用于测量熔融金属的温度的装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用光纤测量熔体、特别是熔融金属(例如钢水)的温度的装置。
【背景技术】
[0002]用于生产钢水的电弧炉(EAF)工艺是由以下操作组成的分批工艺:金属原料的装炉、熔化、精炼、去渣、出钢以及电弧炉再次准备。因为每一批次钢(其称为每炉熔炼量)在称为出钢的过程中从熔化炉移出，所以，通常用以时间单位表示的冶炼周期来表示钢生产的周期批次率。现代的EAF操作力求达到小于60分钟的冶炼周期，并且进一步达到约35到40分钟的冶炼周期。
[0003]在EAF生产率方面获得的促进可能的快速冶炼次数的许多进展与增加的电功率输入(在350到400kWh/t范围内)以及到电弧炉中的能量输入的替代形式(吹氧、氧气燃料燃烧器)有关。最先进的EAF操作消耗约18到27Nm3/t的补充氧，这些补充氧供应20%到32%的总功率输入。另外，对允许更快的电弧炉移动的原料的改进已经减少了电弧炉闲置的时间量。EAF操作人员的工业目的一直是最大化电弧炉通电时间，从而产生最大生产率，以便降低固定成本并同时从电功率输入获得最大利益。在EAF中生产一个炉次的钢所消耗的大部分时间是在熔化的过程步骤中。
[0004]熔化阶段是EAF操作的核心，并且在大部分现代的EAF中以两段过程进行。电能经由石墨电极供应并且是熔化操作中的最大贡献者。为了熔化废钢料，理论上最少需要300kffh/to为了给熔融金属提供高于钢的熔点温度的温度，需要另外的能量。对于典型的出钢温度要求，理论上需要的总能量通常处于350到400kWh/t的范围内。然而，EAF炼钢仅是55%到65%能量有效的，并且因此对于大多数现代操作总的等效能量输入通常在650kWh/t的范围内，其中60%到65%通过电功率供应，剩余的需求通过化石燃料燃烧以及精炼过程的化学氧化能供应。
[0005]在首次金属装料期间，通常选择中间电压出钢直到电极可以充分钻入废料中为止。在电极电弧与熔化容器的侧壁之间的未熔化废料保护电弧炉结构免受损坏，使得在钻入之后可以使用长电弧(高压)出钢。在初始钻入阶段期间熔化大约15%的废料。通过炉壁中的特殊喷嘴添加的化石燃料燃烧有助于废料加热以及热均匀性。随着电弧炉内大气加热，电弧倾向于稳定，平均功率输入可以增加。长电弧使到废料的功率的传递最大化，在炉膛中将开始形成金属的液池。对于一些特殊的EAF类型，优选的做法是用从先前炉次续用的小池(称为“热跟”)开始分批熔化过程。
[0006]当已经熔化足够的废料以容纳第二次装料的体积时，重复装料过程。一旦在电弧炉中产生了钢的熔池，现在就经由几个源(例如，氧气燃料燃烧器以及吹氧)来供应化学能。一旦熔融金属高度足够且清除了阻塞性废料，氧气就可以直接吹入熔槽中。
[0007]在接近最终废料装料全部熔化的时刻，电弧炉侧壁可暴露于来自电弧的高辐射。因此，必须减小电压或形成围封电极的泡沫渣。熔渣层在发泡时可以具有超过I米的厚度。现在，电弧被掩埋并将保护炉壳。另外，更大量的能量将保留在炉渣中并且传递到熔槽，从而导致更高的能效。此过程将在覆盖钢的熔渣层中形成大量的热，从而导致高达比钢温度高200°C的温度，从而形成对于过程控制测量非常独特且困难的环境，原因稍后解释。
[0008]为了减少一个炉次的冶炼时间，在许多情况下，并且尤其是在用热跟进行操作的现代EAF操作中，可以在整个炉次周期中将氧气吹入熔槽中。此氧气将与熔槽中的若干成分反应，所述成分包含铝、硅、锰、磷、碳和铁。所有这些反应都是放热的(即，它们产生热量)并且将供应能量以帮助废料的熔化。所形成的金属氧化物最终将留在熔渣中。
[0009]当基本上熔化最终废料装料以及原材料时，达到平整的熔槽条件。此时，将获得熔槽温度以及化学分析样本以确定大致的氧气精炼时间段并计算出直到出钢为止的剩余通电时间。
[0010]无论可取决于可用原材料的利用、电弧炉设计、本地操作实践和本地生产经济而改变的特定的本地处理步骤如何，显然，可以各种策略采用许多形式的到电弧炉的能量输入，以便将冶炼时间减到最少，并且提高在以正确化学组成和出钢的所需温度将固体废料和熔渣成分转化成钢水和熔渣期间的能效。
[0011]如在其它炼钢工艺中一样，由数学模型指导EAF的冶炼生产过程，所述数学模型考虑了原材料的数量和质量，以便预测给定能量输入和热量输出的过程结束点。此类变量的列表在EP 0747492A1中可见。许多用以控制和预测EAF性能的过程模型在本领域中是众所周知的。当与高炉到转炉的传统炼钢工艺相比时，在EAF工艺中使用的原材料的变化要高得多，并且由此需要不断的调整。校正和指导该过程所需的到这些模型的若干信息输入中的一者是熔融金属温度。
[0012]为EAF操作人员提供最佳和最新的熔融金属温度信息应满足以下要求:
[0013]-表示内部金属液的精确温度，
[0014]-与电弧炉倾炉无关的固定浸入深度，
[0015]-连续地或近似连续地可用，
[0016]-用于浸入深度调整的熔槽液位确定。
[0017]通常，使用熟知的一次性热电偶(例如在US 2993944中所描述的)完成熔融金属的温度测量。这些热电偶可以由操作人员用钢杆手动地浸入，所述钢杆具有经调适的电气布线和连接以将热电偶信号传送到适当的仪器。另外，现在使用许多自动的热电偶浸入机械系统以提供热电偶浸入，例如可自WWW.more-oxy.com公开获得的或梅森(Metzen)等人在MPT国际(MPT Internat1nal) 4/2000，第84页的文献中所描述的那些。
[0018]—旦建立了熔融金属的汇集，熔槽温度将缓慢上升。对于给定能量输入，未熔融废料的含量越高，温度上升的速率将越低。一旦全部废料都被熔融，熔槽温度就将非常迅速地上升，在接近过程结束时以大约35°C到70°C /分钟的速度上升。为了预测最优的过程终点(金属准备好出钢的时刻)，过程控制模型需要具有精确的且以足够高的测量频率测量的温度信息，以形成对停止各种能量输入的最佳时刻的精确预报。使用自动式浸入装置的测量过程要求打开检查门(通常是熔渣门，US 2011/0038391以及US 7767137中有一般描述)以允许插入支撑一次性热电偶的机械臂。在大多数现代的操作中，检查门还用以为氧气燃料燃烧器和氧气喷枪提供到电弧炉的进入口，所述氧气燃料燃烧器和氧气喷枪用类似于浸入枪的操纵器的操纵器进行定位。最近，还可以围绕炉壳的圆周设置用于燃烧器的若干另外的入口，如US 6749661中所描述。
[0019]出于获得过程中的最新温度的目的打开熔渣门使得大量空气进入电弧炉。此打开的后果是冷却了局部区域并且提供了氮气源。在电弧放电期间，氮气转化成NOx，所述NOx是EAF工艺的不合需要的排出物。然而，有必要通过此开口对电弧炉进行去渣，自动式浸入设备的使用也利用此开口来获得温度，因此，在需要重复的温度测量的时间段期间使电弧炉内部暴露于不必要的氮气进入以及意外去渣下。
[0020]由于在金属精炼过程的结束阶段期间快速的温度上升，在最佳情况下过程控制模型的更新时间无法跟上现代高功率的电弧炉。理想的是，在精炼结束期间的快速温度更新以及在出钢之前最后几分钟的连续温度信息提供用于模型预测精确性和结束点确定的最佳组合。对于典型自动式系统的I分钟的实际测试到测试时间限制了此类动态过程的点测量的实用性。常规的一次性热电偶以及自动式浸入设备除了较低的采样频率之外还受到一些另外的限制，所述较低的采样频率最终降低了在用于精确的结束点决定时过程模型的预测成功率。
[0021]在熔化和精炼过程期间，熔槽将具有温度梯度，而熔槽的表面将具有大大高于熔融内部金属液的温度的温度。在整个电弧炉内部存在金属的热点和冷点，从而需要使用专门的燃烧器和定向化石燃料加热器来帮助使内部均匀化。如在EP 1857760 Al中所指示的，由于典型的自动式浸入设备需要频繁进入，因此一个冷点是在熔渣门的通常出现一次性热电偶浸入的区域中。如在US 2886617中所描述，EAF具有“摇动”电弧炉的能力，也就是说，使电弧炉的水平位置前后倾斜，以便进一步使熔槽均匀化、去渣以及使电弧炉出钢。
[0022]大多数自动式浸入装置安装在熔渣门的区域中并且安装在操作台上，因此不能倾斜到倾斜的电弧炉的角度。因为这一点，这些操纵器并不能在任何时候和在所有情况下都将一次性热电偶定位至熔槽中。此外，热电偶的浸入深度与自动式装置的机械臂的关节连接相关，并且由此，由于电弧炉倾斜的角度而无法容易地调整浸入深度以适应熔槽液位变化。尽管出于EAF工艺的操作模型的目的，重要的是在反映总体温度的位置中进行重复测量，但用或者手动或者自动的喷枪获得的实际温度测量难以实现稳定的浸入深度，在浸入喷枪的位置没有调整到与熔炉的摇动和实际熔槽液位相匹配、且不在利于温度精确性的位置时是不可用的。
[0023]本发明使用熔融金属浸入式自耗光纤和能够将温度装置穿过EAF的侧壁插入到可预测的钢水浸入深度的浸入设备来测量冶金容器中的温度，其中温度到温度的测量频率小于20秒。单独地或快速连续地按需采样的能力允许可以在过程期间的关键时刻更新用于EAF操作的数学预测模型的测量策略，其中快速连续测量的能力以低成本提供近似连续的温度数据。
[0024]现有技术中在各种炼钢容器中安装有许多温度测量装置，它们利用固定的光学光导以朝向光学检测器聚焦辐射。此类现有技术的实例可以参见JP-A 61-91529、JP-A-62-52423、US 4468771、US 5064295、US 6172367、US 6923573、WO 98/46971 Al 以及WO 02/48661 Al。这些现有技术的共性是光导是固定的，并且因为这一点需要使用复杂的设备来保护所述光导不受损坏。这些保护措施可以包括:气体吹洗以或者冷却组件或者移除金属使其不与光学元件进行物理接触；具有炼钢容器的衬套的相对