用于确定熔融金属熔池的一系列温度值的方法和系统与流程

用于确定熔融金属熔池的一系列温度值的方法和系统
1.本发明涉及一种用于确定熔融金属熔池的一系列至少两个温度值的方法和系统。
2.冶金容器中的熔融金属熔池的温度是在金属制作过程期间的关键参数，其决定了所得产品的品质。用于测量熔融金属熔池(具体是电弧炉(eaf)的熔化环境中的铁或钢的熔融金属熔池)的温度的可能手段涉及将由金属管包围的光纤浸入熔融金属中。由金属管包围的光纤通常也称为光包芯线。
3.为了测量熔融金属熔池的温度，可将光包芯线供给到冶金容器中。将光包芯线的前尖端浸入熔融金属熔池中，从而在其途中首先遇到热气氛，接着是遇到熔渣层，并且然后是遇到熔融金属熔池。一旦光包芯线的一部分被浸入在熔融金属熔池的表面下方，光纤就可将从熔融金属接收到的热辐射传送到检测器，例如高温计。合适仪器可与用于确定熔融金属熔池的温度的检测器相关联。在该测量期间，光包芯线的浸入部分可被熔融金属熔池部分地或完全地消耗。一旦温度测量已经结束，光包芯线的尖端就可从熔融金属熔池缩回。缩回的光包芯线的尖端将变成用于下一个温度测量的新前尖端。
4.因此，这种装置适合于以一系列浸入循环形式的按需且半连续的温度测量。操作员可获得温度测量结果，而不对在冶金容器附近的恶劣环境进行任何直接干预。
5.为了提供准确的测量结果，在获得测量结果时，必须确保在光纤的浸入前尖端附近的黑体条件。必须将纤维浸入到金属熔池表面下方的足够深度并处于容器内代表液态金属熔池的温度的位置处。另一方面，深浸入将增大在光包芯线上的浮选力并增加在测量序列期间光包芯线的消耗。
6.若干现有技术文档公开了用于金属涂覆的光纤的供给方法以提高温度测量结果的数据品质。
7.例如，us2007268477a1公开了一种供给的方法，其中在测量循环期间调整供给速度。在初始供给阶段期间记录热响应并在接着的第二阶段中与检测到的温度的变化比较。该方法已被证明是有益的。另一方面，已经发现，该方法消耗了大量光包芯线，并且已经发现，测量准确度仍可进一步提高。这可能是由于初始阶段，在该初始阶段期间，光包芯线大部分未浸入熔融金属熔池中，而是遇到熔炉的环境、或者熔渣层。尤其是在期望测量一系列温度的情况下，这些因素变得更突出。
8.us2018180484a1公开了一种用于测量熔融金属熔池的温度的方法，该方法适合于多个测量循环而无需附加装备。所提出的供给方案包括两个供给速度，接着是静止时段，在该静止时段之后，进行温度测量。一方面，该方法解决了之前已知的问题中的一些问题。另一方面，该方法未解决在金属制作过程期间不断变化的条件，尤其是熔融金属的升温，这影响了最佳温度测量方案的选择。
9.鉴于现有技术，需要在多个测量循环内提供高准确度并使光包芯线的消耗的测量方法和系统最小化。
10.因此，本发明的目的是提供用于确定熔融金属熔池的一系列至少两个温度值的改进的方法。特别地，其中一个目的是提供一种方法，该方法具有提高的测量的准确度。此外，一个目的是提供一种方法，该方法使在一系列测量期间光包芯线的消耗最小化。
11.本发明的另一个目的是提供一种用于进行本发明方法的改进的系统。
12.这些目的通过独立权利要求中限定的主题实现。
13.本发明提供了一种用于用包括光包芯线和检测器的装置确定熔融金属熔池的一系列至少两个温度值t
mes
(n)和t
mes
(n+1)的方法，该方法包括：
14.(a)提供将熔融金属熔池的预测温度值t
pred
与对应的测量轮廓mp相关的数据集；
15.(b)供应描述熔融金属熔池随时间推移的温度发展的模型f(t)；
16.(c)定义时间步δt；
17.(d)选择未来时间点t(n)并预测在时间点t(n)熔融金属熔池的温度值t
pred
(n)；
18.(e)从将预测温度值t
pred
与对应的测量轮廓mp相关的所提供的数据集选择对应于预测温度值t
pred
(n)的测量轮廓mp(n)；
19.(f)在时间点t(n)处应用测量轮廓mp(n)以获得测量温度值t
mes
(n)；
20.(g)基于所述测量温度值t
mes
(n)、模型f(t)和时间步δt来计算熔融金属熔池的预测温度值t
pred
(n+1)；
21.(h)从将预测温度值t
pred
与对应的测量轮廓mp相关的所提供的数据集选择对应于预测温度值t
pred
(n+1)的测量轮廓mp(n+1)；
22.(i)在时间点t(n+1)处应用测量轮廓mp(n+1)以获得测量温度值t
mes
(n+1)，其中t(n+1)被定义为
23.t(n+1)＝t(n)+δt。
24.此外，本发明提供了一种用于确定熔融金属熔池的一系列至少两个温度值t
mes
(n)和t
mes
(n+1)的系统，其中该系统包括装置和模块，并且该模块被适配成与该装置交互，其中该装置包括光包芯线和检测器，其中该模块包括存储单元、处理单元和控制单元，其中该存储单元包括：
25.(a1)用于提供将熔融金属熔池的预测温度值t
pred
与对应的测量轮廓mp相关的数据集的存储元件；
26.(a2)用于供应描述熔融金属熔池随时间推移的温度发展的模型f(t)的存储元件；
27.(a3)用于限定时间步δt的存储元件；
28.其中所述处理单元包括：
29.(b1)用于选择未来时间点并预测在未来时间点的熔融金属熔池的温度t
pred
的处理元件；
30.(b2)用于从将预测温度值t
pred
与对应的测量轮廓mp相关的提供的数据集选择对应于预测温度t
pred
的测量轮廓mp的处理元件；
31.(b3)用于基于测量温度值t
mes
、模型f(t)和时间步δt来计算熔融金属熔池的预测温度t
pred
的处理元件，
32.并且其中控制单元包括：
33.(c1)用于在某一时间点处应用测量轮廓mp以获得测量温度值t
mes
的控制元件。
34.优选的实施方案在从属权利要求中限定。优选实施方案可单独实现或以任何可能组合实现。
35.根据本发明所述的方法已被证明尤其是适合于多次重复测量，其中该熔融金属熔池的该温度在所述测量之间发生变化。特别地，温度通常因持续加热而上升。惊人地，已经
发现测量的数据品质取决于被应用来获得测量的测量轮廓。尤其是，将光包芯线供给到熔融金属熔池中已被视为影响品质的影响。本发明的方法允许用匹配测量方案确定熔融金属熔池的各种温度的温度值。此外，本发明方法允许光包芯线和其前尖端的可靠定位，这附加地使得能以光包芯线的最小消耗获得准确温度值。如本文所用的术语“消耗”是指光包芯线的崩解，诸如例如光包芯线被熔融金属熔池熔化并溶解到该熔融金属熔池中、整个光包芯线或其不同部分的分解或燃烧等。
36.本发明提供了一种用于确定一系列至少两个温度值t
mes
(n)和t
mes
(n+1)的方法。本文中使用了一系列温度值来描述重复至少一次的确定。一系列温度值至少包括温度值t
mes
(n)和t
mes
(n+1)。除了t
mes
(n)和t
mes
(n+1)之外，还可确定另外的温度值。
37.在整个本技术中，与温度或温度值相关的变量将用大写字母t指称，而与时间点、持续时间或时间相关的变量大体将用小写字母t指称。
38.无指定索引(即，(n)或(n+1)等)的变量大体将用于定义该变量。具有指定索引的变量将用于在具体的上下文中指代该变量。例如，t
mes
是指测量温度值t
mes
的一般定义，而t
mes
(n)是指具体的测量温度值。
39.根据本发明，可通过测量温度来确定温度值。温度测量可以例如是单点或多点测量、以及可能的相关数据处理。
40.测量温度值t
mes
(n)被理解为通过在具体的时间点t(n)的测量获得的温度值。因此，测量温度值t
mes
(n+1)是在具体的时间点t(n+1)获得的温度值。
41.如本文所用，术语“熔融金属熔池”描述容器中的熔体。本领域技术人员已知的“熔融金属熔池”的另选术语是“金属熔体”。熔融金属熔池的熔融金属不受特别限制。根据优选实施方案，熔融金属是熔融钢。术语熔融金属熔池不排除任何固体或气体部分的存在，包括例如相应金属的非熔融部分。熔融金属熔池可覆盖有熔渣层。
42.金属熔体的温度不同并通常取决于金属的组成和熔化过程的阶段。根据优选实施方案，熔融金属熔池的温度在1500℃至1800℃的范围内并更优选是在1500℃至1700℃的范围内。
43.熔融金属熔池可被容纳在包括入口点的容器中，该入口点适于供给光包芯线从中通过。这种进入点可定位在侧壁面板或覆盖容器的顶中。
44.根据本发明，用包括光包芯线的装置确定至少两个温度值t
mes
(n)和t
mes
(n+1)。优选地，该光包芯线是被金属管侧向包围的光纤。优选地，光纤是柔性的、透明的纤维。光纤最常用作在纤维的两个端部之间传输光(尤其是在ir波长范围内的光)的装置。优选地，光纤由玻璃或塑料、更优选是由石英玻璃形成。优选地，光纤选自渐变折射率纤维和单模阶跃折射率纤维。
45.包围光纤的金属管可完全环绕光纤，或者其可至少部分地开放以使得壳体不完全环绕光纤。
46.优选地，包围光纤的金属管的金属是铁或钢、优选是不锈钢。
47.在优选实施方案中，光包芯线的线性密度在25g/m至80g/m的范围内、更优选是在35g/m至70g/m的范围内。线性密度由其每单位长度的质量限定。
48.优选地，光包芯线被至少一个附加金属管侧向包围，即，至少两个金属管侧向包围光纤。优选地，光包芯线居中布置在至少一个附加金属管中。
49.优选地，该至少一个附加金属管不与光包芯线接触。更优选地，在这些至少两个金属管之间的空隙空间至少部分地填充有选自气态或固体材料或它们的组合的材料。固体材料优选地选自无机材料、天然聚合物、合成聚合物和它们的组合。气态材料优选地是气体或气体混合物。更优选地，气体是空气或惰性气体。
50.根据优选实施方案，光包芯线包括布置在至少一个金属管中的多个分隔元件，从而在分隔元件之间形成至少一个隔室。这里，术语“隔室”涉及在管中的不同分隔元件之间的容积。术语“分隔元件”涉及布置在管内部的部件，其细分管内的容积。优选地，分隔元件是盘状元件，其布置在包括开口的管内部，光包芯线延伸穿过该管，并且该管可至少部分地支撑光包芯线。分隔元件的材料优选地选自硅树脂(优选是双组分硅树脂)、橡胶、皮革、软木、金属和它们的组合。
51.光包芯线任选地被至少一个附加层包围。该至少一个附加层可替代或不替代所述至少一个附加金属管。在优选实施方案中，该至少一个附加层包括多个件，更优选地，该层包含纤维。
52.在另外的优选实施方案中，该至少一个附加层的材料具有网、网状物、编织或针织结构的形式。
53.优选地，该至少一个附加层包含非金属材料、最优选是有机材料。
54.应当理解，光包芯线可包括上述配置的任何组合。例如，光包芯线被附加层和第二金属管侧向包围可能是有利的。
55.用于应用根据本发明的方法的装置还包括检测器。检测器耦接到光包芯线的一个端部并接收由光纤传输的光信号、特别是在ir波长范围内的光信号。优选地，检测器在本发明的上下文中是高温计。
56.光包芯线具有浸入端部和相对端部。光包芯线的前尖端是光包芯线的浸入端部的尖端。优选地，当应用根据本发明的方法时，光包芯线在从浸入端部朝向相对端部的方向上被消耗，并且在每个测量序列之后，光包芯线的另一个部分将是浸入端部；即，在每个测量序列之后，新产生前尖端。相对端部连接到检测器并且在测量期间将不会被消耗。
57.在根据本发明的方法的步骤(a)中，提供将熔融金属熔池的预测温度值t
pred
与对应的测量轮廓mp相关的数据集。
58.优选地，数据集包括其中一种类型的数据的一个特定值被指派给另一种类型的数据的特定值的数据对。更优选地，该数据集包括其中一种类型的数据的一个特定值被指派给模型、若干步骤的序列等的数据对。
59.优选地，预测温度值t
pred
是作为并非通过测量获得的温度值；即，该预测温度值是估计的、预期的或计算的温度值。预测温度值t
pred
的可能来源是凭经验导出的温度值。优选地，熔融金属熔池的凭经验导出的温度值基于熔融金属熔池的已知特性结合金属生产过程的已知过程参数。此类特性可以例如是熔融金属熔池中提供的金属的质量、金属的组成或容器的几何形状。过程参数在本上下文中可以是加热速率或消耗能量，它们通常是金属生产过程中的已知参数。此外，可基于计算来导出预测温度值t
pred
。优选地，这种计算基于关于结合已知温度值(例如，来自先前测量)的感兴趣金属熔池的温度的发展的模型。
60.测量轮廓mp应当被理解为进行以获得感兴趣值的步骤序列。在本发明的上下文中，感兴趣值是熔融金属熔池的温度。
61.在优选实施方案中，该测量轮廓mp限定以下步骤中的至少一个步骤：
62.(i)将光包芯线的前尖端提供在熔融金属熔池的表面上方；
63.(ii)在从t0到t2的时间段内以至少一个供给速度v
fed
朝向熔融金属熔池并在熔融金属熔池的表面下方供给光包芯线的前尖端，其中在从t1到t2的时间段期间，光包芯线的前尖端在熔融金属熔池的表面下方；
64.(iii)获得在t1到t2内的测量时间段内的温度信息；
65.(iv)以速度v
ret
将该光包芯线的该前尖端缩回到在该熔融金属熔池上方的位置。
66.换句话说，优选的是，测量轮廓mp至少限定步骤(i)和/或(ii)和/或(iii)和/或(iv)。优选地，测量轮廓mp限定步骤(i)、(ii)、(iii)和(iv)。
67.应当理解，t1和t2晚于t0，并且t2晚于t1。t1是前尖端进入熔融金属熔池的时间点；即，前尖端浸入熔融金属熔池的表面下方的时间点。t2是前尖端朝向在熔融金属熔池的表面上方的位置缩回之后的时间点。
68.优选地，以连续次序进行步骤(i)、(ii)和(iv)。
69.优选地，步骤(iii)至少部分地在步骤(ii)期间进行。
70.本领域技术人员将理解，“提供前尖端”和“供给前尖端”必然包括提供和供给光包芯线，即，提供具有前尖端的光包芯线并移动具有其前尖端的光包芯线。
71.应当理解，供给速度v
fed
是指前尖端在其朝向熔融金属熔池的表面并在该表面下方供给期间的平均速度。
72.熔融金属熔池的表面可以是面向容器的周围环境的表面，或者在存在熔渣层的情况下，可以是面向熔渣层的表面。
73.为了获得温度信息，记录由熔融金属熔池发出并由光包芯线传送到检测器的辐射，尤其是在ir波长范围内的辐射。辐射的强度和/或光谱信息可由连接到检测器的处理单元处理。优选地，在获得温度的时间点或在获得温度的测量时间段期间将光包芯线的前尖端浸入熔融金属熔池的表面下方。
74.优选地，在造成确定测量温度值t
mes
的步骤中获得温度信息。优选地，确定测量温度值t
mes
包括测量单个数据点或测量多于一个数据点；即，测量一系列数据点。
75.优选地，测量温度值t
mes
是一系列数据点的均值。更优选地，基于应用处理一系列数据点的算法来导出测量温度值t
mes
。
76.在优选实施方案中，测量轮廓mp的步骤(ii)中的供给包括至少两个供给速度v
fed
1和v
fed
2。应当理解，供给速度v
fed
1和v
fed
2是指供给光包芯线的前尖端的平均速度。
77.优选地，测量轮廓mp的步骤(ii)中的供给包括在t0到t1期间供给前尖端的供给速度v
fed
1和在t1到t2期间供给前尖端的第二供给速度v
fed
2。
78.在优选实施方案中，第二供给速度v
fed
2包括多于一个供给速度。
79.根据优选实施方案，测量轮廓mp还限定在t1到t2内的静止时间段内的步骤，在该静止时间段期间，暂停光包芯线的前尖端的供给，或者以低速供给该光包芯线的该前尖端。如本文所用的术语“暂停前尖端的供给”是指不主动地移动前尖端。这两种另选方案，即暂停供给或以低速供给，造成前尖端的位置因消耗而朝向熔融金属熔池的表面移动。然而，前尖端仍浸入在熔融金属熔池的表面下方。
80.低速优选地低于0.2m/s，更优选是低于0.1m/s。
81.优选地，将熔融金属熔池的预测温度值t
pred
与对应的测量轮廓mp相关的数据集附加地将测量轮廓与光包芯线的特性相关。
82.优选地，光包芯线的特性是其线性密度。
83.优选地，测量轮廓mp的从t0到t2的时间段的持续时间被限定得越长，光包芯线的线性密度越高。
84.优选地，测量轮廓mp的供给速度v
fed
被限定得越低，光包芯线的线性密度越高。
85.在根据本发明的方法的步骤(b)中，供应描述该熔融金属熔池随时间推移的该温度发展的模型f(t)。
86.描述该熔融金属熔池随时间推移的该温度发展的该模型f(t)是定义时间t与温度t之间的关系的模型；即，该模型被适配成预测在特定时间点t(n)的温度t(n)。在典型的熔化过程中，时间与电能输入直接相关。
87.优选地，时间t作为输入参数被包括在模型f(t)中，但是f(t)也可独立于作为输入参数的时间t。
88.优选地，模型f(t)包括定义熔融金属熔池的时间和温度之间关系的数学方程、特性曲线或其他信息。该模型可含有描述熔融金属熔池的物理性质、冶金设施的特性和对应的模型参数的关系。
89.优选地，模型f(t)中考虑了熔融金属熔池的物理性质。
90.优选地，通过选自数值方法、分析方法、实验方法和它们的组合的方法导出模型f(t)。
91.优选地，描述熔融金属熔池随时间推移的温度发展的模型f(t)基于所记录的测量，即在先前熔融过程中获得的数据。
92.在优选实施方案中，预测温度值t
pred
或测量温度值t
mes
可以是模型f(t)的唯一输入参数。在另外的示例中，可利用另外的输入参数，优选是操作参数。
93.操作参数在本上下文中是与熔化过程相关的参数，例如电能输入或已被加到熔融金属熔池的化学补充物的量。
94.在示例性实施方案中，描述温度发展f(t)的模型是线性函数。
95.优选地，描述温度发展的模型f(t)的一阶导数f'(t)是线性函数。
96.在优选实施方案中，描述该熔融金属熔池随时间推移的该温度发展的该模型f(t)通过包括以下步骤的方法导出：
97.(i)提供数据集，该数据集将熔融金属熔池的特性与关于熔融金属熔池随时间推移的温度发展的模型f(t)的记录数据相关；
98.(ii)提供熔融金属熔池的特性；
99.(iii)从将熔融金属熔池的特性与关于熔融金属熔池随时间推移的温度发展的模型f(t)的记录数据相关的所提供的数据集接收对应于熔融金属熔池的特性的模型f(t)。
100.在根据本发明的方法的步骤(c)中，限定时间步δt。
101.时间步δt应当被理解为持续时间。
102.时间步δt的持续时间不被进一步限制。优选地，时间步δt的持续时间在5s至3min的范围内，更优选是在15s至2min的范围内，最优选是在30s至90s的范围内。
103.优选地，对时间步δt的持续时间的选择基于操作参数。
104.在优选实施方案中，时间步δt的持续时间通过包括以下步骤的方法导出：
105.(i)提供将操作参数与时间步δt的持续时间相关的数据集；
106.(ii)提供操作参数；
107.(iii)从将操作参数与对应于该操作参数的时间步δt的持续时间相关的所提供的数据集接收该时间步δt的持续时间。
108.优选地，对时间步δt的持续时间的选择基于步骤(f)中确定的测量温度值t
mes
(n)。
109.在优选实施方案中，时间步δt由包括以下步骤的方法导出：
110.(i)提供将测量温度值t
mes
与时间步δt的持续时间相关的数据集；
111.(ii)从将测量温度值t
mes
与对应于该测量温度值t
mes
的时间步δt的持续时间相关的所提供的数据集选择时间步δt的持续时间。
112.优选地，对于这两个先前所述的实施方案，步骤(c)在步骤(f)之后进行。
113.在根据本发明的方法的步骤(d)中，选择未来时间点t(n)并预测在该时间点t(n)的该熔融金属熔池的温度值t
pred
(n)。
114.术语“预测”在本文中是用于指对在未来时间点t(n)的未来温度值t
pred
(n)的预测。即，预测温度值t
pred
(n)是在该未来时间点t(n)的预期温度。
115.对未来时间点t(n)的选择不被进一步限制。优选地，该未来时间点与金属熔化过程的过程中的特定点相关，例如在该过程开始后的特定时间段之后，在已经添加一定量的化学补充物之后或在已经消耗一定量的能量之后。“能量消耗”在本上下文中是指在熔化过程期间消耗的能量的量；即，已被供应到熔融金属熔池的能量的量。
116.在优选实施方案中，提供将时间点与预测温度值t
pred
相关的数据集，在步骤(d)中，从该数据集选择该预测温度值t
pred
(n)。最优选地，该数据集中的预测温度值t
pred
表示凭经验导出的温度值；优选是先前熔化过程的记录温度值。
117.在根据本发明的方法的步骤(e)中，从将预测温度值t
pred
与对应的测量轮廓mp相关的所提供的数据集选择对应于预测温度值t
pred
(n)的测量轮廓mp(n)。
118.根据优选实施方案，选择温度轮廓mp(n)附加地与光包芯线的特性相关。
119.在根据本发明的方法的步骤(f)中，在时间点t(n)处应用测量轮廓mp(n)以获得测量温度值t
mes
(n)。
120.测量轮廓mp(n)的应用造成确定在时间点t(n)处熔融金属熔池的测量温度值t
mes
(n)。
121.测量温度值t
mes
(n)可高于或低于预测温度t
pred
(n)。
122.由于测量温度值t
mes
(n)可不同于预测温度t
pred
(n)，因此描述熔融金属熔池随时间推移的温度发展的模型f(t)中的相关时间点可不同。换句话说，获得温度值t
mes
(n)的时间点t(n)不一定对应于模型f(t)中的预测温度t
pred
(n)的时间点。
123.在根据本发明的方法的步骤(g)中，基于测量温度值t
mes
(n)、模型f(t)和时间步δt来计算熔融金属熔池的预测温度值t
pred
(n+1)。
124.换句话说，步骤(g)在在时间点t(n)处测量温度测量值t
mes
(n)之后的持续时间δt之后产生预测温度值t
pred
(n+1)。预测基于模型f(t)，其中测量温度值t
mes
(n)和时间步δt作为输入参数。此外，测量温度值t
mes
(n)还与时间点t(n)直接相关。
125.在根据本发明的方法的步骤(h)中，从将预测温度值t
pred
与对应的测量轮廓mp相关的所提供的数据集选择对应于预测温度值t
pred
(n+1)的测量轮廓mp(n+1)。
126.根据优选实施方案，选择温度轮廓mp(n+1)附加地与光包芯线的特性相关。
127.在根据本发明的方法的步骤(i)中，在时间点t(n+1)处应用测量轮廓mp(n+1)以获得测量温度值t
mes
(n+1)，其中t(n+1)被定义为
128.t(n+1)＝t(n)+δt。
129.测量轮廓mp(n+1)的应用造成确定在时间点t(n+1)处熔融金属熔池的测量温度值t
mes
(n+1)。
130.在优选实施方案中，测量轮廓mp(n+1)的供给速度v
fed
(n+1)高于测量轮廓mp(n)的供给速度v
fed
(n)。
131.优选地，在限定至少两个供给速度v
fed
1和v
fed
2的测量轮廓mp适用于测量轮廓mp(n)和测量轮廓mp(n+1)的情况下，测量轮廓mp(n+1)的供给速度v
fed
2(n+1)高于测量轮廓mp(n)的供给速度v
fed
2(n)。
132.优选地，测量轮廓mp(n+1)的从t1至t2的时间段的持续时间比测量轮廓mp(n)的更短。
133.优选地，以连续次序进行步骤(d)至(i)。
134.优选地，步骤(a)在步骤(d)至(i)之前进行，最优选是在步骤(e)至(i)之前进行。
135.更优选地，以下列次序中的一个次序进行方法：
136.(a)-(b)-(c)-(d)-(e)-(f)-(g)-(h)-(i)，
137.(b)-(a)-(c)-(d)-(e)-(f)-(g)-(h)-(i)，
138.(b)-(c)-(a)-(d)-(e)-(f)-(g)-(h)-(i)，或者
139.(b)-(c)-(d)-(a)-(e)-(f)-(g)-(h)-(i)，
140.根据另外的优选实施方案，步骤(b)在步骤(f)之后进行。
141.更优选地，以下列次序中的一个次序进行方法：
142.(a)-(c)-(d)-(e)-(f)-(b)-(g)-(h)-(i)，或者
143.(c)-(a)-(d)-(e)-(f)-(b)-(g)-(h)-(i)。
144.根据另外的优选实施方案，供应描述该熔融金属熔池随时间推移的该温度发展的该模型f(t)包括步骤(b1)至(b4)：
145.(b1)限定预测温度t
pred
与测量温度值t
mes
之间的最大温差δt
max
；
146.(b2)限定最大温度步长δt
step
；
147.(b3)将测量温度值t
mes
(n)与预测温度t
pred
(n)之间的差值δt(n)与最大差值δt
max
进行比较；
148.(b4)提供模型f(t)，其中如果δt(n)高于所限定的最大温差δt
max
，则
149.f(t)＝t
pred
(n)+δt
step
。
150.根据优选实施方案，如果δt(n)低于所限定的最大温差δt
max
，则不进一步限制供应f(t)。
151.优选地，包括步骤(b1)至(b4)的步骤(b)在步骤(f)之后进行。
152.根据优选实施方案，以下列次序中的一个次序进行方法：
153.(a)-(c)-(d)-(e)-(f)-[(b)-{(b1)-(b2)-(b3)-b4)}]-(g)-(h)-(i)，或者
[0154]
(c)-(a)-(d)-(e)-(f)-[(b)-{(b1)-(b2)-(b3)-b4)}]-(g)-(h)-(i)。
[0155]
应用根据包括步骤(b1)至(b4)的优选实施方案的本发明方法优选地允许基于最大温度步长δt
step
来预测温度值。
[0156]
优选地，温度步长δt
step
是预定温差。
[0157]
本发明方法的该实施方案允许避免应用最不可能与熔融金属熔池的实际温度匹配的测量轮廓。换句话说，该实施方案允许适应在第一测量步骤中获得的测量温度值，该测量温度值最不可能表示所获得的实际温度。
[0158]
优选地，根据本发明的方法进行多于一次。
[0159]
本发明还提供了一种用于确定熔融金属熔池的一系列至少两个温度值t
mes
(n)和t
mes
(n+1)的系统，该系统包括装置和模块，其中该模块被适配成与该装置交互。
[0160]
优选地，该系统被配置为进行根据本发明的方法，其中该方法包括以下步骤：
[0161]
(a)提供将熔融金属熔池的预测温度值t
pred
与对应的测量轮廓mp相关的数据集；
[0162]
(b)供应描述熔融金属熔池随时间推移的温度发展的模型f(t)；
[0163]
(c)定义时间步δt；
[0164]
(d)选择未来时间点t(n)并预测在时间点t(n)熔融金属熔池的温度值t
pred
(n)；
[0165]
(e)从将预测温度值t
pred
与对应的测量轮廓mp相关的所提供的数据集选择对应于预测温度值t
pred
(n)的测量轮廓mp(n)；
[0166]
(f)在时间点t(n)处应用测量轮廓mp(n)以获得测量温度值t
mes
(n)；
[0167]
(g)基于测量温度值t
mes
(n)、模型f(t)和时间步δt来计算熔融金属熔池的预测温度值t
pred
(n+1)；
[0168]
(h)从将预测温度值t
pred
与对应的测量轮廓mp相关的所提供的数据集选择对应于预测温度值t
pred
(n+1)的测量轮廓mp(n+1)；
[0169]
(i)在时间点t(n+1)处应用测量轮廓mp(n+1)以获得测量温度值t
mes
(n+1)，其中t(n+1)被定义为
[0170]
t(n+1)＝t(n)+δt。
[0171]
对于与本发明方法相关的优选实施方案，参考以上给出的优选实施方案。
[0172]
根据本发明的系统包括装置，其中该装置包括光包芯线和检测器。对于与光包芯线和检测器相关的优选实施方案，参考以上针对本发明方法给出的优选实施方案。
[0173]
根据本发明的系统包括模块，其中该模块包括存储单元、处理单元和控制单元。
[0174]
优选地，存储单元、处理单元和控制单元被配置为彼此交互。
[0175]
根据本发明，该模块的存储单元包括：
[0176]
(a1)用于提供将熔融金属熔池的预测温度值t
pred
与对应的测量轮廓mp相关的数据集的存储元件，
[0177]
(a2)用于供应描述该熔融金属熔池随时间推移的温度发展的模型f(t)的存储元件；以及
[0178]
(a3)用于限定时间步δt的存储元件。
[0179]
根据本发明，该模块的处理单元包括：
[0180]
(b1)用于选择未来时间点并预测在该未来时间点的该熔融金属熔池的温度t
pred
的处理元件，
[0181]
(b2)用于从将预测温度值t
pred
与对应的测量轮廓mp相关的提供的数据集选择对应于预测温度t
pred
的测量轮廓mp的处理元件，以及
[0182]
(b3)用于基于测量温度值t
mes
、模型f(t)和时间步δt来计算该熔融金属熔池的预测温度t
pred
的处理元件。
[0183]
在优选实施方案中，该处理单元被配置为处理存储在存储单元中的信息。
[0184]
根据本发明，该模块的控制单元包括：
[0185]
(c1)用于在某一时间点处应用测量轮廓mp以获得测量温度值t
mes
的控制元件。
[0186]
在优选实施方案中，该控制单元被配置为控制装置。
[0187]
在优选实施方案中，该系统可包括供给装置。在本发明的上下文中，供给装置可被理解为允许将光包芯线供给到熔融金属熔池中的装置。这种装置可选自供给器、供给控件、矫直机和引导管。
[0188]
根据优选实施方案，该系统还可包括线圈，该线圈适应该光包芯线的长度。
[0189]
随后应相对于附图所示的实施方案更详细地描述本发明的基本思想。
[0190]
然而，应当理解，本发明不限于所示的精确布置和工具。在本文中：
[0191]
图1示出了光包芯线的不同设计的示意性横截面图。
[0192]
图2示出了具有熔融金属熔池的示例性设施的示意图，该熔融金属熔池的温度应被确定。
[0193]
图3示出了位置-时间曲线图，其指示在应用代表性测量轮廓期间光包芯线的前尖端的浸入。
[0194]
图4示出了位置-时间曲线图，其指示在应用另一个代表性测量轮廓期间光包芯线的前尖端的浸入。
[0195]
图5示出了例示最佳供给速度和所测量的熔池温度的关系的曲线图。
[0196]
图6示出了例示最佳浸入时间和所测量的熔池温度的关系的曲线图。
[0197]
图7示出了示例性eaf过程的熔融金属熔池随时间推移的预期温度发展。
[0198]
图8示出了根据本发明的实施方案的系统的示意图。
[0199]
图9示出了根据本发明的实施方案的模块的示意图。
[0200]
图1示出了根据本发明的示例性实施方案的光包芯线的不同设计的示意性横截面图。图1a示出了光包芯线1'，其包括被金属管3'包围的光纤2'。
[0201]
图1b示出了光包芯线1”，其包括被金属管3”包围的光纤2”。第二金属管4”另外包围金属管3”。在两个金属管5”之间的空隙空间未填充固体材料；即，空隙空间可包括气体或气体混合物。
[0202]
图1c示出了光包芯线1”'，其包括被金属管3”'和第二金属管4”'包围的光纤2”'。在两个金属管5”'之间的空隙空间填充有填充材料，例如来自有机材料或无碱玻璃的纤维。
[0203]
图2示出了具有熔融金属熔池7的示例性设施6的示意图，该熔融金属熔池的温度应被确定。
[0204]
设施6包括光包芯线1，该光包芯线至少部分地位于线圈8上并至少部分地从线圈8展开来进行测量。光包芯线9的一个端部连接到检测器10，该检测器继而可连接到计算机系统(未示出)以处理用光包芯线1和检测器10获得的数据。熔融金属熔池7被容纳在容器11中，该容器可以是电弧炉(eaf)、钢包金属炉(lmf)或熔融金属处理领域技术人员已知的任
何转化器。光包芯线1借助供给器12通过引导管13被引导到具有入口点14的容器11中。所示的配置用作示例，具有相应的入口点的顶不是本发明的先决条件。
[0205]
所示的配置示出了光包芯线1的示例性测量位置，其中前尖端15浸入在熔融金属熔池mbs的表面下方。在所呈现的实施方案中，光包芯线1相对于熔融金属熔池mbs的表面的浸入角为90
°
。然而，该角度可根据冶金设施的构造细节变化。
[0206]
光包芯线1的从线圈8延伸到容器14的入口点的部分的温度可被认为是低的，该温度可以是在从室温直至100℃的范围内的温度。一旦在熔融金属熔池7的方向上经过入口点14，首先遇到高达1700℃或甚至更高的热气氛，之后是熔渣层17，继而之后是熔融金属熔池7。通向容器的入口点14可被配备有吹气喷枪18以防止金属和熔渣渗透到引导管13中。
[0207]
每个冶金容器的熔融金属熔池7的最佳液位可根据该冶金容器的设计和操作模式而大概已知。
[0208]
为了获得温度测量，用光包芯线1在浸入端部15处的前尖端将该光包芯线朝向熔融金属熔池7供给到所需浸入深度。为了获得可靠温度测量结果，可能期望在熔融金属熔池中的或多或少的固定浸入深度处进行测量。合适的供给系统12将准确地控制光包芯线1的供给速度。
[0209]
在测量序列之后，将熔融并因此消耗光包芯线的浸入熔融金属熔池19中的部分。该部分的长度用lc指示。在进行测量之后，光包芯线20的位于热气氛中并延伸通过熔渣层的部分可被供给回到线圈8的方向中并可被重新用于下一次测量。
[0210]
图3示出了位置-时间曲线图，其指示在应用代表性测量轮廓期间光包芯线的前尖端的浸入。x轴示出时间，而y轴指示前尖端的位置。熔融金属熔池的表面mbs的位置被指示用于取向。在测量开始之前；即，在t0之前，前尖端定位在起始点处。这可在冶金容器内部并接近入口点；即，接近光包芯线进入容器的点。在从t0到t2的持续时间内以供给速度朝向熔融金属熔池供给光包芯线并将该光包芯线供给到该熔融金属熔池中。该持续时间通常在数秒范围内。光包芯线的前尖端在时间点t1进入熔融金属熔池，即，t1是前尖端浸入熔融金属熔池的表面下方的时间点。在所示的曲线图中，应用单个供给速度，但是供给可包括具有不同的供给速度的几个阶段。在进行测量期间甚至可包括无供给的阶段；即，静止阶段，如图4所示的曲线图所指示，其表示另一个优选实施方案。在t1到t2期间的测量时间段期间获得温度测量。前尖端必须被浸入熔融金属熔池的表面下方以获得可靠测量。在供给的更早阶段中获得的温度值通常可能不表示熔融金属熔池的本体温度。在t2之后，将光包芯线从熔融金属熔池缩回到在表面上方的位置。理想地，光包芯线的浸入熔融金属熔池的表面lc下方的部分被消耗直到t2。
[0211]
光包芯线的浸入部分被完全消耗到熔融金属熔池的表面的所需时间取决于熔融金属的温度和光包芯线的特性。光包芯线的影响其熔化或消耗行为的所述特性包括其设计和其制造材料。例如，具有更高壁厚度的金属管将比具有更薄壁厚度的相同材料的金属管更慢地熔化。由于预期熔融金属熔池的温度越高，光包芯线的消耗越快，因此熔融金属熔池的温度越高，测量轮廓的持续时间就会越短。出于给定原因，根据所测量的温度调整供给方案的参数是有利的。
[0212]
光包芯线的熔化和脱玻化行为取决于来自环境的热传递量，该热传递量与供给前尖端的速度直接相关。尤其是在已经进行先前测量的情况下，浸入端部的包括前尖端的部
分可能已被损坏。在先前测量序列期间在热需求区中的驻留时间越长，可观察到的损坏越多。应用根据本发明的方法将使这种损害最小化。
[0213]
已经观察到，在应用测量轮廓期间被应用以获得温度值的不同参数提供不同的测量品质。测量轮廓的测量品质是指与通过使用固定安装的标准热电偶获得的测量值相比不同的测量准确度。本发明的基本思想是使具体的测量轮廓适应于预期测量的温度。图5示出了例示在测量序列期间应用的最佳供给速度(即，测量轮廓的应用)与所获得的温度的关系的曲线图。该相关性可与已知取决于熔融金属熔池的温度的光包芯线的熔化和分解行为相关。优选地，前尖端的平均供给速度被选择为越快，预期测量的温度越高。
[0214]
图6是例示在测量序列中光包芯线的前尖端的浸入的最佳持续时间(即，图3和图4中的t1与t2之间的持续时间)与所获得的温度的关系的曲线图。熔池温度越高浸入持续时间越短这种可认识到的相关性指出，熔融金属熔池的预期温度越高，光包芯线浸入熔融金属部件中的时间应当优选地被选择为越短。
[0215]
图7示出了示例性eaf过程的熔融金属熔池随时间推移的预期温度发展，其示出了温度的恒定增加。该发展表示熔融金属熔池的温度发展的示例性模型。此外，图7指示了温度预测步骤所基于的参数和变量的关系。根据本发明的实施方案，在时间点t(n)处进行测量，从而得到该时间点的测量温度值t
mes
(n)。所应用的测量轮廓是先前基于在该时间点预期的温度t
pred
(n)选择的。由于温度t
pred
(n)是预测温度，因此该温度可不同于测量温度值t
mes
(n)。应当尤其强调的是，与预测温度值t
pred
(n)相关的时间点不一定对应于与描述熔融金属熔池的预期温度发展的模型中的测量温度值t
mes
(n)相关的时间点t(n)。在确定第一测量温度值t
mes
(n)之后，第二温度测量t(n+1)的时间点被限定为在t(n)之后的预定持续时间δt之后。该时间点t
pred
(n+1)预期的温度值被要求作为选择用于该第二测量的最合适的测量轮廓的基础。该温度值是基于在t(n)与t(n+1)之间的持续时间δt期间熔融金属熔池的预期温度发展预测的。
[0216]
图8示出了根据本发明的实施方案的系统30的示意图。系统30被配置为进行根据本发明的方法。特别地，该系统被配置为提供将预测温度与实现相应的预测温度的最佳测量品质的测量轮廓相关的数据集。系统30被进一步配置为预测这种温度。此外，系统30被配置为限定时间步。另外，系统30被配置为基于描述熔融金属熔池随时间推移的温度发展的模型来计算温度。这种计算出的温度也应当被理解为预测温度。系统30还被配置为供应模型。另外，系统30被配置为从所提供的数据集选择测量轮廓。所选择的测量轮廓基于预测温度或基于模型计算的温度。此外，系统30被配置为应用该测量轮廓。
[0217]
该系统包括装置40，其中该装置40包括光包芯线和检测器。此外，该系统包括模块50。装置40和模块50适于彼此交互；即，该模块被配置为用装置40进行根据本发明的方法，从而得到熔融金属熔池的温度值的测量。
[0218]
图9更详细地示出了模块50的示意图。模块50包括存储单元50、处理单元70和控制单元80。
[0219]
在下文中，将给出根据本发明方法的示例性条件。
实施例：
[0220]
将包括光包芯线的装置安装在根据图2的代表性电弧炉(eaf)设施中。光包芯线包
括具有50μm的芯径的渐变折射率纤维和具有1.3mm的外径的不锈钢管。将具有金属管的纤维嵌入具有6mm的外径和0.3mm的壁厚度的不锈钢管中。
[0221]
向eaf中装载废料并发起熔化过程。对于60mw的典型的电输入功率，基于先前测量，预期如图7所示的温度发展。
[0222]
基于冶金设施的历史数据和eaf的所消耗的累积功率，在第一次测量的时间点，预期温度是1540℃。选择预期温度为1540℃的测量轮廓，从而限定平均供给速度为0.4m/s且该测量轮廓的持续时间为1.0s。所获得的温度值是1560℃，即，熔融金属熔池的实际温度的测量产生比所预测的更高的温度值。对于具体的冶金设施，在该温度范围内，预期15℃/min的温增。在第一次测量之后2min安排下一次测量；即，预期温度是1590℃。预期温度为1590℃的测量轮廓限定最佳平均供给速度为0.5m/s且该轮廓的持续时间为0.75s。在应用第二测量轮廓之后，在第一次测量之后1min内的点处获得1600℃的测量温度值。
[0223]
在第二次测量之后1min安排第三次测量。根据预期温度发展，预期测量的温度是1620℃，并且相应的测量轮廓限定最佳平均供给速度为0.8m/s且该轮廓的持续时间为0.54s。所获得的测量温度是1625℃。
[0224]
附图标号的列表
[0225]
1、1'、1”、1”'光包芯线
[0226]
2'、2”、2”'光纤
[0227]
3'、3”、3”'金属管
[0228]
4”、4”'第二金属管
[0229]
5”、5”'在金属管之间的空隙空间
[0230]
6设施
[0231]
7熔融金属熔池
[0232]
8线圈
[0233]
9相对端部(包芯线的连接到检测器的端部)
[0234]
10检测器
[0235]
11容器；冶金容器
[0236]
12供给器
[0237]
13导管
[0238]
14入口点
[0239]
15光包芯线的前尖端
[0240]
mbs熔融金属熔池的表面
[0241]
17熔渣层
[0242]
18吹气喷枪
[0243]
19浸入熔融金属熔池中的包芯线的部分
[0244]
lc浸入熔融金属熔池中的光包芯线的长度
[0245]
20经受热气氛和熔渣的包芯线的部分
[0246]
30系统
[0247]
40设备
[0248]
50模块
[0249]
60存储单元
[0250]
70处理单元
[0251]
80控制单元

技术特征：
1.一种用于用包括光包芯线和检测器的装置确定熔融金属熔池的一系列至少两个温度值t
mes
(n)和t
mes
(n+1)的方法，所述方法包括：(a)提供将熔融金属熔池的预测温度值t
pred
与对应的测量轮廓mp相关的数据集；(b)供应描述所述熔融金属熔池随时间推移的温度发展的模型f(t)；(c)定义时间步δt；(d)选择未来时间点t(n)并预测在所述时间点t(n)所述熔融金属熔池的温度值t
pred
(n)；(e)从将预测温度值t
pred
与对应的测量轮廓mp相关的所提供的数据集选择对应于所述预测温度值t
pred
(n)的测量轮廓mp(n)；(f)在所述时间点t(n)处应用所述测量轮廓mp(n)以获得测量温度值t
mes
(n)；(g)基于所述测量温度值t
mes
(n)、所述模型f(t)和所述时间步δt来计算所述熔融金属熔池的预测温度值t
pred
(n+1)；(h)从将预测温度值t
pred
与对应的测量轮廓mp相关的所提供的数据集选择对应于所述预测温度值t
pred
(n+1)的测量轮廓mp(n+1)；(i)在时间点t(n+1)处应用所述测量轮廓mp(n+1)以获得测量温度值t
mes
(n+1)，其中t(n+1)被定义为t(n+1)＝t(n)+δt。2.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述熔融金属是熔融钢。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中描述所述熔融金属熔池随时间推移的所述温度发展的所述模型f(t)是线性函数。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中描述所述温度发展的所述模型f(t)基于先前测量。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中描述所述熔融金属熔池随时间推移的所述温度发展的所述模型f(t)基于操作参数。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中描述所述熔融金属熔池随时间推移的所述温度发展的所述模型f(t)通过包括以下步骤的方法导出：(i)提供数据集，所述数据集将熔融金属熔池的特性与关于熔融金属熔池随时间推移的所述温度发展的模型f(t)的记录数据相关；(ii)提供所述熔融金属熔池的特性；(iii)从将熔融金属熔池的特性与关于熔融金属熔池随时间推移的所述温度发展的模型f(t)的记录数据相关的所提供的数据集接收对应于所述熔融金属熔池的所述特性的模型f(t)。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述时间步δt的持续时间由包括以下步骤的方法导出：(i)提供将操作参数与时间步δt的持续时间相关的数据集；(ii)提供操作参数；(iii)从与所述操作参数相关的所提供的数据集接收所述时间步δt的持续时间。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中对所述时间步δt的所述持续时间的选择基于步骤(f)的所述测量温度值t
mes
(n)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述测量轮廓mp限定以下步骤中的至少一个步骤：(i)提供所述光包芯线，其中所述光包芯线的前尖端在所述熔融金属熔池的表面上方；(ii)在从t0到t2的时间段内以至少一个供给速度v
fed
朝向所述熔融金属熔池并在所述熔融金属熔池的所述表面下方供给所述光包芯线的所述前尖端，其中在从t1到t2的时间段期间，所述光包芯线的所述前尖端在所述熔融金属熔池的所述表面下方；(iii)获得在t1到t2内的测量时间段内的温度信息；(iv)以速度v
ret
使所述光包芯线缩回到在所述熔融金属熔池上方的位置。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述测量轮廓mp还限定在t1到t2内的静止时间段内的步骤，在所述静止时间段期间，暂停所述光包芯线的所述前尖端的所述供给，或者以低速供给所述光包芯线的所述前尖端。11.根据权利要求9或10所述的方法，其中测量轮廓mp的步骤(ii)中的所述供给包括至少两个供给速度v
fed
1和v
fed
2。12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中测量轮廓mp(n+1)的供给速度v
fed
(n+1)高于测量轮廓mp(n)的供给速度v
fed
(n)。13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中测量轮廓mp(n+1)的从t1到t2的所述时间段的持续时间比测量轮廓mp(n)的更短。14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤(b)中供应描述所述熔融金属熔池随时间推移的所述温度发展的所述模型f(t)包括步骤(b1)至(b4)：(b1)限定预测温度t
pred
与测量温度值t
mes
之间的最大温差δt
max
；(b2)限定最大温度步长δt
step
；(b3)将所述测量温度值t
mes
(n)与所述预测温度t
pred
(n)之间的差值δt(n)与所述最大差值δt
max
进行比较；(b4)提供模型f(t)，其中如果δt(n)高于所限定的最大温差δt
max
，则f(t)＝t
pred
(n)+δt
step
。15.一种用于确定熔融金属熔池的一系列至少两个温度值t
mes
(n)和t
mes
(n+1)的系统，所述系统包括装置和模块，并且所述模块被适配成与所述装置交互，其中所述装置包括光包芯线和检测器，其中所述模块包括存储单元、处理单元和控制单元，其中所述存储单元包括：(a1)用于提供将熔融金属熔池的预测温度值t
pred
与对应的测量轮廓mp相关的数据集的存储元件；(a2)用于供应描述所述熔融金属熔池随时间推移的温度发展的模型f(t)的存储元件；(a3)用于限定时间步δt的存储元件；其中所述处理单元包括：(b1)用于选择未来时间点并预测在所述未来时间点的所述熔融金属熔池的温度t
pred
的处理元件；(b2)用于从将预测温度值t
pred
与对应的测量轮廓mp相关的提供的数据集选择对应于预测温度t
pred
的测量轮廓mp的处理元件；(b3)用于基于测量温度值t
mes
、模型f(t)和时间步δt来计算所述熔融金属熔池的预测温度t
pred
的处理元件，
并且其中所述控制单元包括：(c1)用于在某一时间点处应用测量轮廓mp以获得测量温度值t
mes
的控制元件。

技术总结
本发明涉及一种用于用包括光包芯线和检测器的装置确定熔融金属熔池的一系列至少两个温度值的方法和系统。根据本发明所述的方法已被证明尤其是适合于多次重复测量，其中熔融金属熔池的该温度在所述测量之间发生变化。金属熔池的该温度在所述测量之间发生变化。金属熔池的该温度在所述测量之间发生变化。


技术研发人员：M
受保护的技术使用者：贺利氏电测骑士国际股份公司
技术研发日：2021.12.01
技术公布日：2023/8/9