202900B1 - Sposób nieciągłego i ciągłego pomiaru temperatury stopionego metalu oraz urządzenie do ciągłego pomiaru temperatury stopionego metalu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób do nieciągłego i ciągłego pomiaru temperatury stopionego metalu oraz urządzenie do ciągłego pomiaru temperatury stopionego metalu, zwłaszcza w piecu lub urządzeniu odbiorczym do jego produkcji lub obróbki.

W znanym procesie produkcji stali w piecu elektrycznym bardzo istotne znaczenie ma wykrywanie temperatury kąpieli stopionego metalu w piecu lub urządzeniu odbiorczym.

Ponadto często próbuje się opracować technologię zapewniającą ciągłą wartość temperatury stopionego metalu bez zmiany procesu produkcji lub obróbki.

Obecnie w większości stalowni zanurza się w cieczy termoparę chronioną zdolną do rozkładania osłoną, ręcznie lub za pomocą automatycznych urządzeń mechanicznych powszechnie znanych jako manipulatory.

Oczywiście, przy każdym pomiarze trzeba zmieniać osłonę, co uniemożliwia ciągły pomiar temperatury.

W niemieckim opisie patentowym DE-1408873 zaproponowano sposób, w którym wkł ada się termoparę do osłony ogniotrwałej z wodnym układem chłodzenia. Taki sposób wiąże się z problemami czasu, w jakim pozostaje termopara oraz precyzją pomiarów ze względu na konieczność intensywnego chłodzenia termopary.

W opisie patentowym nr US 6,071,466 zastosowano jako obiekt pomiaru temperatury kąpieli oparty na odczycie fal elektromagnetycznych emitowanych przez podstawę wanny.

W podstawie znajduje się rura z podgrzewaniem dmuchu, z której jest wdmuchiwany gaz obojętny. Gaz ten tworzy pęcherzyki w podstawie wanny utrzymywane za pomocą strumienia metanu i azotu oraz za pomocą następnych reakcji krakowania.

Przyrząd optyczny odczytuje temperaturę cieczy otaczającej pęcherzyki. Ze sposobu tego jednak zrezygnowano ze względu na silną tendencję do blokowania.

Według innego rozwiązania ujawnionego w opisie patentowym nr US 6,172,367, zaproponowano inne urządzenie, oparte jednak na tej samej zasadzie dynamiki płynów.

W tym wypadku rurę z gorącym dmuchem umieszczono z boku, ale ciągle poniżej płynnego rdzenia hydrostatycznego stali.

W ten sposób uzyskuje się lepszą precyzję, ponieważ wiązka fal elektromagnetycznych emitowanych przez stal biegnie w kierunku równoległym do osi przyrządu, zmniejszając zakłócenia fal skośnych.

Niemniej jednak, również w tym urządzeniu występują problemy blokowania z powodu trudności w utrzymywaniu pę cherzyków. Dodatkowo, strumień metanu i azotu i nastę pne reakcje krakowania często nie wystarczają do utrzymania pęcherzyków. Problemy z tymi ostatnimi dwoma systemami wynikają z tego, że oba znajdują się poniżej ciekłego rdzenia hydrostatycznego, gdzie warunki otoczenia są gorsze.

Ponadto istnieje system o nazwie „ENDO-GLAS”, w którym zastosowano czytnik optyczny umieszczony wewnątrz chłodzonej wodą lancy, z której wydmuchuje się gaz obojętny. Urządzenie to jest zaopatrzone w manipulator do wprowadzania lancy do wnętrza pieca. Zazwyczaj znajduje się ono nad piecem, z możliwością regulowania kąta wprowadzania.

Urządzenie nie jest przymocowane w sposób podobny do poprzednich, a zatem w przypadku każdego pomiaru konieczne jest oczekiwanie na wprowadzenie lancy do pieca.

Niekorzystne aspekty tego rozwiązania są podobne do niedogodności manipulatorów do termopar, tj. niemożliwość pomiaru ciągłego. Ponadto, pomimo chłodzenia, lanca nie jest w stanie pozostawać wewnątrz pieca cały czas.

Według innego znanego rozwiązania przedstawionego w opisie patentu nr JP 62293128 ujawniono urządzenie do pomiaru temperatury stopionego metalu w sposób ciągły i bezpieczny za pomocą pomiaru temperatury promieniowania z użyciem włókna optycznego umieszczonego wewnątrz lancy. Temperatura metalu jest mierzona podczas wdmuchiwania tlenu przez wtryskiwacz tlenu usytuowany w lancy, przy czym w dodatkowej lancy zamontowana jest termopara, która jest równocześnie zanurzana w stopionym metalu. Włókno optyczne jest zabezpieczone przed uszkodzeniem za pomocą przepływającego wokół niego z dużą prędkością strumienia tlenu i jednocześnie chłodzone. Wyniki pomiaru temperatury dokonane przez termoparę i optyczną analizę za pomocą włókna optycznego są zestawiane w urządzeniu komputerowym i wyświetlana jest rzeczywista temperatura stopionego metalu.

Znane jest również rozwiązanie według opisu patentu nr JP 62226025, w którym ujawniono urządzenie i sposób dokładnego pomiaru temperatury w punkcie ogniowym pieca do topienia metalu,

PL 202 900 B1 za pomocą włókna optycznego zamontowanego w lancy, którego średnica „pola widzenia” jest znacząco mniejsza od średnicy strumienia tlenu, wdmuchiwanego poprzez dyszę umieszczoną w głównej lancy, w trakcie procesu defosforyzacji, w sąsiedztwie wierzchołka dyszy. Włókno optyczne jest zabezpieczone przed uszkodzeniem poprzez zamontowanie go w tulei rurowej przymocowanej do wewnętrznej ścianki lancy. Z dyszy wypływa strumień tlenu z dużą prędkością, a energia promieniowania w punkcie ognia może być odczytywana przez wierzchołek włókna optycznego i połączony z nim termometr monochromatyczny na podstawie analizy spektrum emitowanego światła oraz gazu wytwarzanego w reakcji utleniania składników stopionej stali.

Kolejne znane rozwiązanie w tej dziedzinie ujawniono w opisie patentu nr US 6,071,466 dotyczącym urządzenia do wizualizacji oraz analizy wnętrza kąpieli stopionego metalu podczas jego obróbki w wannie metalurgicznej, zawierającego koncentryczną rurową dyszę powietrzną, wkładaną w otwarty otwór wlotowy wanny poniż ej powierzchni stopionego metalu. Dysza jest zł o ż ona z rury wewnętrznej, przez którą tłoczony jest przezroczysty płyn oraz otaczającej ją rury zewnętrznej, tworzącej z rurą wewnętrzną pierścieniową przestrzeń, poprzez którą przechodzi płyn chłodzący. Okienko kontrolne z szybką umieszczone jest w korelacji z otworem rury wewnętrznej oraz osią środkową dyszy powietrznej w celu uwidocznienia wnętrza kąpieli dla sensora optycznego połączonego z okienkiem kontrolnym, który analizuje widmo światła generowanego przez kąpiel dla oceny własności takich jak temperatura i skład chemiczny kąpieli.

Sposób nieciągłego i ciągłego pomiaru temperatury stopionego metalu w piecu lub urządzeniu odbiorczym do jego produkcji i obróbki, według wynalazku charakteryzuje się tym, że wdmuchuje się w sposób ciągły zwarty, naddźwiękowy strumień gazu obojętnego na warstwę powierzchniową żużla stalowego w piecu elektrycznym za pomocą dyszy zbieżno-rozbieżnej, zamontowanej u góry struktury rurowej, przed przyrządem do analizy termicznej, przy czym poprzez wdmuchiwanie gazu obojętnego wykonuje się otwór w żużlu, przez który to otwór stopiony metal staje się widoczny dla przyrządu do analizy termicznej z możliwością pomiaru zdalnego, ponadto wdmuchuje się sprężone powietrze dla zapobiegania możliwemu zatykaniu się kiedy pomiar nie jest realizowany.

Korzystnie, stosuje się gaz obojętny, którym jest argon.

Korzystnie, lancę wkłada się w powłokę ogniotrwałą pieca łub urządzenia odbiorczego, przy czym jeden koniec głowicowy lancy umieszcza się na poziomie żużla stalowego znajdującego się w piecu względnie urządzeniu odbiorczym, pod kątem 45° do pionowego boku samego pieca względnie urządzenia odbiorczego.

Korzystnie, jako paliwo stosuje się metan a środkiem do spalania jest tlen.

Urządzenie do ciągłego pomiaru temperatury stopionego metalu w piecu lub urządzeniu odbiorczym do jego produkcji i obróbki zawierające przyrząd do analizy termicznej umieszczony w lancy, która wdmuchuje gaz obojętny i/lub mocno sprężone powietrze na powierzchnię żużla metalu w piecu lub urządzeniu odbiorczym, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera wewnątrz lancy strukturę rurową, w którą jest włożony, przez podporę, przyrząd do analizy termicznej, przy czym w strukturze rurowej, przed przyrządem do analizy termicznej, jest zamontowana dysza zbież no-rozbieżna do wdmuchiwania zwartego naddźwiękowego strumienia gazu obojętnego.

Korzystnie, urządzenie zawiera lancę zaopatrzoną w zespól do wytwarzania płomienia okrywającego chroniącego strumień gazu obojętnego i/łub sprężonego powietrza, poprzez wdmuchiwanie paliwa i środka do spalania przez lancę.

Korzystnie, przyrządem do analizy termicznej jest głowica optyczna lub pirometr.

Korzystnie, przyrząd do analizy termicznej jest połączony z otoczeniem za pośrednictwem światłowodu.

Korzystnie, światłowód jest pojedynczym włóknem powleczonym giętką osłoną wykonaną ze stali nierdzewnej.

Korzystnie, pirometr jest bichromatyczny.

Korzystnie, światłowód biegnie na całej długości lancy i przewodzi sygnał do urządzenia, które wizualizuje temperaturę w czasie rzeczywistym.

Ogólną zaletą rozwiązania według wynalazku jest zapewnienie urządzenia i sposobu do dyskretnego i ciągłego pomiaru temperatury stopionego metalu w piecu lub urządzeniu odbiorczym do jego produkcji lub obróbki, umożliwiającego dokładne i niezawodne mierzenie temperatury kąpieli.

Inna zaleta wynalazku polega na eliminacji wspomnianych powyżej niedogodności urządzeń dotychczasowych, w stosunkowo prosty, tani, a zwłaszcza funkcjonalny sposób.

PL 202 900 B1

Korzystne aspekty konstrukcyjne i funkcjonalne wynalazku oraz jego zalety w porównaniu z urzą dzeniami dotychczasowymi staną się bardziej zrozumiał e po zapoznaniu się z poniż szym opisem, przedstawiającym urządzenie do nieciągłego i ciągłego pomiaru temperatury stopionego metalu w piecu lub urządzeniu odbiorczym do jego produkcji lub obróbki, wykonane według innowacyjnych zasad wynalazku.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia piec lub urządzenie odbiorcze wyposażone w urządzenie do ciągłego pomiaru temperatury stopionej stali techniką przedstawioną w amerykańskim opisie patentowym nr US 6,071,466, w przekroju, fig. 2 - piec lub urządzenie odbiorcze wyposażone w lancę przedstawioną w europejskim zgłoszeniu patentowym nr EP0947587, w którą wkłada się urządzenie do dyskretnego i ciągłego pomiaru temperatury stopionego metalu według wynalazku, w przekroju, fig. 3 - podzespoły urządzenia pomiarowego z fig. 2 w rzucie aksonometrycznym, w stanie rozłożonym na części składowe.

Nawiązując do figur rysunku przedstawiono urządzenie 10 do dyskretnego i ciągłego pomiaru temperatury stopionego metalu w piecu lub urządzeniu odbiorczym do jego produkcji lub obróbki.

W pokazanym przykładzie wykonania według wynalazku, urządzenie 10 jest wkładane do rurowej lancy 12 wyposażonej w urządzenie do chłodzenia i izolowania.

Lancę 12 wkłada się w ogniotrwałą osłonę 13 pieca lub urządzenia odbiorczego 20. Chłodzenie lancy 12 odbywa się, na przykład, w sposób opisany w europejskim zgłoszeniu patentowym nr EP0947587, w którym przedstawiono typ chłodzenia oparty na pojemności cieplnej rozpylonej wody, która jest większa niż wody w stanie ciekłym.

Jeden koniec głowicowy lancy 12 znajduje się na poziomie 18 żużla metalu znajdującego się w piecu lub urządzeniu odbiorczym pod kątem około 45° do pionowego boku pieca 20.

W skład urządzenia 10 wchodzi w zasadzie cylindryczna struktura rurowa 11 umieszczona w bezpiecznym i silnie chłodzonym obszarze, w którym przez podporę 15 wprowadza się urządzenie 14 do analizy termicznej. Urządzenie do analizy termicznej może być pirometrem typu konwencjonalnego lub głowicą optyczną, i jest połączone z zewnętrzem poprzez włókno optyczne lub światłowód 16, na przykład włókno pojedyncze powleczone giętką osłoną wykonaną ze stali nierdzewnej.

W lancy 12 znajdują się wtryskiwacze gazu obojętnego, takiego jak argon, i sprężonego powietrza. Ponadto mogą w niej być wtryskiwacze paliwa i środka palnego, takiego jak metan i tlen.

Na szczycie struktury rurowej 11 urządzenia 10, przed przyrządem 14 do analizy termicznej, znajduje się dysza zbieżno-rozbieżna 22.

Działanie urządzenia 10 do nieciągłego i ciągłego pomiaru temperatury stopionego metalu w piecu lub urządzeniu odbiorczym do jego produkcji lub obróbki według wynalazku wynika z powyższego opisu, odwołującego się do figur rysunku, i w skrócie jest następujące.

Strumień gazu obojętnego pod wysokim ciśnieniem, takiego jak argon, jest wdmuchiwany, przez lancę 12, na żużel 18; strumień pozostaje zwarty wskutek kształtu geometrycznego dyszy i ewentualnego płomienia pokryciowego (okrywającego), w którym jest spalany metan i tlen.

Konieczne jest wyregulowanie natężenia przepływu strumienia gazu obojętnego i ewentualnie paliwa w celu uzyskania strumienia naddźwiękowego zwartego strumienia gazu obojętnego tak, żeby wnikał w żużel 18 i lokalnego odsłaniania powierzchni stopionego metalu.

W ten sposób uzyskuje się przyrząd 14 do analizy termicznej z czystą stożkową końcówką, przez którą można obserwować powierzchnię kąpieli.

Zatem pirometr lub głowica optyczna może odczytywać temperaturę stopionego metalu.

W zalecanym przykładzie wykonania, pirometr jest dichromatyczny, tj. odczytuje dwa pasma częstotliwości i dlatego jest mniej wrażliwy na zakłócenia.

Światłowód 16, połączony z urządzeniem 14 do analizy termicznej 14, przechodzi na całej długości lancy 12 i przenosi sygnał do urządzenia, które wizualizuje temperaturę w czasie rzeczywistym. Takie urządzenie może być wzorcowane dla różnych typów materiałów.

Kiedy pomiar nie jest potrzebny, lanca 12 jest nadal utrzymywana w stanie czystym przez strumień sprężonego powietrza, co zapobiega ewentualnym zakleszczeniom, które w każdym wypadku są mniejszym problemem wskutek tego, że lanca 12 nie jest zanurzona poniżej ciekłego rdzenia hydrostatycznego kąpieli metalowej.

Chłodzenie lancy 12 umożliwia zabezpieczenie urządzenia pomiarowego 10 przed wysokimi temperaturami w piecu lub urządzeniu odbiorczym.

PL 202 900 B1

Dla informacji, głowica optyczna i światłowód 16 typu komercyjnego mogą wytrzymać maksymalną temperaturę około 250°C. Takie głowice optyczne można w każdym wypadku zastąpić bez konieczności zmiany pozostałych części.

W przypadku stosowania pirometru, używa się również przetwornika do wizualizacji sygnału z polem pomiarowym, na przykład, pomiędzy 750 a 1800°C, i z dokładnością powyżej 1500°C rzędu ± 0,6% wartości mierzonej w stopniach.

Po wzorcowaniu, przyrząd 14 do analizy termicznej wykrywa temperatury, które okazały się szczególnie spójne, ponieważ jeżeli wartość mierzona za pomocą termopary jest stała, wartość mierzona za pomocą urządzenia 10 jest również stała.

W zalecanym przykładzie wykonania, przyrząd 14 jest zdolny do odczytu temperatury co 10 milisekund, i należy zauważyć, w jaki sposób trudne warunki otoczenia, z pyłem, rozpylonymi substancjami, itp., w piecu lub urządzeniu odbiorczym 20 nie wpływają w sposób znaczący na pomiar.

Urządzenie 10 można połączyć ze zwykłym procesorem elektronicznym, który, po wyposażeniu w odpowiedni program, pokazuje przebieg pomiaru w czasie rzeczywistym, z dalszymi informacjami takimi jak wartość maksymalna i wartość średnia w danym przedziale czasu.

Dysza zbieżno-rozbieżna 22 umożliwia odpowiedni przepływ argonu lub sprężonego powietrza w celu ochrony przyrządu 14 do analizy termicznej przed ewentualnym zabrudzeniem.

Lanca 12 może znajdować się w dowolnym miejsc pieca elektrycznego, co umożliwia przeprowadzanie pomiarów w tym samym obszarze, w którym termoparę zazwyczaj wkłada się dotychczas. Tak postępując, operator uzyskuje te same punkty odniesienia, które obecnie zna stosując termopary.

Urządzenie 10 umożliwia ciągłe pomiary, ułatwiając rozwój automatyzacji pieca lub urządzenia odbiorczego, przede wszystkim w przypadku tych urządzeń, w których przewidziano ciągłą pracę, których prędkość załadunku można regulować odwołując się do przebiegu temperatury kąpieli.

Ogólnie, sposób nieciągłego i ciągłego pomiaru temperatury stopionego metalu w piecu lub urządzeniu odbiorczym do jego produkcji lub obróbki składa się z wykonania otworu w warstwie powierzchniowej żużla poprzez wdmuchanie gazu obojętnego tak, żeby uwidocznić stopioną stal urządzeniu do analizy termicznej w celu zdalnego pomiaru temperatury.

Z powyższego opisu powiązanego z figurami rysunku, można zrozumieć jak użyteczne i korzystne jest urządzenie do nieciągłego i ciągłego pomiaru temperatury stopionego metalu w piecu lub urządzeniu odbiorczym do jego produkcji lub obróbki według wynalazku. Zatem uzyskuje się cele wspomniane na wstępie opisu.

Oczywiście, kształty urządzenia do nieciągłego i ciągłego pomiaru temperatury stopionego metalu w piecu lub urządzeniu odbiorczym do jego produkcji lub obróbki według wynalazku mogą być inne od pokazanych na rysunkach w nieograniczającym przykładzie wykonania, jak również inne mogą być zastosowane materiały.

Z tego względu zakres ochrony jest określony w załączonych zastrzeżeniach patentowych.

Claims (11)

1. Sposób nieciągłego i ciągłego pomiaru temperatury stopionego metalu w piecu lub urządzeniu odbiorczym do jego produkcji i obróbki, znamienny tym, że wdmuchuje się w sposób ciągły zwarty, naddźwiękowy strumień gazu obojętnego na warstwę powierzchniową żużla stalowego w piecu elektrycznym za pomocą dyszy zbieżno-rozbieżnej (22), zamontowanej u góry struktury rurowej (11), przed przyrządem (14) do analizy termicznej, przy czym poprzez wdmuchiwanie gazu obojętnego wykonuje się otwór w żużlu, przez który to otwór stopiony metal staje się widoczny dla przyrządu (14) do analizy termicznej z możliwością pomiaru zdalnego, ponadto wdmuchuje się sprężone powietrze dla zapobiegania możliwemu zatykaniu się kiedy pomiar nie jest realizowany.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się gaz obojętny, którym jest argon.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że lancę (12) wkłada się w powłokę ogniotrwałą (13) pieca lub urządzenia odbiorczego (20), przy czym jeden koniec głowicowy lancy (12) umieszcza się na poziomie żużla (18) stalowego znajdującego się w piecu względnie urządzeniu odbiorczym (20), pod kątem 45° do pionowego boku samego pieca względnie urządzenia odbiorczego (20).

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako paliwo stosuje się metan a środkiem do spalania jest tlen.

PL 202 900 B1

5. Urządzenie do ciągłego pomiaru temperatury stopionego metalu w piecu lub urządzeniu odbiorczym do jego produkcji i obróbki zawierające przyrząd do analizy termicznej umieszczony w lancy, która wdmuchuje gaz obojętny i/lub mocno sprężone powietrze na powierzchnię żużla metalu w piecu lub urządzeniu odbiorczym, znamienne tym, że zawiera wewnątrz lancy (12) strukturę rurową (11), w którą jest włożony, przez podporę (15), przyrząd (14) do analizy termicznej, przy czym w strukturze rurowej (11), przed przyrządem (14) do analizy termicznej, jest zamontowana dysza zbieżno-rozbieżna (22) do wdmuchiwania zwartego naddźwiękowego strumienia gazu obojętnego.

6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że zawiera lancę (12) zaopatrzoną w zespół do wytwarzania płomienia okrywającego chroniącego strumień gazu obojętnego i/lub sprężonego powietrza, poprzez wdmuchiwanie paliwa i środka do spalania przez lancę (12).

7. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że przyrządem (14) do analizy termicznej jest głowica optyczna lub pirometr.

8. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że przyrząd (14) do analizy termicznej jest połączony z otoczeniem za pośrednictwem światłowodu (16).

9. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że światłowód (16) jest pojedynczym włóknem powleczonym giętką osłoną wykonaną ze stali nierdzewnej.

10. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że pirometr jest bichromatyczny.

11. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że światłowód (16) biegnie na całej długości lancy (12) i przewodzi sygnał do urządzenia, które wizualizuje temperaturę w czasie rzeczywistym.