用于高温熔融金属连续测温与控制钢流大小的新型装置的制作方法

本发明涉及一种测温装置，特别是一种用于高温熔融金属连续测温与控制钢流大小的新型装置，属于测量领域。

背景技术：

在冶金生产过程中,温度参数对冶金工艺控制及其重要，温度控制不好，直接造成钢水质量下降以及能耗增加。目前在连铸中间包工序，实现连续测温的方式有两种，一种是基于热电偶加保护套管的方式，另一种是基于非接触测量采用保护套管加测温探头的方式；这两种方式都需要一套单独的测温装置，并且不能与熔融金属控流装置相兼容，造成资源浪费，现场使用过程复杂，并且测温还存在严重的滞后性。

中国专利cn1333455a公开了一种钢水连续测温的测温管，用在连铸中间包内的钢水温度连续测量。该测温管的主要结构耐火材料组成，其测温信号来自内管底部发出的辐射能。其传导途径先经过25-40mm厚的外管，外管与内管之间的缝隙以及壁厚为3mm的内管，其反应速度较慢，存在较大的热滞性，并且使用中需要内管具有较高的热震性与耐高温性能，容易炸裂，影响产品的使用；中国公开专利200720013908.1、200920143429.0、201120053767.2、20072011415.4等专利采用两端开口的内管与一端开口一端封闭的外保护管，将外管的底端作为感温元件，整个外保护管为同一种材质，并且底端较厚，热响应时间与中国专利cn1333455a相比，有所提升，但还需要一定的热响应时间，并且这种类型的传感器存在的不足就是测温装置在多尘的冶金现场使用一段时间后镜片落灰，容易造成测温系统误差加大，因而带来测量准确性的问题。

中国专利201720781688.0公开了一种熔融金属温度的温度测量装置，其采用辐射测温的方法，实现钢水控流与测温的功能，并给出了复合传感器的壁厚以及与外露长度的长径比。复合传感器的壁厚范围为1~10mm，最佳长径比为1~20。该专利的技术不足之处在于：根据实际的现场结构，连铸方坯中间包水口内径较小，而采用辐射测温方式由于测温光路较长，复合传感器的内孔直径尺寸要求较大，在满足黑体空腔长径比的前提下，带来感温元件外径大与伸入水口内部的长度过长，从而在使用中容易导致水口的通钢量下降，影响正常正产；并且在安装以及控流过程中容易断裂，会造成极其严重的事故，此专利技术的推广受到极大的限制。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种用于高温熔融金属连续测温与控制钢流大小的新型装置，将熔融金属控流与熔融金属测温合为一体，省掉了专用的测温装置，增加了产品的附加值，降低了使用成本。其次通过复合特殊的感温元件，提高传感器的响应速度与测温准确性，具有实际的推广意义。

为解决以上问题，本发明的具体技术方案如下：用于高温熔融金属连续测温与控制钢流大小的新型装置，两端均开口的控流水口装置，内腔为中空结构的塞棒本体，空腔内插入有测温热电偶，塞棒本体下端固定连接有温度感应元件，塞棒本体两端开口，感温元件一端开口，一端封闭，开口端与塞棒本体固定连接形成内部连通，塞棒本体另一端与连接螺杆锥面配合，并通过螺纹连接固定，感温元件与塞棒本体之间填充有过渡层，测温热电偶下端位于感温元件内部。塞棒本体头部弧面与水口装置实时调控配合控制钢流大小，同时感温元件感知周围钢水的温度，经过热电偶转换成电信号，经过信号连接接头装置与信号传输装置,在温度处理与显示仪表获得熔融金属的温度值。

所述的感温元件露出塞棒本体头部的长度l1与感温元件的内径d1的比值l1/d1=0.5~0.9999，其露出长度l1=5~30mm。

所述的感温元件内径d1为13-28mm，外径d2为17-37mm，壁厚d1=2.0~4.5mm。

所述的感温元件内径d1为10-20mm，外径d2为14-29mm，壁厚d1=2.0~4.5mm。

所述的过渡填充层的长度l2=5~80mm，厚度d2=0.1-10mm。

所述的测温热电偶外圆周套装有热电偶保护套，热电偶保护套底端距离感温元件底端内壁的距离为0.5-10mm。热电偶保护套用于提高热电偶使用寿命。

所述的塞棒本体腔体内设置预埋螺母，预埋螺母、塞棒本体、感温元件和预埋螺母为同轴。

所述的连接螺杆的螺纹与塞棒本体内置连接螺母进行连接，连接螺杆的锥面与塞棒本体的锥面结构进行轴向锥面配合。

所述的塞棒本体与感温元件外表面涂刷抗氧化涂层材料；感温元件与塞棒本体复合而成，复合方法包括但不局限于挤压，粘结以及螺纹连接中的一种或几种。

所述的排气通道设置在塞棒本体上，通道数量为1-100个，每个通道直径大小0.01-5mm，排气通道的总通流面积≥1mm²，排气通道的轴线与塞棒本体的轴线的夹角b为10-80°。

本发明带来的有益效果为：基于本发明提供的用于高温熔融金属控流与连续测温装置，根据传感分析与热电偶测温的特性，由于感温元件较薄，能够快速实现温度传递，从而提升了测温的热响应速度；同时保留了塞棒自身的控流功能。

附图说明

图1为本发明用于高温熔融金属连续测温与控制钢流大小的新型装置的结构示意图。

图2为本发明用于高温熔融金属连续测温与控制钢流大小的新型装置的示意图。

图3为本发明用于高温熔融金属连续测温与控制钢流大小的新型装置的局部放大图。

图4为本发明用于高温熔融金属连续测温与控制钢流大小的新型装置的结构图。

图5为塞棒本体开设排气通道结构图。

图6为本发明用于高温熔融金属连续测温与控制钢流大小的新型装置中连接螺杆的结构图。

其中，1-控流水口装置，2-塞棒本体，3-外部横臂，4-信号连接接头装置，5-信号传输装置，6-温度处理与显示仪表，7-感温元件，8-热电偶保护套管，9-测温热电偶，10-过渡填充层，11-塞棒本体头部，12-连接螺杆，13-预埋螺母，14-塞棒本体内部锥面，15-连接螺杆连接螺纹，16-连接螺杆配合锥面。

具体实施方式

如图1、图2和图5所示，用于高温熔融金属连续测温与控制钢流大小的新型装置，包括两端均开口的控流水口装置1，内腔为中空结构的塞棒本体2，空腔内插入有测温热电偶9，塞棒本体2下端固定连接有感温元件7，塞棒本体2两端开口，感温元件7一端开口，一端封闭，开口端与塞棒本体2固定连接形成内部连通，塞棒本体2另一端与连接螺杆12锥面螺纹连接，感温元件7与塞棒本体2之间填充有过渡层10，测温热电偶9下端位于感温元件7内部。感温元件7的开口端外壁与塞棒本体头部11内壁之间设置过渡填充层10。塞棒本体2为中空结构，包括冶金连铸中间包工序所使用的塞棒，铸造模铸设备做使用的塞棒，以及其它起到连接支撑作用的各类中空结构装置；塞棒本体2的头部11弧面与水口装置1实时调控配合控制钢流大小，同时感温元件7感知周围钢水的温度，经过测温热电偶9转换成电信号，经过信号连接接头装置4与信号传输装置5,在温度处理与显示仪表6获得熔融金属的温度值。

由于感温元件7采用耐高温，耐冲刷，高热震性的特种陶瓷材料组成，并且壁厚与之前测温传感器相比，降低了很多，因而带来测温热响应时间大大缩短，利用成熟的热电偶测温系统，实现高温熔融金属温度快速、连续测温；同时保留了塞棒本体与水口之间控制钢流大小的功能，最终同时实现控流与测温双重功能。

可选地，感温元件7露出塞棒本体头部11的长度l1与感温元件7的内径d1的比值l1/d1=0.5~0.9999,l1=5~25mm。例如：l1/d1可以为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、0.95，l1可以为5mm、10mm、15mm、20mm、或25mm。该比值与数值决定了自身加工的可行性，安装的方便性以及对钢流通钢量影响的大小，设计的原则必须保证外部横臂3提升到最高工作位置时，感温元件7要在控流水口碗部以上，不影响钢流大小。经过对冶金现场钢水控流系统的深入研究，感温元件的外露长度l1要在25mm以内；其次在生产制作过程中，感温元件7必须外露一定的长度，可以利用其外径进行定位，实现塞棒本体对称加工。因此必须合理设计，综合控流与测温的性能、制造成本、使用方便性，使得整套装置达到最优。

可选地，感温元件7内径d1为13-28mm，外径d2为17-37mm。在水口内径范围22-45mm的大方坯，小方坯连铸工况下，优选地，感温元件7内径d1为10-20mm，外径d2为14-29mm。例如：d1为10mm、14mm、16mm、17mm、18mm、19mm、20mm；对应的d2为15mm、19mm、20mm、21mm、22mm、23mm、24mm、25mm、26mm，经过实际研究得知，外径d2与控流水口之间要有足够的间隙，间隙大小由通钢量决定，因此需要根据冶金现场水口内径、通钢量合理设计外径d2，再根据感温元件7的壁厚，确定内径d1。

可选地，感温元件7的壁厚d1为2.0~4.5mm。例如：感温元件的壁厚d1可以为2.0mm、2.5mm、2.8mm、3.0mm、3.5mm、4.5mm等。壁厚与感温元件的测温响应速度、感温元件的寿命，生产加工与使用的安全性有关，通过实际研究，壁厚小于2mm，感温元件自身容易开裂，加工困难，并且寿命很难达到客户的要求；而壁厚大于4.5mm,测温响应变慢，并且在此技术产品的使用工况内，感温元件7寿命一般要求在20小时以内，经过现场多次试验证实，感温元件7侵蚀厚度在1-3mm之间，因此兼顾各方面的需求，合理设计感温元件7的壁厚，使整套装置性能达到最优。

所述的感温元件7露出塞棒本体头部11的长度l1与感温元件7的内径d1的比值l1/d1=0.5~0.9999，其露出长度l1=5~30mm。

所述的感温元件内径d1为13-28mm，外径d2为17-37mm，壁厚d1=2.0~4.5mm。

所述的感温元件内径d1为10-20mm，外径d2为14-29mm，壁厚d1=2.0~4.5mm。

所述的过渡填充层的长度l2=5~80mm，厚度d2=0.1-10mm。

所述的测温热电偶外圆周套装有热电偶保护套，热电偶保护套底端距离感温元件底端内壁的距离为0.5-10mm。热电偶保护套用于提高热电偶使用寿命，测温热电偶9可以选用但不局限于b，s型热电偶中的一种。

所述的塞棒本体2腔体内设置预埋螺母13，预埋螺母13、塞棒本体2、感温元件7和预埋螺母13为同轴。

所述的连接螺杆12的螺纹15与塞棒本体2内置连接螺母13进行连接，连接螺杆12的锥面与塞棒本体的锥面结构14进行轴向锥面配合。

可选地，过渡填充层10的长度l2=5-80mm，厚度d2为0.5-8mm。例如：过渡填充层的长度l2可以为5mm、20mm、35mm、50mm、60mm、80mm；厚度d2为0.5mm、1mm、3mm、5mm、7mm、8mm。过渡填充层10结构主要解决感温元件7与塞棒本体头部11两种不同材料之间热膨胀系数差异产生的应力裂纹等问题，起到过渡缓冲、密封等作用，是决定本申请的关键性技术特征，材料由高温石英等组合材料组成。

可选地，塞棒本体2内置预埋螺母13上端设置一个锥面结构14，锥面结构14与感温元件7是同轴的，同轴连接有助于热电偶能够方便插入到感温元件7的内孔里。

可选地，感温元件7耐高温，耐冲刷，导热快的特种陶瓷材料组成，并由金属粉末与陶瓷粉末经过高温烧结而成，其组成材料包括w、mo、zro2、al2o3、cr中的一种或者几种。

可选地，所述的塞棒本体2与感温元件7外表面涂刷抗氧化涂层材料，防氧化涂层材料可以解决塞棒本体2与感温元件7在制作与使用过程中的氧化问题；塞棒本体2与感温元件7复合而成，可根据实际需要需要设置密封连接方式。例如：螺纹连接，高压挤压挤压，高温结合剂进行粘结中的一种或几种。

可选地，连接螺杆12通过塞棒本体2内置连接螺母13进行连接，并且与锥面14进行轴向锥面配合，实现连接螺杆12与感温元件7之间为同轴结构。

可选的，排气通道设置在塞棒本体2上，通道数量为1-100个，每个通道直径大小0.01-5mm，排气通道的总通流面积≥1mm²，排气通道的轴线与塞棒本体的轴线的夹角b为10-80°。

实施例一：在实际使用工况中，连铸中间包根据工艺要求使用透气性塞棒现场，此类情况主要在板坯连铸机上，塞棒本体2下端设置倾斜的排气通道，排气通道贯穿塞棒本体2的下端面，排气通道数量为1-100个，每个通道直径大小0.01-5mm，排气通道的总通流面积≥1mm²，排气通道的轴线与塞棒本体的轴线的夹角b为10-80°，将所述感温元件7和塞棒本体2插入高温熔融金属中，塞棒本体2的头部弧面11与控流水口装置1实时调控配合控制钢流大小，同时感温元件7感知周围钢水的温度，经过测温热电偶9转换成电信号，经过信号连接接头装置4与信号传输装置5,在温度处理与显示仪表6获得熔融金属的温度值。

在本实施例中，水口装置内径为45mm，装置要求寿命达到13个小时，感温元件7与塞棒本体头部11利用冷等静压机，在130mpa的高压环境下挤压复合成型，感温元件7壁厚d1为3.0mm，内径d1为20mm，外径d2为26mm，露出塞棒本体长度l1为18mm，长径比l1/d1为0.90；过渡填充层长度l2=25mm，过渡层厚度为d2=3mm，过渡填充层主要由高温石英材料等组成。在塞棒本体2内置预埋螺母13，在其上端设置一个锥面结构14，锥面结构14与感温元件7是同轴的，锥面锥度大小为1:10，锥面长度为60mm。使用过程中，连接螺杆12上的螺纹15与塞棒本体2内置预埋螺母13进行螺纹配合，起到固定连接的作用；同时连接螺杆12上的锥面16，锥度大小为1:10，锥面长度为56mm，此锥面与塞棒本体2内部的锥面结构14进行锥面同轴配合，最终保证连接螺杆12与感温元件7之间同轴。

测温热电偶9采用b型双铂铑工业热电偶，热电偶保护套管8由含量为99%三氧化二铝材料组成，热电偶保护套管直径、长度、结构需要根据现场实际情况确定，保证插入，拔出操作方便。

实施例二：在实际使用工况中，连铸中间包根据工艺要求使用非透气性塞棒现场，此类情况主要在大方坯，小方坯上，选用不带透气孔的塞棒，塞棒下端不设置排气通道，将所述感温元件7和塞棒本体2插入高温熔融金属中，塞棒本体2的头部弧面11与控流水口装置1实时调控配合控制钢流大小，同时感温元件7感知周围钢水的温度，经过测温热电偶9转换成电信号，经过信号连接接头装置4与信号传输装置5,在温度处理与显示仪表6获得熔融金属的温度值。实施方式参照其他实施方式。

以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，也应视为属于本发明的保护范围。