Устройство для измерения температуры расплавленных материалов

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения температуры расплавов различных материалов, например, чугуна, стали, алюминия в черной и цветной металлургии, стекловарении и других отраслях промышленности.
Известно устройство [1] для измерения температуры расплавленных веществ с применением оптоволоконного пирометра и полого тела (металлической или кварцевой колбы) погружаемого в расплав, где измеряется энергия теплового излучения стенок полого тела. Однако, при высоких температурах расплавов (например, для стали до 1800°С и выше) металлическая колба может расплавиться, а кварцевая колба оптически прозрачная и, поэтому, при измерении температуры расплава через ее стенку необходимо знать коэффициент теплового излучения материала расплава.
Известно устройство для измерния температуры расплава с применением огнеупорного сплошного световода и оптоволоконного пирометра. [2] Здесь световод представляет собой отрезок оптического волокна с защитной оболочкой, который находится полностью в керамической втулке. При этом, внешний торец оптоволоконного световода установлен заподлицо с торцом керамической втулки. Однако, при такой конструкции измерительной головки не обеспечивается точное измерение температуры расплава. Причина в том, что керамическая втулка имеет определенную теплоемкость и после погружения в расплав на ее поверхности, (а следовательно, и на поверхности торца световода) образуется корочка из отвердевшего материала расплава. Эта корочка постепенно расплавляется по мере прогрева керамической втулки до равновесной температуры расплава. При этом, время измерения еще больше увеличивается при покрытии торца керамической втулки со световодом слоем огнеупорного оптически непрозрачного материала. В среде расплава при высокой температуре защитная картонная трубка, в которой находится керамическая втулка со световодом, сгорает в течение 10-15 секунд. При столь коротком времени измерения торец световода вместе с керамической втулкой не успевают прогреться до истинной температуры расплава и разброс показаний пирометра может достигать десятков градусов, что не приемлемо в металлургии. Кроме того, в результате интенсивного горения картонной трубки в ближней зоне измерения возникает турбулентность расплава, что также снижает точность и стабильность измерения температуры. Системы подобного типа описаны в литературе как стационарные, где световод встраивается заподлицо в огнеупорную футеровку плавильного агрегата и прогревается вместе с ней в течение длительного времени. [3]
Известно устройство [4] для измерения температуры расплава, которое на поверхности расплава формирует углубление, являющееся моделью «абсолютно черного тела» (АЧТ) путем погружения в расплав огнеупорного оптически прозрачного сплошного тела, по которому тепловое излучение передается к измерителю. Данное устройство содержит световод, выполненный из оптически прозрачного огнеупорного материала (сапфира или рубина), приемник теплового излучения и оптическую линию, соединяющую световод с приемником.
Это устройство наиболее близко по количеству существенных признаков к заявляемому техническому решению и принято за прототип.
В указанном выше устройстве световод должен иметь определенное соотношение длины и диаметра (примерно, 6:1), а наружный конец световода должен иметь специальную форму (конус с определенным углом или закругление), а также обладать высокой чистотой обработки поверхности. Кроме того, перед измерением необходим предварительный прогрев стержня из синтетического рубина для исключения его разрушения от термоудара.
Задача настоящей полезной модели состоит в повышении точности измерения расплавов различных веществ вне зависимости от коэффициента теплового излучения и температуры исследуемого вещества. Также, задача полезной модели состоит в технических решениях, позволяющих практически использовать устройство в промышленности.
С целью повышения точности измерения температуры расплавов различных по химическому составу материалов, в известном устройстве для измерения температуры расплава, измеряющем энергию теплового излучения с поверхности углубления в расплаве, сформированного путем погружения в расплав огнеупорного оптически прозрачного тела, вместо рубина или сапфира световод изготавливается из кварца. Кварцевый световод не боится термоударов и может без разрушения нагреваться до очень высоких температур (тысячи градусов) в течение нескольких секунд. При этом, наружный конец световода, в отличие от прототипа, может иметь произвольную форму (плоскую, неровную, скошенную), а чистота обработки поверхности световода не имеет значения. На кончик внешней части световода, выступающей на некоторую длину из огнеупорной втулки, наносится слой огнеупорного оптически непрозрачного материала. Данное покрытие является промежуточной средой между материалом расплава и световодом и имеет известный коэффициент теплового излучения. Это позволяет избежать зависимости пирометрических измерений температуры от химического состава материала расплава с различными коэффициентами теплового излучения.
Данный световод устанавливается герметично на цемент в керамическую втулку, которая запрессовывается в картонную трубку. Длина выступающей наружу части световода из огнеупорной керамической втулки может выбираться произвольно. Однако, на результаты измерения температуры расплава оказывают существенное влияние теплоемкость керамической втулки, а также турбулентность расплава в зоне измерения, возникающая в процессе интенсивного горения картонной трубки. Поэтому, для более точного измерения тепературы расплава необходимо иметь достаточно длинный внешний конец световода, выступающий из керамической втулки наружу не менее чем на 5…15 мм. С другой стороны, механическая прочность кварцевого стержня уменьшается с ростом его длины и уменьшением диаметра. Поэтому, можно считать оптимальным, если при диаметре кварцевого световода, например, 3 мм его выступающая из керамической втулки часть будет иметь длину порядка 15 мм или чуть более. Это позволит обеспечить достаточную механическую прочность световода и независимость измерений от теплоемкости керамической втулки и турбулентности расплава. При этом, соотношение длины световода к его диаметру составит примерно 5:1 или более.
Наружная выступающая часть кварцевого световода и огнеупорное покрытие его кончика имеют малую массу, а следовательно, и малую теплоемкость. Это обеспечивает быстрый и равномерный прогрев огнеупорного покрытия кончика световода до равновесной температуры жидкого расплава. При этом, точность измерения температуры дополнительно повышается за счет приближения удлиненной цилиндрической формы световода к форме модели «абсолютно черного тела», где обычно считается оптимальным соотношение длины тела к его диаметру порядка 6:1.
Предлагаемая полезная модель устройства (Фиг. 1) состоит из огнеупорного погружного зонда, оптоволоконного пирометра и элементов конструкции изделия, позволяющих осуществить погружение зонда в жидкий расплав на короткое время, достаточное для точного измерения температуры без разрушения изделия. Погружной зонд, состоит из защитной картонной трубки 4, в отверстие которой с одного конца запрессована огнеупорная керамическая втулка 5. В осевое отверстие данной втулки 5 установлен световод 6 удлиненной цилиндрической формы (например, кварцевый стержень), герметично залитый цементом. Наружная часть световода может выступать из керамической втулки на длину порядка 10…15 мм. При этом, кончик световода покрыт слоем оптически непрозрачного огнеупорного материала 7 с известным коэффициентом теплового излучения. Внутренний торец кварцевого световода 6 расположен внутри картонной трубки и оптически связан с пирометром 1 через оптоволоконный кабель 3. Данный кабель установлен в полом металлическом жезле и принимает излучение торца световода либо непосредственно, либо через линзу, имеющую заданный угол визирования. Наружный конец световода 6 выступающий из керамической втулки закрывается металлическим, который защищает его от разрушения и шлака при погружении в расплав и быстро расплавляется в нем после погружения.
Устройство работает следующим образом. Перед измерением картонная трубка 4 погружного зонда надевается на полый металлический жезл 2 и зонд с помощью жезла погружается в исследуемый расплав 8. Измерение обычно длится несколько секунд, именно за такое время внешний конец кварцевого световода с огнеупорным покрытием успевает прогреться до равновесной температуры расплава. Пирометр 1 через оптоволоконный кабель 3 принимает тепловое излучение, исходящее из внутреннего торца световода 6 и преобразует его в показания температуры расплава. После установления на индикаторе пирометра стабильных показаний температуры на заданном интервале времени (выхода температуры на «полку») жезл 2 с частично обгоревшим картонной трубкой 4 извлекается из расплава. Погружной зонд является, как правило, одноразовым изделием и после извлечения снимается с жезла и выбрасывается. А сам жезл с оптической системой внутри в процессе погружения в расплав защищен картонной трубкой и поэтому не нагревается и может использоваться многократно.
Источники информации:
1. Патент РФ №113836
2. Патент US №9243958 В2
3. Авторское свидетельство 393961 (СССР)
4. Патент РФ №2150091
5. Патент РФ №105993
6. Патент РФ №2029259
7. Патент РФ №1124683
8. Патент РФ №1126064
9. Патент BE №2545382
10. Патент BE №2416785
11. Патент CN №2267751