ОПТИЧЕСКИЙ ПИРОМЕТР
OPTICAL PYROMETER

Настоящее изобретение относится к области непрерывного измерения температуры. В частности, настоящее изобретение относится к непрерывному измерению температуры расплавленного металла во время его непрерывной разливки. В особенности, контроль данной температуры является важным для обеспечения оптимального качества литого металла.
С этой целью широко применяется устройство, содержащее гильзу, выполненную из огнеупорного материала, погруженную в ванну расплавленного металла и соединенную с датчиками температуры. В основном применяют датчики двух типов, а именно, датчики, где используют термопары типа В или термопары, выполненные из сплава благородных металлов, и инфракрасные оптические датчики. Недостаток первых состоит в их преждевременном старении вследствие экстремальных условий работы. Требуется проводить частую замену датчиков, что является дорогостоящим. Инфракрасные оптические датчики, также известные, как оптические пирометры, имеют, в отличие от термопар, гораздо более долгий срок службы, при этом обеспечивая точные и стабильные измерения температуры с течением времени, поскольку область измерения остается размещенной во внутреннем пространстве гильзы.
В заявке WO-A2-03/029771 раскрыт узел оптического пирометра и гильзы, выполненной из огнеупорного материала, которая погружена в ванну расплавленного металла для измерения его температуры. Пирометр и защитная гильза закреплены для сохранения неизменной области измерений, помещенной во внутреннем пространстве гильзы несмотря на удары и вибрации, которым узел может подвергаться. Значительной проблемой, с которой сталкиваются при применении такого устройства, является выделение газообразных компонентов огнеупорным материалом, которые, конденсируясь на оптической линзе, могут создавать помехи измерению. С помощью надлежащего выбора состава огнеупорного материала, а также регулирования атмосферы во внутреннем пространстве огнеупорной трубки, влияние данных газообразных компонентов можно уменьшить. Другим решением, предложенным в патентной заявке WO-A2-03/029771, является применение второй трубки, выполненной из огнеупорного материала, которая является непроницаемой для газов и расположена внутри полости в гильзе. Увеличенную стоимость данного последнего решения, которая связана с усложнением устройства, можно легко представить, исходя из того, что толщина трубки должна быть не больше 5 мм для предотвращения увеличения времени реакции измерительной системы, и что трубка должна быть расположена насколько возможно близко к полости в гильзе. Однако, в заявке не раскрыты детали закрепляющего средства, подлежащего применению.
В патенте ЕР-В1-1893959 аналогично раскрыто измерительное устройство, в котором применяется оптический пирометр, содержащий гильзу, выполненную из огнеупорного материала, которая погружена в расплавленный металл. Данная гильза центрируется с помощью направляющей трубки и опирается на фиксированное посадочное место с помощью шарнирно-сочлененных блокирующих стержней, снабженных барашковыми гайками. Устройство при этом должно быть размещено в охлаждаемом кожухе. Недостатки данного устройства являются многочисленными: конкретно требуется закрепление гильзы, выполненной из огнеупорного материала, во время затягивания гаек. Аналогично, во время замены гильзы, которая происходит через 15-24 часа эксплуатации, в одно время с заменой разливочного устройства, недостаточно ослабить барашковые гайки для поворота стержней для высвобождения гильзы. Конкретно, необходимо предварительно поднять гильзу с посадочного места, на которое она опирается. Манипуляции с огнеупорным материалом являются опасными для оператора. В дополнение, система стержней и барашковых гаек создает риск заклинивания при данных условиях экстремальной температуры и коррозионной атмосферы. Наконец, центрирование области измерений также зависит от расположения гильзы. Гильза центрируется с помощью направляющей трубки измерительной головки, которая скользит через внутреннюю полость гильзы, а также с помощью расположения гильзы на посадочном месте. Расположение таким образом зависит от наружных размеров гильзы и допусков при изготовлении. Таким образом, при ее замене область измерений может перемещаться, что приводит к менее точному измерению.
Задачей настоящего изобретения является устранение данных недостатков (трудности сборки, разборки, сохранения центровки области измерений, нарушения измерения вследствие выделения газообразных компонентов из гильзы, выполненной из огнеупорного материала). С этой целью создан предмет изобретения, устройство для измерения температуры ванны расплавленного металла, содержащий:
a) гильзу (8), выполненную по меньшей мере частично из огнеупорного материала и имеющую:
- открытый конец, снабженный по меньшей мере одним пазом (14),
- закрытый конец,
- продольную ось,
- основной внутренний канал (17) проходящий от открытого конца к закрытому концу вдоль продольной оси гильзы,
- впускной участок (18) внутреннего канала (17), который расположен на расстоянии от открытого конца гильзы (8),
- через канал в его продольном направлении во впускном участке (18) проходят канавки (15), которые имеют угловое смещение от по меньшей мере одного паза (14) на открытом конце,
- канавки (15) выполнены с возможностью направления штифтов (7) головки байонетного стержня (4) в блокирующий участок (16) внутреннего канала, который имеет сечение больше, чем наименьшее сечение внутреннего канала (17), и достаточную высоту для обеспечения поворота штифтов (7) байонетного стержня (4) относительно гильзы вокруг продольной оси гильзы, и
b) оптическую головку, содержащую:
- полый байонетный стержень (4), имеющий конец, снабженный штифтами (7), и другой конец, на котором размещены держатель (3) линзы, закрытый защитным окном (12), и линза (2) пирометра, причем промежуточная часть байонетного стержня (4) расположена по центру пружины (11), поддерживаемой блокирующим компонентом (6), который:
- может свободно поворачиваться вокруг байонетного стержня (4),
- скреплен со средством (9) для натяжения пружины (11),
- скреплен со средством для поворота вокруг байонетного стержня (4), и
- имеет по меньшей мере один выступ (21), предназначенный для размещения по меньшей мере в одном пазу (14) в гильзе (8),
- блокирующий компонент (6) выполнен с возможностью поворота:
- из исходного положения, в котором выступ (21) блокирующего компонента расположен на одной линии с пазом (14) в гильзе (8), и штифты (7) байонетного стержня (4) расположены на одной линии с канавками (15),
- в положение с угловым смещением от исходного положения, в котором штифты (7) байонетного стержня (4) расположены в блокирующем участке (16) внутреннего канала, в положении со смещением от канавки (15).
Таким образом, благодаря соединению оптической головки с муфтой (8), на первом этапе осуществляется закрепление и немедленное центрирование с помощью поворота гильзы относительно оптической головки. Для этого достаточно одного оператора. При выполнении поворота гильзы на продольной оси, выступ (21) блокирующего компонента (6) увлекается поворотом. В свою очередь, поворот блокирующего компонента (6) увлекает средство для натяжения пружины, например, рычаг (9), скрепленный с ней, визуально указывая оператору, что закрепление осуществлено. На втором этапе оператор частично ослабляет натяжение пружины (11) с помощью рычага (9). Гибкость в закреплении получают, таким образом, с помощью регулирования закрепляющего усилия, которое изменяется во время нагрева. Конкретно, в результате нагрева возникают дополнительные растягивающие усилия вследствие отличающихся коэффициентов расширение огнеупорного материала и металла. Присутствие пружины придает некоторую гибкость, которая значительно больше, чем в чрезвычайно жесткой системе по патенту ЕР-В1-1893959.
Другое существенное преимущество устройства, состоит в возможности его быстрого разбора при высокой температуре, не требующего манипуляций с муфтой. По истечении периода времени измерений, составляющего 15-24 часа, обычной является замена гильзы во время замены разливочного устройства. Эффективным способом ее проведения является разбор устройства выше разливочного устройства и предоставление гильзе возможности падения в разливочное устройство, требующее замены. Изобретение делает данный этап легким, быстрым и безопасным для оператора. Конкретно, все, что он должен сделать, это опустить рычаг и затем повернуть рычаг для отсоединения гильзы, не требующего прикасаться к ней.
Изобретение также включает в себя один или больше признаков из следующего перечня:
- число штифтов (7) составляет один или больше, но имеются предпочтительно три штифта (7) в байонетном стержне (4), при этом обеспечено оптимальное удержание гильзы (8). Минимальное число канавок равно единице,
- боковые каналы (13) в стенке держателя линзы обеспечивают проход газа (например, аргона), который перемещается под защитным окном (12), предотвращая создание помех оптическому измерению от конденсации любого газа, выделяемого огнеупорным материал или от пыли на защитном окне (12),
- вентиляционная трубка (25) соединена с концом байонетного стержня (4) для улучшения отвода паров испарений, выделяемых муфтой. Газ, приходящий из боковых каналов (13) в стенке держателя линзы продолжает перемещаться до конца трубки и затем поднимается через канавки (15) и паз (14), унося с собой пыль и пары испарений гильзы. Соединение можно выполнять свинчиванием или взаимной блокировкой. Вентиляционная трубка может также являться одной деталью с байонетным стержнем (4),
- впускной участок (18) внутреннего канала, который расположен на расстоянии от верхнего конца гильзы, состоит из металлической вставки, имеющей канал, расположенный соосно с продольной осью гильзы. Другой альтернативой является изготовление гильзы без металлической вставки;
- кольцо (19), свободно поворачивающееся вокруг байонетного стержня (4) и скрепленное с блокирующим компонентом (6), размещено выше пружины для улучшения плавности перемещения кулачкового рычага. Кулачок может эффективно нажимать непосредственно на пружину;
- канал во впускном участке (18) имеет форму усеченного конуса, и блокирующий компонент (6) имеет конический конец. Взаимное блокирование оптической головки с муфтой, таким образом, становится проще.
- средством для натяжения пружины является кулачковый рычаг, который является быстродействующим и практичным средством для натяжения пружины. Натяжение может также осуществляться затягивающей системой типа Enerpack (гидравлическим исполнительным механизмом) или системой гайка /болт.
Комбинация данных двух последних признаков обеспечивает оптимальное центрирование области измерений. Данное центрирование зависит только от станочной обработки металлических частей, допуски на изготовление которых являются низкими. В дополнение, все растягивающие усилия, связанные с отличающимися коэффициентами расширения огнеупорного материала и металлических элементов, уравновешиваются пружиной.
Предпочтительно, канавки (15), выполненные с возможностью направления штифтов, также служат в качестве проходов для отвода газообразных компонентов, эмитированных муфтой, выполненной из огнеупорного материала, при доведении до высокой температуры. Количество газа и пыли, которые достигают защитного окна (12), таким образом уменьшается. Как описано выше, измерительное окно может также очищаться нагнетанием газа, предпочтительно аргона, который предотвращать создание любых помех измерению осаждением конденсата на защитном окне. Установка вентиляционной трубки обеспечивает дополнительное улучшение способа. На фиг. 6 показано устройство с вентиляционной трубкой (25).
Дополнительными предметами изобретения являются гильза, выполненная по меньшей мере частично из огнеупорного материала, как описано выше, и способ сбора и разбора гильзы и оптической головки согласно изобретению. Преимуществами являются более простая эксплуатация и повышенная безопасность, как объяснено выше.
На фиг. 1a, 1b показано измерительное устройство согласно одному частному варианту осуществления изобретения, на фиг. 1b показана с увеличением верхняя часть фиг 1а. На фигурах показано устройство, содержащее:
- линзу (2) пирометра, установленную в держателе (3) линзы, охлаждаемую проходом газа через боковые каналы (13) в стенке держателя (3) линзы. Боковые каналы (13) пропускают данный газ под защитным окном (12) и обеспечивают постоянную очистку, предотвращающую любую конденсацию газа или запыление на защитном окне (12).
- полый байонетный стержень (4), который имеет конец, снабженный двумя штифтами (7), и другой конец, предоставляющий место для размещения держателя (3) линзы и самой линзы (2) пирометра. Промежуточная часть установлена в центре пружины (11), поддерживаемой блокирующим конусом (6), который может свободно поворачиваться вокруг байонетного стержня (4),
- пружину (11) удерживаемую между блокирующим конусом (6) и кольцом (19), скрепленным с байонетным стержнем (4),
- блокирующий конус (6), имеющий:
1. в своей верхней части, два противоположный выступа (20), которые параллельны оси байонетного стержня (4) и прикреплены с помощью гаек к рычагу (9) с двумя кулачками,
2. в своей нижней части, два противоположных выступа (21), которые в общем выполнены для размещения в пазах (14) в гильзе (8), причем, блокирующий конус (6) выполнен с возможностью поворота:
- из исходного положения, в котором выступы (21) блокирующего конуса расположены на одной линии с пазами (14) в гильзе (8), и штифты (7) байонетного стержня (4) расположены на одной линии с канавками (15),
- в положение с угловым смещением от исходного положения, в котором штифты (7) байонетного стержня (4) расположены в блокирующем участке (16) в положении со смещением от канавки (15).
3. в своей промежуточной части, упорный выступ, который удерживает пружину (11),
- рычаг (9) с двумя кулачками, скрепленный с блокирующим конусом (6) посредством выступов (20) конуса, опирающийся на кольцо (19). При повороте рычага вверх, блокирующий конус (6) опускается и освобождает от сжатия пружину (11), которая предпочтительно выполнена из инконеля, чтобы выдерживать высокие эксплуатационные температуры;
- гильзу (8), выполненную по меньшей мере частично из огнеупорного материала, состав которого выбран для уменьшения получения газа при высоких температурах. Она предпочтительно выполнена по меньшей мере частично из алюмографита;
- металлическую вставку (10), размещенную в верхней части гильзы (8) и ограничивающую впуск предпочтительно в форме усеченного конуса для приема нижнего конца байонетного стержня (4).
В варианте осуществления, описанном выше, средство для натяжения и средство для поворота вокруг байонетного стержня (4) является одним и тем же: рычаг (9) с двумя кулачками применяется для поворота блокирующего конуса (6). На фиг. 2 показан другой вариант осуществления: система гайка (22) /болт (23), которая применяется для натяжения и соединена с двумя ручками (24) для поворота блокирующего конуса (6).
На фиг. 3, где показано поперечное сечение гильзы, и на фиг. 4, где показано продольное сечение гильзы (8), можно видеть две канавки (15), которые проходят вертикально через металлическую вставку. Таким способом, данные канавки обеспечивают подачу двух штифтов (7) байонетного стержня (4). Штифты (7) приходят под металлической вставкой (10) в блокирующем участке (16) внутреннего канала, который имеет сечение больше, чем наименьшее сечение внутреннего канала (17), и достаточную высоту для обеспечения поворота штифтов (7) байонетного стержня (4). Штифты (7) можно, таким образом, поворачивать на четверть оборота, при этом закрепляя байонетный стержень (4).
Канавки (15) также применяются для отвода газов, эмитированных огнеупорным материалом. Отвод газов можно улучшить, создавая отрицательное давление в гильзе (8) с помощью системы с трубками Вентури, например. Газы должны затем отсасываться на выпуск.
На фиг. 5 показана последовательность установки и удаления гильзы (8) (а - f): оператор вставляет гильзу (8), совмещая выступы (21) блокирующего конуса (6) с соответствующими пазами (14) в верхней часть гильзы (8), позиция (а). Затем, штифты (7) байонетного стержня (4), которые смещены на четверть оборота относительно выступов (21) блокирующего конуса, проходят в канавки (15) в металлической вставке. Когда выступы (21) блокирующего конуса (6) находятся в пазах (14), штифты (7) байонетного стержня (4) уже прошли за металлической вставкой и проходят в блокирующий участок (16) внутреннего канала, который имеет сечение больше, чем наименьшее сечение внутреннего канала (17). Поворотом на четверть оборота (позиция b), осуществляется закрепление байонетного стержня (4), и оператор может затем высвободить гильзу (8). Данный поворот обуславливает поворот блокирующего конуса (6) и, следовательно, рычага (9) на четверть оборота посредством выступов (21) блокирующего конуса.
Оператор затем вертикально поднимает данный рычаг (позиция с), при этом опуская блокирующий конус (6), который опирается на металлическую вставку. При подъеме рычага пружина (11) частично ослабляется, и становится, следовательно, более гибкой и может противодействовать дополнительным растягивающим усилиям, которые возникают вследствие отличающихся коэффициентов расширения огнеупорного материала и металла.
Измерительное устройство готово к эксплуатации. Оно теперь удовлетворяет условию перемещения узла над разливочным устройством.
На позиции (d) показано устройство в эксплуатации, и нижняя часть гильзы (8) является горячей.
Когда впоследствии возникает необходимость заменить гильзу (8), выполненную из огнеупорного материала, требуется только выполнить противоположные перемещения рычага (9). То есть, опустить рычаг (позиция е) и затем выполнить четверть оборота (позиция f), при этом выпуская защитную гильзу (8) в разливочное устройство.
Дополнительным предметом изобретения является способ измерения температуры ванны расплавленного металла, содержащий следующие этапы:
- сборку гильзы, по пп. 7-10 формулы изобретения с помощью ее поворота, обуславливающего поворот средства для натяжения пружины оптической головки по п. 1 формулы изобретения,
- снятие давления с пружины,
- расположение узла в ванне расплавленного металла,
- измерение температуры.
Следует отметить что способ сборки гильзы на оптической головке можно применять для сборки стопорного стержня на закрепляющем приспособлении.
Стопорный стержень, таким образом, имеет следующие признаки:
- открытый конец, снабженный по меньшей мере одним пазом,
- закрытый конец,
- продольную ось,
- основной внутренний канал, проходящий от открытого конца к закрытому концу вдоль продольной оси стопорного стержня,
- впускной участок внутреннего канала, который расположен на расстоянии от открытого конца стопорного стержня,
- через канал в его продольном направлении во впускном участке проходят канавки, которые имеют угловое смещение от по меньшей мере одного паза на открытом конце,
- канавки выполнены с возможностью направления штифтов, которых имеется предпочтительно три, головки байонетного стержня в участок для блокирования внутреннего канала, который имеет сечение больше, чем наименьшее сечение внутреннего канала, и достаточную высоту для обеспечения поворота штифтов байонетного стержня относительно стопорного стержня вокруг продольной оси стопорного стержня.
Такой стопорный стержень может применяться с системой для закрепления устройства, описанного выше, при этом элементы, предназначенные для измерения температуры, можно, если необходимо исключить.
На фиг. 6 показано устройство по п. 6 формулы изобретения. Вентиляционная трубка сблокирована с байонетным стержнем (4) и удерживается с помощью винта. Полость вентиляционной трубки выполнена расширенной на конус в своей нижней части для исключения ситуации, в которой небольшое отклонение от оси вентиляционной трубки исключает дальность действия пирометра, достигающую нижней части гильзы.
Перечень ссылочных позиций
1. Входное отверстие для оптоволокна и измерительных кабелей
2. Линза пирометра
3. Держатель линзы
4. Байонетный стержень
5. Поддерживающий кронштейн
6. Блокирующий конус
7. Штифты байонетного стержня
8. Защитная гильза
9. Рычаг
10. Металлическая вставка
11. Пружина
12. Защитное окно
13. Канал впуска газа
14. Пазы
15. Канавки
16. Блокирующий участок внутреннего канала
17. Основной внутренний канал
18. Входной участок внутреннего канала (17), который расположен на расстоянии от открытого конца гильзы (8)
19. Кольцо
20. Выступ блокирующего конуса
21. Выступ блокирующего конуса
22. Гайка
23. Болт
24. Ручка
25. Вентиляционная трубка.