[发明专利]坠落浸没式探测头

说明书

发明领域

本发明一般涉及用于测量熔化金属参数的浸没式探测头，尤其是涉及一种用于对氧气顶吹炉(以下简称转炉)内的熔化钢参数进行测量的坠落浸没式探测头。

发明背景

对在转炉内的已熔化金属，例如已熔化钢的熔池温度进行测量，这对在转炉内生产的液态钢的精炼及随后的处理是十分重要的。一种常用的测量熔化钢温度的方法是临时中断精炼过程，将转炉倾斜到一个通常是水平的位置，然后人工地把一个含温度传感器或其它传感器的可熔探测头插入液态钢内的一个特定深度。虽然这种方法已经有效地用于探测熔化金属温度和其它的参数，但是它费时并对炼钢过程具有相当的破坏性。

在60年代中期，已采用了所谓的“投入”式的热电偶传感器装置，这种装置可以对熔化的钢进行温度测量同时又避免在倾斜和人工测量过程中能涉及的昂贵而费时的工序。在美国专利第3,374,122号和3,497,398号中已具体说明那时所采用的典型的投入式传感器装置。在这两个专利中揭示的这类传感器装置采用一种被安装在纸质或纸板的支承管上的标准的或典型的热电偶型传感器和围绕该支承管的至少一部分以使传感器装置沉入熔化钢中的一个分离的重块件。转炉可保持在一直立的位置上并且传感器装置可以下落进转炉内的熔化钢中约60至70英尺处。一具有适宜长度的引线将热电偶传感器与设置在炉外用于读出感应到的熔化钢温度的检测设备相连接。这类传感器装置是有缺点的，这是由于它们存在着漂浮在渣/金属交界面上的趋势，从而经常导致不精确的温度测量。所述漂浮问题主要是由于虽然加上了附加重块这类传感器装置所具有的净密度仍小于液态钢的密度而产生的。这类传感器还具有较高的重心，这可导致测量的不精确。

一种在转炉内进行温度测量的替代方法是采用一种带多用途的温度和/或其它传感器的电机驱动的枪或探头，这种枪或探头也不需要转炉倾斜或精炼过程的暂停。这类电动机驱动的装置，尽管一般可提供理想的温度测量结果，但仍需要数百万美元的用于装置安装的费用并且还显示出其昂贵的使用和维修费用。

在美国专利第4,881,824和5,275,488号中揭示了在转炉的投入式传感器装置上较进期的发展。美国专利第4,881,824号揭示了一种具有一平衡块浮体的浸没式探测头，该平衡块浮体用于将温度传感器保持在一规定的深度上以合适地测量熔化的钢的温度。所述探测头具有的净密度比液态钢的密度小并且重心位置较高，因而只要在钢之上的渣层具有足够小的厚度就可以使该探测头保持在熔化钢中的一个基本垂直的方位。美国专利第5,275,488号揭示了一种其净密度要大于熔化钢的密度的探测头。然而，这个专利并未提及一些附加因素，例如被截留的气体浮力和较高的重心，而它们都会对温度测量的有效性带来不利影响。

一种其密度大于熔化金属的密度的探测头可不必沉入熔化的钢中，尤其是通常存在于转炉中的一种高氧、低碳钢。由在这种探测头表面上的碳一氧反应放出的气体在比较冷的探测头传感器头部接触钢熔池内的高充氧钢时形成。在传感器头部与液态钢的交界面上放出气体产生一个施加到传感器上的浮力，该浮力向上推动探测头部离开进行温度测量的区域。在这两个专利中所揭示的探测头包括一个套设在传感器头部端上的引线之外的硬金属管以延长引线在熔化钢池内的寿命。虽然保护了引线使之不接触熔化的钢，但是硬金属管的存在使得探测头的重心更高，这在将探测头浸没在液态钢中时会产生垂向的不稳定性。探测头传感器两个头部的形状都不是特别有助于探测头深贯穿进熔化金属内。此外，在传感器元件附近使用金属支承柱，如美国专利4,881,824中所示，由于液态钢在支承柱上凝固所产生的温差(热梯度)以及如前述，在冷的探测头最初浸没进熔化钢池的过程中发生放气会产生温度测量误差。

根据上述情况，已可以确定：趋向于使探测头的传感器头部深入熔化钢的穿透能力减小到最小程度的力是那些由在转炉内的气体大气压、渣和液态钢的粘性阻力引起的力和拖着的探测头引线的阻力以及与液态钢密度相比较的探测头的净密度即有效密度，由于在探测头插入熔化钢过程中渣粘在传感器上以及因金属凝固在传感器头部上放出气体而变小。在转炉内的熔化金属的流动也会帮助或阻滞传感器头部深入熔化钢内。如果所有的这些因素产生一个最后的向下力，则传感器头部继续下沉直到传感器引线拉紧或探测头接触到转炉底部为止。如果这些力产生一个最后的向上力，则探测头上升到渣金属交界面或进入渣层内。