专利名称：基于陶瓷泥料的部件的制作方法
基于陶乾泥料的部件
本发明涉及一种基于陶瓷泥料(keramischen Masse)的部件，该部 件在高温下，尤其是在超过800。C的温度下非常稳定(也就是说，该部 件在该温度下可完成其与应用相关的任务)。部件可以是未经烧焙的。 用于实现耐热性(直到耐火性)的化学/陶瓷反应随后直到(例如)部件被 使用时才发生。就此而言，本发明同样包括带有超过900。 C，> 1,000° C的耐热性的部件，但是同样包括带有> 1,100。 C, > 1,200。 C, > 1,300。 C的耐热性的部件，且最终包括用于超过1400。C的高温应用的 产品。部件同样可为经过回火(getempert)或烧焙的。最后所提及的组 包括具有在以上给出的范围中的耐热性(耐火性)的部件。
部件可包括单块的胚料；然而，其尤其为成形的(geformtes)部件。 所提及类型的成形的耐火部件的实例为
-任意形状和尺寸的砖(brick),例如用于工业炉的耐火衬里，例如 钢水包(Pfanne)的、中间包(Tundish)的、玻璃槽的、转炉的、水泥回转 窑的、井式炉的、垃圾焚烧设备的或类似者的耐火衬里，
-板，包括用于闸门闭锁机构(Schieberverschluesse)的闸板 (Schieberplatten)，如用于调节/控制冶金熔化罐(Schmelzgefaessen)处熔 融金属(Metallschmelze)的流出的闸;j反，
-锥体和截顶锥体，包括例如在将气体(主要是惰性气体)供应至熔
融金属时所用的气体吹扫锥体(气体吹扫砖)。其它几何形状的气体吹 扫砖同样属于这一组。
-其它的形状(Formen)，例如沟道，熔融金属沿着该沟道被引导， 用于调节来自冶金熔化罐的熔液的流出量的塞子，套筒、多孔砖(井式 喷嘴、座砖)(Lochsteine(well nozzle,well block))及多种不同形状。
4所提到的部件可由不同的材料制成，例如由基于MgO的基本充
填料(basischen Versatz)或基于A1203， Ti02, Zr02和/或Si02.的非基本 充填料制成。本发明应用于所有的材料系统。部件可4皮铸造、冲压、 压制或以其它方式^皮处理(verarbeiten)。其结合系统(Bindungssystem) 不受任何限制。相应地,本发明包括(例如)C-结合的(C-gebundene)、陶 覺或液压结合的部件。
所有部件均受到磨损。出于生产工艺技术的原因和出于经济方面
的原因，存在有优化部件的耐用性(使用寿命)的需求。然而，这通常 无法实现，因为没有关于部件的状态(磨损程度)的信息。在使用期间 尤其是如此，因为较高的使用温度使相应的检查变得困难或使其变得 不可能。
在文件WO03/080274 A 1中提出了用于操作闸门闭锁机构的方 法，在该方法中，在耐火闸板附近确定并评价以下参数中的一个或多 个闸门闭锁机构系统的尺寸、闸门闭锁机构区域内的温度、作用到 闸板上的缸体和弹簧的压力。所有这些均是间接量，其无法实现关于 部件的磨损程度的可靠的判定。
本发明的任务在于在使用之前、使用期间及使用之后实现关于部 件的状态或使用时间(Einsatzzeit)的判定和实现部件的识另'J (Identifizierung)。
本发明以如下认知为基础在该实际上的部件周围进行的各种特 性参数(Kenngroessen)的探测(Erfassung)——就如现有技术中的那 样——是无法实现目标的。那么，闸门闭锁板通常组装(konfektionieren) 在由金属制成的机构中。气体吹扫砖通常布置在多孔砖中，或者，排 出口(喷嘴)被耐火砖或耐火泥料包围。该部件通常与热熔液或炉料 (Brenngut)接触。确切地讲，必须对部件本身进行;险查。直接的光学鉴 定方法(Erkennungsverfahren)被排除在外。这对于测量及监控设施的直 接的(实体的)联结而言同样适用。本发明采用完全不同的方式。本发明提出将一个或多个(例如1、
2、 3、 4或更多个)传感器集成到该部件中，以便在部件的使用期间(同 样)可探测以下信息中的至少一个并将其传输给数据处理设备
-用于识别部件的信息。这种信息包括(例如)以下数据产品类 型、材料级另'J(Werkstoffsorten)、厂家说明、制造日期、供货日 期及使用日期等。 -关于部件的物理特性的数据。这些数据包括(例如)部件的温度、
部件中的机械(热力学)应力等。 -关于部件的位置(Ort)和运动的数据。这些信息对于在使用期间 运动的部件(例如闸板、塞子、还有高度可调节的气体吹扫砖、 喷枪等等)尤其重要。还可以确认部件在机器中所处的位置。 -关于部件的使用时间的数据此处可(例如)通过温度测量而挥 测出闸板已"处于使用中"(也就是熔融金属经由闸板的开口 而流出)多长时间。 "集成"是指传感器布置在部件中或布置在部件上。 上述信息(数据)对于确定部件的状态(例如部件的磨损程度)至关 重要(可单独地，但也可以任意组合的形式)。此处，信息经常性地非 离散地而是依赖于时间地被探测及评价。在多个传感器的情况下，可 在部件的不同部位处探测数据。由此可(例如)确定部件中的温度梯度。 同样地，多个传感器可设置于多个部件中。由此可得到并评价不同部、 位的信息。这一点可以闸板为例进行说明
迄今，操作人员都是根据经验来决定，使用过的闸板是否可以再 次被使用。
关于闸板的耐久时间及温度载荷的数据在迄今为止的使用中是 缺失的。操作人员不具备有关如下这点的可靠的信息，即，在过去中 在产品中是否出现了机械应力。如果重新使用闸板，则存在以下危险， 即，闸板不再能够完好无损地经受住所需的进一步的使用持续时间 (Einsatzdauer)。在极端情况下，可能发生熔融金属的漏出(其带有灾难性的后果)。
这些不利之处可利用根据本发明的部件来避免。由传感器传递的数据将在数据处理设备中被探测和评价。实际数据或从其中导出的特性参数被与理论值进行比较。如果(例如)得知闸板已经达到其计算的
最大使用时间的90%,或者在以前的使用中在该板中出现过超过预先给定的极限值的机械应力，则闸板被更换。传感器可通过温度测量和/或应力测量而及早指示出金属溢出，以避免更大的破坏。
其它应用实例为在铸造钢水包或其它冶金熔化罐的底部或壁中装入传感器或带有传感器的部件，以便监控陶瓷衬里泥料的烘干。例如，为了达到完全的烘干，泥料必须被加热至一定的最低温度。
对于气体吹扫元件，可在通过传感器的温度测量的情况下推断出部件的磨损程度。关于气体流量的信息同样地可通过温度测量而被得到。流过的冷的气体越多，所测得的温度就越低。
如果已达到一定的温度水平一一在该温度水平下可预期发生物理/化学反应(如相变)——则传感器可进一步用于^r测或显示部件中的局部的过热。
在其最通常的实施例中，本发明涉及一种在陶乾泥并+Jo5出上的部件，其在超过80(TC的使用温度下是非常稳定的，其中，在部件中集成有至少一个传感器，利用该传感器，以下信息中的至少一项在部件的使用期间可被探测且可被传输给数据处理设备部件的标识(Identifikation)、部件的物理特性、部件的运动、部件的4吏用时间、部件的位置。
通常将传感器组装在包套(Umhuellung)中，以保护其免受过度的温度载荷、免遭污染和断裂。包套可例如由玻璃陶瓷制成。
原则上，对于本发明的目的而言，能够探测并传输上述类型的数据的任何传感器均适合。例如，可使用半导体发射机应答器(Halbleitertransponder),评价单元通过感应耦合而向该半导体发射机应答器提供电流。
7根据一种实施例，传感器为无源传感器(passiver Sensor)。该无源传感器通过无线电连接(Funkverbindung)与发射/接收单元连接。问询信号(Abfragesignal)通过无线电路径(Funkweg)而被发给该无源传感器。通过与传感器的相互作用产生了应答信号，该应答信号被发回至问询单元(现在充当接收仪器)。
为了在接收单元中将由传感器发射回来的信号与递送到传感器上的信号分离，需要分离机构。这例如如此地实现，即，由传感器发送(abgeben)的信号具有不同于供应给传感器的信号的频率。作为对频率改变的附加或备选，可考虑信号之间的时滞(zeitliche Verschiebung)以用于该分离。
如果该部件处于静止状态，则特定的、可再现的信号被发射回来。通过作用到部件上或在部件中起作用的压力、温度、应力等等，信号又以可再现的方式而改变。
因此，根据 一 种实施例，传感器包括用于从电磁波(elektromagnetischen Wellen)至才几才成波(mechanische Wellen)的变才吳以及相反的变换的装置。为此，传感器可构造成带有天线，该天线用于无线电信号(Funksignalen)的无线(drahtlos)接收和无线发送。在一种变型中，传感器通过电缆与天线相连接，该天线将相应的信号直接地传递给接收单元，或者相反地，从接收单元接收信号。为了避免数据传输过程中的不利影响(该不利影响可例如由于无线电路径中的金属零件的屏蔽作用而产生)，与传感器相关联的天线优选如此地布置，即，使得没有金属零件位于至发射/接收单元的无线电路径中。
本发明的一种实施例作如下设置，即，传感器构造成SAW元件(SAW:表面波(Oberflaechenwelle)-surface acoustic waves)。在传感器上机械表面波被激发，该机械表面波的特性通过物理量(如压力、温度、应力等)的作用而被改变。这一点将根据实例来阐明
SAW-传感器包括压电基体晶体(piezoelektrischenSubstratkristall),在该压电基体晶体上施加有金属结构(反射体)。SAW-传感器通过天线而与发射和读取装置处于无线电连接中。该发射和读取装置发射电磁信号，该电磁信号被传感器天线接收。该信号被位于
SAW-传感器上的特殊的变换器(Wandler)转变成机械振动。由此产生的波在压电晶体(Kristall)的表面上传播。在以上提到的反射体处表面波部分地被反射(reflektieren)。随后，这些表面波被重新变换成电》兹波。因为晶体依赖于物理量(诸如压力、温度、应力)而伸展或收缩，所以其导致信号的传4番时间变化(Laufzeitaenderung)。
电磁高频脉沖被从无线电中心(Funkzentrale)发到传感器。该脉冲被传感器的天线接收，并被变换器(例如叉指式变换器)转换(umgewandelt)成处于传播中的机械表面波。所^是到的传感器表面上的反射(部分反射)结构(其在此按各别的独特的(charakteristischen)排列次序构造而成)位于这些机械波的射线路径(Strahlengang)上。这样，基于单个发射脉沖产生了多个特定的脉冲，该特定的脉冲被反射回至变换器。在该处，其被重新变换成电磁波并作为应答信号被传感器的天线发回至无线电中心。应答信号包含有关于反射体的数目和位置、反射体的反射因子、以及该声波的传播速度的想要的信息。这些信息是与部件的标识、部件的物理特性、部件的位置和运动，和/或部件的4吏用时间有关的间接的信息。通过相应的校准(kalibrierung)，可在相关联的数据处理设备中计算想要的数据。
声波的传播速度通常仅为若干1000m/s(einige 1000m/s)，例如3500m/s。因此可提供这种可能性，即，使高频脉沖在小芯片(传感器)上存储如此长的时间，直至电磁环境回波(Umgebungsecho)消失。传感器可由压电晶体或压电层系统(Schichtsystem)组成。所提到的结构以气相喷镀或其它方式^皮施加。
所提及类型的部件被部分地组装在金属套筒中或具有金属罩(metallischeAbdeckung)。例如，闸板被布置在金属盒中且被置于金属闸门机构(Schiebermechanik)中。金属元件导致对电》兹射线的屏蔽。在这种情况下，在数据的从传感器至天线的无线电传输方面，本发明作
9如下设置，即，将相应的金属零件(金属罩)一一在邻近传感器的天线
处——构造成带有用于无线电信号的穿行(DurcWeitung)的凹口 (Aussparung)。另一特征在于，将传感器布置在部件的边缘区域中，以 使得优化的无线电传输成为可能。"边缘区域"是指(例如)"部件的 冷侧，，。对此理解为部件的这样的截段，该截段在使用中受热程度最 小。例如，在为闸板的情形下，其为板的边缘区域，而在注出开口的 区域周围存在着最高温度。
在为用于钢水包(ladle)的衬里砖的情形下，"边缘区域"是指砖 的靠近最外侧金属护套(Metallmantel)的一侧。在气体吹扫砖的情形 下，传感器优选地布置在气体供应侧端部处。
在以上已经提到的、带有传感器与天线之间的电缆连接的变型 中，部件的数目可减少，因为，通过传感器天线可实现至接收/发射站 的直接的数据传递——只要天线定位于这样的位置中，即，该位置允 许了至发射/接收站的不受干扰的传输。电缆可以是柔性高频电缆，例 如由铜(Cu)制成，带有聚四氟乙烯(PTFE)或陶瓷作为绝缘体(由此可使 耐热性得到改善)。
传感器可至少部分地由耐腐蚀钢(例如1.4845级别的钢)制成。对 于所提及的应用，密封件由耐热材料(例如含氟弹性体)组成。
耐火部件的制造商拥有校准数据，基于该校准数据可计算出部件 的一定部位处的何种温度对应于部件的其它位置处的何种温度。因 此，例如地，对于一定的材料，在闸板边缘区域中的X。 C的测量温 度下可推断出通流区域中的为Y。C的温度。
如已叙述的，反射的机械波或从中产生的应答信号可实现所希望 的信息(包括物理数据，如部件中的应力，但同样也包括在温度载荷下 的使用时间等)的评价。
通过传感器的浮动式("松的")装入，纯温度测量是可能的。通 过部件中的带有刚性连接的传感器的装入(也就是说部件与传感器固 定地连接)可探测其它特性参数(如机械应力)。测量值可单独地被获取(ermitteln》
在最通常的实施例中，相关联的监控方法具有以下步骤 -从无线电中心向传感器发射无线电信号， -通过传感器接收无线电信号，
-通过传感器或在传感器中进行信号的处理、转换和/或编码
(Codierung)， -从传感器向无线电中心发射应答无线电信号， -对无线电信号及以此传递的信息进行评价，以及利用数据处理 设备中的理论数据(Solldaten)对这些信息和/或从中获取的特 性参数进行调整(Abgleich)。 该方法的其它特征已经在前面根据传感器的任务和作用原理进 行了描述并可从从属权利要求的特征及以下实例中得出。其中所描述 的特征可以是对于本发明的应用而言至关重要的(单独地或以各种各 样的组合的方式)。
以下将借助于不同的实施例对本发明进行阐述，其中，附图在很 大程度上是示意性的。在附图中
图1显示了压电传感器晶体的透视图
图2显示了呈砖的形式的耐火部件的透视图
图3显示了组装在金属护套中的闸板的俯视图
图4显示了监控及控制系统内的带有插入的闸板的闸门机构的视
图
在附图中，相同的零件或相同作用的零件用相同的参考标号表示。
图1显示了方形的压电晶体(在不带有其玻璃陶瓷包套的情况下 显示)。部分反射结构12施加在其一个表面上，且更确切地说是以独 特的(针对传感器特定的)的布置而一皮施力口。可见的还有叉指变换器14。电连接从晶体被引导出，以便使叉指变换器的数据总线与天线16连 接。带有其结构12及变换器14的晶体构成了传感器10。
从控制器(图4中的60)发射的电磁高频脉冲(用箭头18示意地表 示)到达传感器10，被天线16接收，并通过变换器14而转换成在传 播的机械表面波。基于问询信号产生了多个表面波，该表面波对应于 结构12的布置而在测量时刻上被反射回至变换器14并通过变换器14 重新转换成电磁信号(箭头20)。该信号被控制器60(在该控制器60前 连接有天线50)接收，并被传导至数据处理器70(图4)且被评价。
根据图1的传感器10可(例如)被插入方形的耐火氧化镁砖26(图 2)的凹部25中，并在该处^皮施以灰泥(vermoerteln)。
图3显示了传感器10在闸板30中的布置，该闸板30被用灰泥 封入(eingemoertelt)到可动的金属护套32中(灰缝31)。闸板30中的铸 口用34表示。在闸板30的边缘36处，传感器IO被加入(用灰泥包入) 到闸板30的陶瓷材料中。此处，部件(该具体的闸板)及其温度需要利 用传感器10来识别。为了实现保护，传感器IO布置由玻璃陶瓷制成 的包套中。天线16凸出超出晶体。金属护套32的邻近的对应截段(在 图3中用角度a表示)对着天线16具有(不可见的)裂口状的凹口，以 便能够将电磁波18， 20从外引向天线16和从天线16引出。
图4显示了用于容纳盒子32和闸板30的闸门机构40的所属部
分。闸门系统调节^v钢水包至接在下游的中间包的钢流量。
带有天线16的传感器10被示意地显示。盒子32中的裂口状的 开口用38表示。另一天线42处于与传感器(芯片)10的天线16直接相 对处，该天线42通过耐热的同轴电缆44与第三天线46连接，第三 天线46通过无线电链路48与已经提到的天线50处于连接中。信号 传输(高频信号)如此地进行，即，从控制器60通过天线50而至天线 46(以无线的方式)，^a亥处(以有线连结的方式)至天线42，并且又以 无线的方式而至传感器10的天线16。由传感器IO反射的信号经过相 反的路径到达控制器60。传感器10能够发射这样的信号，该信号包
12含与事先经关联的标识码(Identifikationskodierung)以及当前温度相关 的信息。在这一点上，传感器IO接收电磁脉冲(在GHz的频率范围中)， 处理该脉冲，并发射回一系列独特的电磁脉冲。基于这些脉冲的时间 间隔可将标识和温度解码。传感器基于SAW技术并装配有天线16以 用于无线电传输。
闸门机构40由金属制成。因此，有必要通过电缆将电磁信号从 闸门才几构40中导出。为此，天线42相对于天线16固定地安装。通 过电缆44而联结的天线46在外地安装在闸门机构40处。
在操作中，控制器60从天线50向天线46发射电》兹信号(脉沖)。 每个信号^v天线46经过同轴电缆44传输给天线42，该天线42通过 天线16将信号以无线的方式发给传感器10。传感器IO将信号转换成 表面波，该表面波在结构12处反射之后包含有关于传感器温度或部 件30的标识的信息。该脉冲序列从传感器10通过天线传输给控制器 60。控制器60基于脉冲的数目及其时间间隔获取该标识和温度。所 获取的数据传输给数据处理器70。
数据处理器70基于来自传感器的数据提取出或算出以下信息
-识别功能
- 在使用之前识别闸板30
- 在使用期间识别闸板30
- 在使用之后识别闸板30。
基于该识别，闸板30的状态可与钢厂的数据联系起来。 - 温度测量
- 通过评价特定时刻的温度确定浇铸时间和使用持续时间
- 热冲击的次数(通过分析特定时刻的温度)
- 超出、低于或达到临界温度范围，例如闸板30中的氧化锆 的在1050。C至950。C的相变温度
- 及早诊断非正常情况(例如断裂)。 所有发射/接收的信号均通过联结的数据处理设备70而被登记及评价。
根据图4的实例可按以下进行变更。作为带有至天线3的无线电 连接的传感器10的替代，可使用棒式传感器，该棒式传感器通过电 缆与天线连接。在这种情况下，传感器位于闸板中，也就是说位于"热 侧"上，天线与之间隔开地位于存在有较低温度的区域中。闸板的金 属盒的桥接借助于电缆而实现。天线如此地布置，即，使得存在至控
制器60的天线50的不受干扰的无线电连接。在该实施例中，在图4 中以42和46表示的天线是不必要的。
权利要求
1.一种基于陶瓷泥料的部件，所述部件在超过800℃的温度下非常稳定，其中，在所述部件(26，30)中集成有至少一个传感器(10)，利用所述传感器(10)在所述部件(26，30)的使用期间可探测以下信息中的至少一种且可将其传输给数据处理设备(70)所述部件(26，30)的标识、所述部件(26，30)的物理特性、所述部件(30)的运动、所述部件(26，30)的使用时间、所述部件(26，30)的位置。
2. 根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其传感器(10)组装 在包套中。
3. 根据权利要求2所述的部件，其特征在于，其包套由玻璃陶 瓷制成。
4. 根据权利要求2所述的部件，其特征在于，其包套不屏蔽电 磁波。
5. 根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其传感器(10)为无 源传感器。
6. 根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其传感器(10)构造 成带有用于无线电信号的无线发送及无线接收的天线(16)。
7. 根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其传感器(10)构造 成通过电缆与用于发送无线电信号的天线(16)。
8. 根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其传感器(10)具有 用于从电磁波至机械波的及相反的变换的装置(14)。
9. 根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其传感器(10)具有 表面结构(12)，所述表面结构(12)反射机械表面波。
10. 根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其传感器(10)具 有用于接收和用于发送高频信号的装置。
11. 根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其传感器(10)包 括压电晶体。
12. 根据权利要求6所述的部件，其特征在于，所述部件邻近所 述传感器(10)地具有金属罩(32)，其中，所述罩(32)邻近所述传感器(10) 的天线(16)地具有用于无线电信号的穿行的凹口(28)。
13. —种用于监控根据权利要求1至12中任一项所述的部件的 方法，其带有以下步骤13.1 从无线电中心向传感器发射无线电信号，13.2通过所述传感器接收所述无线电信号，13.3通过所述传感器或在所述传感器中进行所述信号的处理、 转换和/或编码，13.4从所述传感器向所述无线电中心发射应答无线电信号， 13.5 进行所述无线电信号及以此传递的信息的评价并利用数据 处理设备中的理论数据进行所述信息和/或从中获取的特性参数的调 整。
14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，由所述无线电 中心发射及接收的无线电信号为电磁波。
15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述传感器通 过变换器将所接收的电磁波转换成机械表面波并通过所述传感器的 表面传导所述机械表面波，所述表面构造成带有反射表面结构，所述 反射表面结构至少部分地将所述机械表面波反射回至所述变换器，所 述变换器将该机械表面波重新变换成电磁波并发射回至所述无线电 中心。
16. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，由所述无线电 中心发射及接收的信号被所述数据处理设备评价、与理论值比较并加 以显示。
全文摘要
本发明涉及一种基于陶瓷泥料的部件，该部件在高温下、尤其是在超过800℃的温度下非常稳定(也就是说，该部件在该温度下可完成其与应用相关的任务)。
文档编号G01M99/00GK101690252SQ200880014858
公开日2010年3月31日 申请日期2008年4月12日 优先权日2007年5月5日
发明者A·厄拉彻, M·雷斯曼, R·法克伯格, S·皮尔克, S·皮谢克 申请人:里弗雷克特里知识产权两合公司