本发明涉及转炉炼钢技术领域，特别涉及一种安装于转炉底部的测温喷枪及使用方法。
背景技术：
目前，对钢铁工业智能制造、绿色生产的要求日益迫切，转炉“一键炼钢”成为主要的研究和发展方向。然而，为了实现转炉“一键炼钢”，需要对转炉冶炼过程的关键指标进行实时监控或预测，比如钢液温度、钢液成分等，其中，连续监控钢液温度对优化转炉造渣、脱磷和终点控制均具有重要意义。目前的转炉炼钢过程尚无法实现对钢液温度的连续监测，只能在冶炼后期通过副枪测量钢液温度，或通过摇炉人工测温，以此温度来指导冶炼末期的吹炼，该方法增加了生产成本和劳动强度，由于是点测，而不是连续测量钢液温度，该方法也无法准确地指导终点控制，往往造成钢液温度、碳含量双命中的命中率不高。
近几年，红外测温技术的发展为实现转炉炼钢过程的连续测温提供了技术支撑。专利（ZL 201510958681.7）公开了一种电弧炉炼钢在线测量钢液温度的测温系统及测温方法，该方法将红外测温传感器集成在电弧炉炉壁氧枪内，利用氧枪产生的超音速气流吹开泡沫渣层，在钢液和传感器之间建立起稳定的钢液温度特征信号传输通道，实现电弧炉炼钢过程炉内钢液温度的连续或间断在线测量。然而，对于转炉而言，由于炉型和供氧方式的巨大差异，不具备安装炉壁氧枪的条件，转炉所使用的顶吹氧枪长度超过10米，且末端的喷孔以一定的夹角倾斜，也无法提供温度信号传输的通道和窗口；专利（ZL 201510958681.7）中公开的炉壁氧枪为水冷结构，而水冷结构喷枪只能安装在钢液面以上的位置，无法安装在钢液面以下的炉壁或炉底；同时，该专利（ZL 201510958681.7）中公开了测温气体为N2、CO2或Ar，但是N2、CO2或Ar喷吹至钢液表面时均会对钢液表面造成冷却效果，使得测温传感器测量的温度低于钢液实际温度。因此，该专利（ZL 201510958681.7）公开的测温系统和测温方法并不适用于转炉炼钢过程的连续测温。
目前的转炉通常采用顶底复合吹炼的方式，即顶部通过氧枪向炉内高强度供氧，底部安装底吹元件搅拌熔池，通过合理的炉底维护手段和溅渣护炉，可以保持底吹元件的全炉役通畅。结合转炉炉型、喷吹方式和冶炼要求，在转炉底部安装测温喷枪是可行的，无需排开烟气和渣层，可在钢液和测温传感器之间直接建立温度信号传输通道，但存在以下问题：（1）安装位置在钢液面下方，无法使用水冷结构，如何保证测温喷枪不被高温钢液烧损；（2）如果简单地采用冷却气体对测温喷枪进行冷却保护，会在喷枪出口形成蘑菇头，逐渐堵塞测温通道；（3）由于N2、CO2或Ar对钢液有冷却作用，如何选择合适的测温气体，测得准确的钢液温度。（4）由于测温喷枪安装在转炉底部，上方有高温钢液覆盖，一旦供气中断，钢液将倒灌至喷枪内，堵塞甚至烧损测温喷枪。
技术实现要素：
本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种安装于转炉底部的测温喷枪及使用方法，在提供温度信号传输通道的基础上，解决因底吹气体导致炉底侵蚀、因底吹形成蘑菇头造成测温通道堵塞和N2、CO2或Ar作为测温气体导致测温不准的关键问题。
本发明通过喷吹含有O2的测温气体，在钢液和测温传感器之间直接建立温度特征信号传输通道，无需排开烟气和渣层，通过分阶段调节测温喷枪各通道的气体组成和供气压力，控制蘑菇头和渣层的覆盖范围及覆盖厚度，在维持测温通道持续通畅的前提下，实现测温喷枪的安全长寿，通过设置应急气源，配合摇炉操作，避免因供气不稳而导致钢液倒灌至喷枪内。
本发明的具体技术方案如下：
一种安装于转炉底部的测温喷枪，包括测温通道、防堵通道、冷却通道和传感器安装模块；所述测温喷枪的侧壁设有测温气体入口、防堵气体入口和冷却气体入口；所述传感器安装模块设置在所述测温通道的下端部，所述传感器安装模块与所述测温通道通过耐高温透光元件密封隔绝。
进一步的，所述传感器安装模块内设置有红外测温探头，所述红外测温探头的中心线与所述测温通道的中心线同轴。
进一步的，所述传感器安装模块由耐高温金属材质加工而成，内部填充缓震材料，外表面涂抹耐高温涂层，避免因炉体倾动和炉下高温造成探头移位或损坏。
进一步的，所述测温喷枪的测温通道、防堵通道和冷却通道均为同轴布置，所述测温通道、防堵通道、冷却通道的出口端均与炉底平齐。
进一步的，所述测温喷枪的供气系统包括气源系统和气体调节装置，所述气源系统包括常规气源和应急气源，所述应急气源的压力保持在1.5MPa以上，所述应急气源能独立满足测温喷枪供气3min以上。
进一步的，为了在提供稳定信号传输通道的前提下，降低测温喷枪的气体流量，减轻对炉底的侵蚀，所述测温通道的通径为10~30mm。
进一步的，由于转炉底部粉尘大、温度高，且转炉需要实现360°旋转，测温传感器无法通过电缆和光纤与上位机通讯，因此所述传感器安装模块的测温传感器采用无线传输的方式与上位机通讯。
进一步的，所述测温喷枪适用于50~350吨的顶底复吹转炉和顶底吹氧转炉。
一种上述的测温喷枪的使用方法，所述测温喷枪测温通道、防堵通道、冷却通道的气体组成和供气压力采用分阶段控制，具体步骤如下：
在转炉吹炼阶段：测温通道喷吹测温气体，所述测温气体为O2-CO2混合气或O2-N2-Ar混合气，供气压力为0.3~0.8MPa，所述O2-CO2混合气中O2比例为30%~50%，所述O2-N2-Ar混合气中O2比例为20%~40%，利用O2与钢液反应的放热作用，抵消N2、CO2、Ar对钢液的冷却作用，使得测温通道正上方的钢液温度与熔池内的实际钢液温度保持一致，钢液温度特征信号连续地通过测温通道传输，并穿过测温通道与传感器安装模块之间的透光元件，进入测温探头，获取钢液温度，实现连续、准确的钢液测温；防堵通道喷吹O2，供气压力为0.4~1.0MPa，利用O2与钢液反应的放热作用，避免测温通道端部生成蘑菇头，造成测温通道缩小甚至堵塞；冷却通道喷吹CH4、N2、Ar或其混和气，供气压力为0.5~1.2MPa，通过冷却气体的裂解吸热或物理吸热，在冷却通道端部及其外侧形成蘑菇头覆盖，抑制高温钢液对炉底及测温喷枪的冲刷侵蚀和烧损；
在转炉溅渣护炉阶段：测温通道喷吹空气，供气压力为0.5~1.0MPa(空气中含有少量的氧气)，利用高压高速空气气流，避免炉渣进入测温通道或覆盖在测温通道端部；防堵通道喷吹空气，供气压力为0.5~1.0MPa(空气中含有少量的氧气)，利用高压高速空气气流，避免炉渣进入防堵通道或覆盖在防堵通道端部；冷却通道喷吹N2，供气压力为0.6~1.2MPa，在冷却通道端部及其外侧蘑菇头覆盖的基础上形成渣层覆盖，保护测温喷枪，同时，通过高压高速气流，避免冷却通道端部的覆盖层太厚导致冷却通道堵塞；
在转炉冶炼的其它阶段：炉内既没有液态炉渣，也没有钢液，因此测温通道、防堵通道和冷却通道均喷吹N2，测温通道和防堵通道的供气压力为0.3~0.5MPa，冷却通道由于端部被蘑菇头和渣层覆盖，供气压力为0.4~0.8MPa。
进一步的，所述测温喷枪的供气系统包括气源系统和气体调节装置，所述气源系统包括常规气源和应急气源，所述应急气源的压力保持在1.5MPa以上，所述应急气源能独立满足测温喷枪供气3min以上；当所述的常规气源的压力低于1.2MPa时，控制系统给出报警信号，立即切换至应急气源供气，将顶吹氧枪提出转炉，并倾动转炉至测温喷枪裸露，防止因气源压力不足而导致钢液倒灌至测温通道内。
本发明的有益效果为：
（1）采用本发明的一种安装于转炉底部的连续测温喷枪及其使用方法，解决了受转炉炉型、供氧方式限制而导致的无法在钢液面上方实现连续钢液测温的难题；
（2）采用本发明的一种安装于转炉底部的连续测温喷枪及其使用方法，转炉底部无液态炉渣，通过底吹测温气体，可在钢液和测温传感器之间直接建立温度特征信号传输通道，无需排开烟气和炉渣，没有了烟气和炉渣的干扰，可获得更稳定和更准确的测温数据；
（3）采用本发明的一种安装于转炉底部的连续测温喷枪及其使用方法，通过测温喷枪喷吹的气体既能提供温度信号传输通道，也能搅拌熔池，改善转炉的动力学条件；
（4）本发明通过大量创造性的实验探究，得到了测温气体的组成，抵消CO2、N2、Ar对钢液的冷却作用，获得更加准确的钢液温度测量结果；测温精度范围为±15℃以内；
（5）采用本发明的一种安装于转炉底部的连续测温喷枪及其使用方法，通过在转炉冶炼的各阶段，动态调节测温通道、防堵通道和冷却通道的气体组成，控制蘑菇头和渣层的覆盖范围和覆盖厚度，在测温通道不被覆盖的前提下，使得冷却通道端部及其外围被良好覆盖，实现测温通道的持续通畅，和测温喷枪的安全长寿。
（6）采用本发明的一种安装于转炉底部的连续测温喷枪及其使用方法，通过设置应急气源，配合摇炉操作，避免因供气不稳而导致钢液倒灌至喷枪内，保护测温喷枪和测温探头。
附图说明
图1所示为本发明实施例一种安装于转炉底部的测温喷枪结构示意图。
图中：1、转炉；2、钢液；3、炉渣；4、顶吹氧枪；5、测温喷枪；5-1、测温通道；5-2、防堵通道；5-3、冷却通道；5-4、传感器安装模块；5-5、测温气体入口；5-6、防堵气体入口；5-7、冷却气体入口；5-8、透光元件；5-9、红外测温探头。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
如图1所示，本发明实施例一种安装于转炉底部的测温喷枪，包括测温通道5-1、防堵通道5-2、冷却通道5-3和传感器安装模块5-4；所述测温喷枪的侧壁设有测温气体入口5-5、防堵气体入口5-6和冷却气体入口5-7；所述传感器安装模块5-4设置在所述测温通道5-1的下端部，所述传感器安装模块5-4与所述测温通道5-1通过耐高温透光元件5-8密封隔绝。所述传感器安装模块5-4内设置有红外测温探头5-9，所述红外测温探头5-9的中心线与所述测温通道5-1的中心线同轴。优选的，所述传感器安装模块5-4由耐高温金属材质加工而成，内部填充缓震材料，外表面涂抹耐高温涂层，避免因炉体倾动和炉下高温造成探头移位或损坏。所述测温喷枪的测温通道5-1、防堵通道5-2和冷却通道5-3自中心向外同轴布置，所述测温通道5-1、防堵通道5-2、冷却通道5-3的出口端均与炉底平齐。
实施例1
本发明实施例应用在120吨顶底复吹转炉上，该转炉的炉底安装1支本发明的测温喷枪和4支常规的毛细管式底吹元件，测温喷枪的测温通道5-1通径为15mm，防堵通道5-2的缝宽为2mm，冷却通道5-3的缝宽为1mm。
在转炉吹炼阶段，测温通道5-1喷吹测温气体，测温气体为O2-N2-Ar混合气，为了避免终点钢液氮含量超标，转炉吹炼前期和中期为O2-N2混合气，吹炼后期为O2-Ar混合气，供气压力为0.3~0.5MPa，测温气体中O2比例为30%；防堵通道5-2喷吹O2，供气压力为0.4~0.6MPa，利用O2与钢液反应的剧烈放热作用，避免测温通道5-1端部生成蘑菇头；冷却通道5-3喷吹CH4，供气压力为0.5~0.7MPa，通过CH4的裂解吸热，在冷却通道5-3端部及其外侧形成蘑菇头覆盖，抑制高温钢液对炉底及测温喷枪的冲刷侵蚀和烧损。
在转炉溅渣护炉阶段，测温通道5-1喷吹空气，供气压力为0.5~0.6MPa，空气中含有少量的氧气，利用高压高速空气气流，避免炉渣进入测温通道5-1或覆盖在测温通道5-1端部；防堵通道5-2喷吹空气，供气压力为0.5~0.6MPa，空气中含有少量的氧气，利用高压高速空气气流，避免炉渣进入防堵通道5-2或覆盖在防堵通道5-2端部；冷却通道5-3喷吹N2，供气压力为0.6~0.8MPa，在冷却通道5-3端部及其外侧蘑菇头覆盖的基础上形成渣层覆盖，保护测温喷枪，同时，通过高压高速气流，避免冷却通道5-3端部的覆盖层太厚导致冷却通道5-3堵塞。
在转炉冶炼的其它阶段，炉内既没有液态炉渣，也没有钢液，因此测温通道5-1、防堵通道5-2和冷却通道5-3均喷吹N2，测温通道5-1和防堵通道5-2的供气压力为0.3~0.4MPa，冷却通道5-3由于端部被蘑菇头和渣层覆盖，供气压力为0.5~0.6MPa。
该转炉采用本发明的测温喷枪和方法后，实现冶炼过程对钢液温度的连续测量，测温喷枪的测温精度为±13℃；测温喷枪实现全炉役畅通，炉龄无明显变化。
实施例2
本发明应用在300吨顶底吹氧转炉上，该转炉的炉底安装1支本发明的测温喷枪和7支双层套管式喷枪，测温喷枪的测温通道通径为25mm，防堵通道的缝宽为2mm，冷却通道的缝宽为1mm，双层套管式喷枪的中心管喷吹氧气和粉剂，环缝喷吹冷却气体。
在转炉吹炼阶段，测温通道5-1喷吹测温气体，测温气体为O2-CO2混合气，供气压力为0.5~0.6MPa，测温气体中O2比例为40%；防堵通道5-2喷吹O2，供气压力为0.6~0.8MPa，利用O2与钢液反应的剧烈放热作用，避免测温通道5-1端部生成蘑菇头；冷却通道5-3喷吹CH4，供气压力为0.7~1.0MPa，通过CH4的裂解吸热，在冷却通道5-3端部及其外侧形成蘑菇头覆盖，抑制高温钢液对炉底及测温喷枪的冲刷侵蚀和烧损。
在转炉溅渣护炉阶段，测温通道5-1喷吹空气，供气压力为0.5~0.6MPa，空气中含有少量的氧气，利用高压高速空气气流，避免炉渣进入测温通道5-1或覆盖在测温通道5-1端部；防堵通道5-2喷吹空气，供气压力为0.5~0.6MPa，空气中含有少量的氧气，利用高压高速空气气流，避免炉渣进入防堵通道5-2或覆盖在防堵通道5-2端部；冷却通道5-3喷吹N2，供气压力为0.7~1.0MPa，在冷却通道5-3端部及其外侧蘑菇头覆盖的基础上形成渣层覆盖，保护测温喷枪，同时，通过高压高速气流，避免冷却通道5-3端部的覆盖层太厚导致冷却通道5-3堵塞。
在转炉冶炼的其它阶段，炉内既没有液态炉渣，也没有钢液，因此测温通道5-1、防堵通道5-2和冷却通道5-3均喷吹N2，测温通道5-1和防堵通道5-2的供气压力为0.3~0.4MPa，冷却通道5-3由于端部被蘑菇头和渣层覆盖，供气压力为0.5~0.6MPa。
该转炉采用本发明的测温喷枪和方法后，实现冶炼过程对钢液温度的连续测量，测温喷枪的测温精度为±15℃；测温喷枪实现全炉役畅通，炉龄无明显变化。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。