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。
本发明由一个坠落式可熔化的浸没式探测头所组成，这种型式的探测头设 计得可经济地提高探测头深入液态钢的穿透能力同时使阻力和浮力减小到最小 的程度。通过传感器头部采用钢以增大探测头有效密度、通过采用一个微型热电 偶元件使内腔减小到最小程度以及用密集的颗粒材料充填在传感器头部内的剩 下空隙来使本发明的探测头的穿透力增大。通过使探测头具有一种有助于探测 头深穿透进熔化金属内的抛射体状的形状使阻滞力进一步减小到最小程度。所 述抛射体状的形状使气体截留以及在探测头浸没过程中作用在探测头上的渣和 溶化金属的阻力减小到最小程度。本发明探测头的渣盖以及钢测量头部较理想 设置一烧蚀的涂层以进一步阻止渣的粘附。探测头的测量头部的圆锥形的形状 还使在对熔化钢较有代表性的温度进行测量时传感元件在该温度区域内的热梯 度(温差)变化减小到最小程度。最后，围绕传感器引线的至少暴露于熔化钢的那 部分设置一热阻外套，以延长引线在探测头浸没熔化钢内时的寿命。
本发明概述
简述之，本发明是一种用于插入熔化金属内的坠落浸没式探测头组成。所述 探测头包括一通常圆柱形的测量头部，所述测量头部具有一根轴线和一朝着所 述轴线向内渐渐变细的第一轴向端。测量头部是用一种组合材料制成，这种组合 材料具有一种大于熔化金属密度的组合密度。一传感器元件从最贴近轴线的测 量头部第一端向外延伸出。采用一个渣盖以复盖所述测量头部第一端和传感器 元件。一引线从测量头部朝外延伸出，该引线具有与传感器元件电连接的一端。 从测量头部向外延伸的引线的一部分被一热阻材料的保护套复盖。在一较佳实 施例中，所述测量头部是用钢制成而渣盖和测量头部两者都复盖一种阻止渣粘 附的烧蚀材料。此外，在所述较佳实施例中，用一种颗粒材料充填测量头部的内 腔并且为支承引线设置一接触测量头部的第二轴向端的支承管。
附图简要说明
当结合附图阅读时就可以更好地理解本发明的上述简述方案及其后面关于 一较佳实施例的详细说明。为了图示说明本发明起见，在这些附图中示出了目前 较理想的一个实施例，然而应理解的是本发明并不局限于这些已被指示的具体 方法和手段。在这些附图中：
图1是本发明的一坠落浸没式探测头的一较佳实施例的立视图；
图2是沿图1的线“2—2”所取的图1的探测头一部分的经放大的剖视图； 和
图3是沿图2的线“3—3”所取的经放大的剖面图。
较佳实施例的说明
现参照附图，在图中相同的标号用以指示相同的元件，在图1中示出本发明 的一坠落浸没式探测头10的一较佳实施例。所述坠落浸没式探测头10具有最 好是可被用于测量在转炉(BOF)中被精炼的熔化钢的一种或一种以上参数的那 种型式。具体地说，本实施例的探测头10是被用于测量在这样一个熔化钢池中 的熔化钢的温度。当然，熟悉本技术的那些人将会认识到，本发明并不仅仅局限 于用于进行测量的探测头，也不局限于用于测量熔化钢乃至在一转炉内的熔化 钢的探测头。因而应该清楚理解的是本发明的一个探测头实际上可以用于在任 何型式的熔化金属冶炼中测量一种除了钢以外的其它熔化金属的其它参数。
在本实施例中，所述坠落浸没式探测头10是由两个主要的组件，即一个测 量头部12和细长的通常圆柱形的引线支承管14组成，所述支承管14的一部分 围绕着测量头部12。如在图2中最清楚地看到那样，测量头部12是一般圆柱形 形状，基本上绕其垂向轴线对称并包括一第一轴向端16，该第一轴向端一般朝 着所述轴线向内渐所变细以使第一轴向端16基本呈圆锥形形状。较理想是，测 量头部12是用具有比供探测头10插入的熔化金属密度大的一种组合净密度的 材料制成。典型地，在转炉(BOF)内冶炼的熔化钢具有大约每立方厘米7.0克的 密度。本实施例的测量头部12也具有大于每立方厘米7.0克的密度。当然将会 认识到，测量头12的密度可以随被测量的具体的熔化钢、所用的特定的冶炼方 法以及熔化金属的其它参数而有所不同。
在本较佳实施例中，测量头部12主要用钢制成，而较理想是致密的钢条坯 而不是铸钢。所述传感器头部(测量头部)12还包括一个通常为圆柱形的孔18， 该孔一般从第一轴向端16向第二轴向端20穿过测量头部12的轴向中心线。在 本实施例中采用了一种传感器元件，即一种通常用在炼钢技术中的具有B型标 定型式的铂合金热电偶，它被包装在一基本呈U形的石英管22内，石英管的两 端被耐熔胶或任何其它合适的耐熔材料固定在一陶瓷套24内。在本实施例中， 陶瓷套24一般是圆柱形的，其尺寸选择得要能滑配在测量头部12的孔18内。 其直径至少略大于陶瓷套24剩下部分直径的一个环形凸缘26紧靠在测量头部 12的第一轴向端16上用于校正石英管22的定位。可以用一种耐熔胶或其它合 适材料将陶瓷套24固定在轴向孔18内。一封底套管形薄金属护罩28起初围绕 并基本封闭U型石英管22。护罩28在将探测头10插入熔化金属池的初始阶段 一直保护着易碎的石英管22和被包裹的热电偶直到护罩在与液态钢接触一段 预定时间后熔化掉为止。
陶瓷套24的相对的轴向端包括一对被电连接至位于U形石英管22内的 热电偶的金属触头30。通常是18AMG的两根导线引线，即两根导线的橡胶绝 缘和套封的电缆32固定在触头30上并通过孔18而从测量头部12的第二轴向 端20穿出。引线在一标准的电接插件36上终止，这种电接插件是用于将传感器 输出端与用于获得并处理由热电偶检得的温度测值的标准或通常的测试设备相 连接，例如经改进的Electro-Nite EN-3型触头组件或一般大家所熟悉的并 可购买到的任何其它型号的电接插件。
引线32的使用寿命在液态钢中约为6秒至8秒。通过使用一种保护套34 可以使使用寿命延长，该保护套是设置在至少引线32暴露于液态钢的那部分 上。保护套34，最好用象橡胶那样的一种合成物制成，它当将探测头10浸没熔 化钢内时提供对引线32暴露部分的热绝缘。保护套34延伸超出测量头部32一 个预定长度，该预定长度至少是被选成探测头10浸没在液态钢内的最大期望深 度。在本较佳实施例中，保护套34延伸超出测量头部12的那部分约为6英尺。 然而，对一种具体应用来说，保护套34可以长些或短些，这取决于将传感器10 浸没在熔化钢内的深度。以这种方式，保护套34便延长了引线32的寿命因而可 延长在液态钢中进行温度测量的持续时间。带有护套34的引线32的寿命可被 延长到约16秒。较理想是，如在图1中最清楚地示出那样，保护套34和被包裹 的引线32是螺旋形地卷绕在引线支承管14上。或另一种方式是，可以将保护套 34和引线32卷绕或弯折到支承管14的内部。一开孔或开口38设置在支承管 14内，以作为保护套34和引线32通往支承管14外表面的通道。较理想是，用 一种可购买到的可张拉的包裹材料40在螺旋形卷绕的引线32的一小部分上伸 展而将引线32的一部分弱联结到支承管14的末端上。这种包裹材料40的强度 足够使引线32在探测头10的制造、装运和操作过程中保持在支承管14上但又 足够弱到当用探测头10以下述方式进行温度测量时可使引线32展开并容易地 与支承管14分开。
设有一分开的长支承件用于在将探测头10插入熔化钢内之前支承探测头 10。在本较佳实施例中，所述支承件是由一根支承钢缆42组成，它具有靠近测量 头部12的第二轴向端20固定的一第一端44。在本实施例中，是用一个可买到 的环止动(dog—eared)的缆夹件46将支承钢缆42的第一端44和引线32固定 在测量头部12的孔内，所述缆夹件46的外径基本与孔18的内径相同。缆夹件 46与靠近测量头部12的第二轴向端20的一个向内延伸的环形肩部48相配 合。一种封装化合物，例如，一种环氧树脂、耐熔密封胶或其它的合适材料(未图 示)可用来将缆夹件46、支承钢缆42的第一端44和引线固定到测量头部12上。 钢支承缆42的第二端50被构成一个基本圆形圈52。该圈52因而可以被系结到 用于在探测头10浸没前将探测头10支承在熔化钢池之上的一个挂钩或其它件 上。较理想是，所述支承钢缆42的长度至少要略大于支承管14的总长度以使支 承缆42的至少一部分延伸超出支承管14的末端。为了有助于在运输过程中探 测头10的操纵，用一条带54或以任何其它合适方式将支承缆42的第二端50 系结到支承管14的末端上。或通过抓住支承管14或支承缆42的圈52就可以 从其装运纸板箱中取走。
一渣罩56复盖着测量头部的第一端16。用厚0.030英寸的钢板制成的所 述渣罩56一般呈截圆锥形，它用来在探测头被浸没进熔化钢内穿过渣层时复盖 因而保护内含有热电偶的U形石英管22。如在图1中最清楚地示出那样，渣罩 56与测量头部12和支承管14组合的形状给予探测头10一个抛射体状的外 观。在本较佳实施例中，渣罩56的外表面是用一种当探测头10穿过渣层时可防 止或延迟渣粘附到渣罩56上的材料层涂复。在本实施例中，虽然是用一种烧蚀 材料构成所述材料层58，但熟悉本技术的人可以认识到还可以替代地采用其它 的材料。如在图2中最清楚地示出那样，所述烧蚀材料层58还涂复测量头部12 的外表面。在本实施例中的烧蚀材料层58是由一种有机化合物组成，这种有机 化合物当与高温的渣相接触时可分解形成一防止或延迟渣粘附到渣罩56上的 气体层。渣罩56，除在探测头与渣碰撞时可保护测量头部12免受损坏外，还可 防止渣粘附到护罩28或内装有热电偶的U形石英管22上。渣罩56在轴向端 上还有一个开孔以有利于渣罩56在液态钢中迅速熔化。
由在陶瓷套24和缆夹件46之间的孔18的一部分形成的内腔以及在测量 头部12内的任何其它空隙(未图示)用一种颗粒材料60充填以增大测量头部 12的有效密度。在本实施例中，所述颗粒材料60是一种非常密集的材料如锆 砂。然而，如需要的话，颗粒材料60可以是一般密集的金属材料，或者是某种其 它形式的颗粒材料。颗粒材料要比一种固体的可铸材料理想，因为使用颗粒材料 可以在将探测头10浸没熔化钢内时减小在传感器零件上的应力并使引线32在 陶瓷套24与缆夹件46之间作有限的移动。
在用探测头10测量在一熔化钢池内的钢的温度时，是用一合适的坠落机构 抓住在支承钢缆42的末端上的圈52并将接插件36插入与位于熔化金属池外 的测试设备相联结的一合适的互补的接插件(未图示)。探测头10通过坠落机构 在一基本垂直的方位上被抬高到在熔化钢池之上的一合适高度上，而测量头部 12和渣罩56向下指向。通常，探测头10被抬高到约在熔化钢之上的50至70英 尺的一个高度。随后通过坠落机构使探测头10释放以向下掉落进入熔化钢中。 在探测头10朝着熔化钢的表面下降时，保护套34和引线被从支承管14上解 开。探测头10的势能和抛射体状的形状与测量头部12的高净密度和在渣罩56 上的烧蚀材料层58组合在一起产生探测头10通过清层并在一合适深度上进入 熔化钢中的适当的穿透能力以进行温度测量。高密度测量头部12和探测头10 的低重心相结合有助于保持当探测头10穿过渣层并进入熔化钢时的垂向稳定 性。渣罩56的圆锥形形状与渣罩56的烧蚀材料层58及测量头部12的外表面 结合在一起有助于探测头10迅速穿过渣层并防止渣聚集在渣罩56或测量头部 12上或使渣聚集减小到最小程度，而所述的渣聚集将会造成阻力以减慢探测头 10的向下运动并会减小探测头10的净密度。一旦所述渣罩56被分解掉，则测 量头部12的第一轴向端16的基本锥体形形状就使截留气体减少到最少的程度 以减小作用于探测头10的浮力并使在含有热电偶的U形石英管22的区域内 的热梯度减小到最小程度从而提供一种熔化钢的更为精确的温度测量。保护套 34保护引线使之在相当一段时间内免受熔化钢的不利影响，使熔化钢的测量精 度提高。
从一个较佳实施例的前述说明中可以看到本发明是由一个用于坠入熔化钢 中测量熔化钢的一种或一种以上参数的坠落浸没式探测头组成。熟悉本技术的 人将可以认识到，在不违背本发明主要的创造性构思的情况下可以对上述实施 例作出一系列改变或改进。然而应该认识到，本发明并不限于已说明的具体实施 例，而是旨在包含在所附权利要求书的范围或精神内的全部实施方式。