An optical system for the estimation of EAF refractory thickness

The aim of this thesis is to study and validate the possible use of an optical circuit for the local measurement of the thickness of a refractory wall, belonging to an Electric Arc Furnace (EAF). The measurement of the furnace lining thickness is aimed not only at monitoring the erosion of the refractory, improving both the safety and continuous operation of the plant, but also at providing the refractory thickness information needed for the real time estimation of the temperature of the molten iron using a thermal model of the brick. In this thesis the advantages and limitations of using an optical fiber circuit embedded in a refractory brick to measure its thickness are discussed. This method is compared to the existing prior art and a series of experiments aimed at verifying its applicability are then exposed. A data acquisition system and a cement brick, containing both a buried optical fiber circuit and a thermocouple pair, were designed and built. During the experiments, the instrumented brick was heated to characterize the light transmission capacity of a fiber optic cable as a function of the temperature it is subjected. The light transmission capacity of the fiber was also tested outside of the cement brick, observing its behaviour both when its coating is damaged by heat and when it is completely removed, exposing the fiber silica core. The results of these experiments are reported and discussed, observing that at more than +150°C there are no significant variations in the amount of light transmitted by the fiber. These results suggest that, if the core is intact, even a common optical fiber is able to retain its light transmission properties, even at temperatures more than twice its nominal operation limit. Having observed an increase in the brittleness of the optical fiber cable when the coating is damaged or removed, further tests should focus on the behavior of an optical cable when, after having been embedded in a refractory brick and heated, is subject to vibrations or other mechanical stresses.

Obiettivo di questa tesi è lo studio e la validazione del possibile utilizzo di un circuito ottico per la misura locale dello spessore di una parete refrattaria, appartenente a un Forno Elettrico ad Arco (FEA). La misurazione dello spessore della parete del forno è finalizzata non solo a monitorare la sua erosione, migliorando sia la sicurezza sia il funzionamento continuo dell'impianto, ma anche a fornire il dato dello spessore del refrattario necessario per stimare in tempo reale la temperatura del ferro fuso tramite un modello termico del mattone. In questa tesi vengono discussi i vantaggi e i limiti dell'utilizzare un circuito in fibra ottica incorporato in un mattone di refrattario per misurarne lo spessore. Questo metodo è confrontato con le tecniche esistenti, e sono quindi presentati una serie di esperimenti volti a verificarne l'applicabilità. Un sistema di acquisizione dati e un mattone di cemento, contenente sia un circuito in fibra ottica che una coppia di termocoppie, sono stati ideati e realizzati. Durante gli esperimenti, il mattone sensorizzato è stato riscaldato per caratterizzare la capacità di trasmissione della luce di un cavo in fibra ottica in funzione della temperatura al quale è sottoposto. La capacità di trasmissione della luce della fibra è stata testata anche all'esterno del mattone di cemento, osservandone il comportamento sia quando il suo rivestimento è danneggiato dal calore sia quando è stato completamente rimosso, esponendo il suo nucleo (core) in silice. I risultati di questi esperimenti vengono riportati e discussi, osservando che a più di +150°C non vi sono variazioni significative nella quantità di luce trasmessa dalla fibra. Questi risultati dimostrano che, se il nucleo è intatto, anche una comune fibra ottica è in grado di mantenere le sue proprietà di trasmissione della luce, anche a temperature superiori al doppio del suo limite di funzionamento nominale. Avendo osservato un aumento della fragilità del cavo in fibra ottica quando il rivestimento è danneggiato o rimosso, ulteriori prove dovrebbero concentrarsi sul comportamento di un cavo ottico quando, dopo essere stato incorporato in un mattone refrattario e riscaldato, è soggetto a vibrazioni o altre sollecitazioni meccaniche.