Способ спектрального анализа элементов металлического расплава в плавильном резервуаре и устройство для его осуществления

Изобретение относится к металлургической промышленности. Способ спектрального анализа элементов металлического расплава в плавильном резервуаре включает следующие этапы: погружение устройства в расплав, возбуждение лазерного луча, проведение лазерного луча через систему линз и зеркал, наведение лазерного луча на расплав через кварцевое стекло, создание плазмы путем наведения лазерного луча на поверхность расплавленного металла, направление света, созданного плазмой, через кварцевое стекло, систему линз и световоды в спектрометры, использование компьютера для анализа чувствительности спектральных линий. В процессе погружения устройства в расплав сверху, выполненного в виде зонда, жидкую пробу анализируемого расплава формируют за счет ферростатического давления, подают инертный газ под давлением, регулируя которое, получают требуемую форму и уровень расплавленного металла в огнеупорной трубке и/или в огнеупорной втулке, и/или в стандартном пробоотборнике. Технический результат - упрощение способа анализа и устройства для его осуществления. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к металлургической промышленности и, в частности, к оптическому методу определения химического состава жидкого металла непосредственно в плавильном резервуаре, например конвертере.

Известен способ регистрации электромагнитных волн, излучаемых расплавом, при котором внутри расплава путем задувки газа образуется газонаполненное полое пространство, и электромагнитные волны, излучаемые расплавом, наблюдают через задутый газ и оценивают путем передачи электромагнитных волн через оптическую систему на детектор, при этом электромагнитные волны, направленные наклонно к оптической оси и излучаемые краевой областью полого пространства, исключают из регистрации при помощи рассеивающего устройства, выполненного из фокусирующей системы линз и/или за счет того, что оптическую систему перемещают относительно полого пространства при регулировке ее оптической оси до тех пор, пока интенсивность испускаемых электромагнитных волн не достигнет максимума при ее оценке.

В одном из вариантов газонаполненное полое пространство образуют на верхней поверхности расплава. Кроме того, согласно известному способу, для осуществления спектрального анализа расплава через газонаполненное пространство в расплав подают энергию и часть расплава за счет подаваемой энергии испаряют, например, с помощью лазерного луча [1].

Устройство для осуществления известного способа содержит емкость (резервуар) с расплавом, трубопровод подачи газа, ведущий к отверстию в емкости и включающий выходное отверстие газа, ориентированное к расплаву, оптическую систему для наблюдения выходного отверстия газа, детектор для регистрации электромагнитных волн, излучаемых расплавом, оптическое устройство рассеяния волн в виде рассеивающе-фокусирующей системы линз, установленное с возможностью поворота относительно отверстия, волноводы, оптическое устройство для образования волнового пучка, устройство для генерирования лазерного луча для осуществления анализа расплава.

Причем, в одном из вариантов, устройство, содержащее трубопровод подачи газа и устройство рассеяния волн, вводится сверху в расплав через его верхнюю поверхность для образования газонаполненного полого пространства внутри расплава, ограниченного корочкой. В этом варианте конец трубопровода подачи газа может быть выполнен в виде мундштука с рубашкой с целью образования защитной газовой рубашки [1].

К недостатку способа, при варианте введения трубы в расплав сверху, относится образование газонаполненного пространства внутри расплава на конце трубы и выполнение этого конца в виде мундштука с рубашкой с целью образования защитной газовой рубашки. Остальные варианты известного способа имеют общий недостаток, состоящий в проведении трубы с оптическими системами через боковую стенку резервуара, что вызывает усложнение прибора для анализа расплава.

Известен способ анализа элементов жидкого металла, содержащегося в резервуаре с металлическим расплавом, который состоит из нескольких этапов: введение инертного газа в трубу, проходящую через боковую стенку резервуара с расплавленным металлом и имеющую входное отверстие в него; возбуждение лазерного луча; проведение лазерного луча через регулируемую первую систему линз; отражение лазерного луча зеркалом внутри трубы; наведение лазерного луча через кварцевое окно, которое закрывает трубу; создание плазмы в трубе при наведении лазерного луча регулируемой первой системой линз на поверхность металлического расплава в трубе; направление света, созданного плазмой, через кварцевое окно к регулируемой второй системе линз, подача света на световод с помощью регулируемой второй системы линз; наведение света световодом на спектрометр. Для того чтобы избежать утечки жидкого металла, в трубу подается инертный газ для создания необходимого противодавления. Лазерный луч наводится на участок поверхности металлического расплава на конце отверстия трубы и эта локация приводит к возникновению плазмы, которая дает излучение. Это плазменное излучение направляется через отверстие на спектрометр для спектрального анализа [2].

Прибор для анализа спектра металлического расплава в плавильном резервуаре содержит корпус, трубу, соединенную с корпусом и приспособленную для проведения через стенку плавильного резервуара и одним концом открытую для контакта с металлическим расплавом, кварцевое стекло, закрывающее трубу на расстоянии от вышеупомянутого открытого конца, газоприемный ниппель, лазерный источник, установленный в корпус, системы зеркал, световод и спектрометр. Труба имеет несколько участков, диаметр которых увеличивается от источника плазмы к корпусу резервуара. Участки трубы изготовлены из различных материалов, например из керамики и металла.

Участок трубы со стороны облицовки резервуара преимущественно изготовлен из керамики и его внутренний диаметр преимущественно принят равным 5-10 мм [2].

Известный способ имеет тот же недостаток, что и предыдущий. Конец трубы открыт для контакта с металлическим расплавом и жестко связан с облицовкой резервуара с расплавом. Использовать известный прибор для анализа расплава путем его свободного погружения в расплав сверху невозможно.

Целью изобретения является упрощение способа анализа металлического расплава и прибора для его осуществления.

В соответствии с изобретением эта цель достигается за счет того, что в процессе погружения устройства в расплав сверху, жидкую пробу анализируемого расплава формируют за счет ферростатического давления внутри огнеупорной трубки, заключенную во внешнюю оболочку, в которую, для уравновешивания ферростатического давления со стороны расплава, подают инертный газ под давлением, регулируя которое, получают требуемую форму и уровень мениска жидкого металла в трубке.

Следующий предпочтительный вариант отличается тем, что жидкую пробу формируют одновременно в огнеупорной трубке и в пробоотборнике, или используя капиллярный эффект трубки определенного диаметра. Упрощение и ускорение способа обеспечивается и в том случае, если к моменту воздействия на пробу источника возбуждения плазмы, происходит затвердевание поверхности жидкой пробы,

или в период затекания металла в огнеупорную трубку,

или в период вытекания металла из огнеупорной трубки,

или воздействие источника возбуждения плазмы на поверхность жидкого металла в огнеупорной трубке происходит при уже сформированной затвердевшей поверхности жидкой пробы, в процессе извлечения зонда из расплава,

или такое воздействие происходит при уже сформированной, затвердевшей поверхности жидкой пробы, находящейся внутри огнеупорной трубки, извлеченной из расплава.

Подачу в оболочку огнеупорной трубки инертного газа осуществляют и в случае вакуумирования жидкого металла в резервуаре, поддерживая необходимый уровень жидкой пробы в огнеупорной трубке.

Устройство для анализа спектра металлического расплава в плавильном резервуаре, включающее корпус для размещения в нем оптических систем, трубу с погружаемой в расплав частью, кварцевое окно, закрывающую трубу, газоприемный ниппель для подачи инертного газа в погружаемую часть трубы, лазерный источник, зеркало, установленное в корпусе и отражающее лазерный луч, светововоды, спектрометры и компьютер, содержит:

а) зонд для размещения в нем системы линз, зеркала и световодов, выполненный в виде трубы, снабженной погружным блоком, установленным с возможностью вертикальных перемещений;

б) неподвижную часть для размещения в ней лазера, спектрометров и компьютера и соединенную с зондом системой гибких световодов;

в) систему линз для направления света, излученного плазмой на спектрометры;

г) привод для вертикальных перемещений зонда;

е) погружной блок, содержащий защитную огнеупорную втулку, металлический кожух, огнеупорный стакан и огнеупорную трубку для заполнения расплавом и образования мениска жидкого металла соответствующей формы;

ж) линзу для фокусирования лазерного луча в центре мениска жидкого металла, заполнившего огнеупорную трубку, при постоянном фокусном расстоянии независимо от глубины погружения подвижного блока в расплав;

и) кожух, соединенный с зондом и приводом, предназначенным для его вертикальных перемещений;

к) огнеупорную втулку с расширенной частью для заполнения жидким металлом без огнеупорной трубки;

л) огнеупорную втулку с одним центральным отверстием для заполнения жидким металлом без огнеупорной трубки;

м) огнеупорную втулку с двумя отверстиями, одно из которых предназначено для установки стандартного пробоотборника, а другое для установки огнеупорной трубки;

н) комбинацию огнеупорной втулки с расширенным сверху отверстием и огнеупорной трубки;

п) защитный колпачок;

р) систему регулирования положения мениска в огнеупорной втулке и/или в огнеупорной трубке при помощи изменения давления инертного газа, подаваемого в газонаполненное пространство между защитным кварцевым стеклом и поверхностью жидкого металла, заполнившего огнеупорную втулку, огнеупорную трубку и стандартный пробоотборник, в том числе и при вакуумировании расплава в резервуаре.

Описание чертежей:

рис.1 - принципиальная схема предлагаемого устройства;

рис.2 - схема погружного блока зонда с огнеупорной втулкой с расширенной частью;

рис.3 - то же, с огнеупорной трубкой;

рис.4 - то же, с огнеупорной втулкой с одним центральным отверстием;

рис.5 - схема комбинации огнеупорной втулки с расширенным сверху отверстием и огнеупорной трубки;

рис.6 - схема комбинации огнеупорной втулки с двумя отверстиями для огнеупорной трубки и стандартного пробоотборника.

В соответствии с изобретением, подвижная часть зонда 1 - погружной блок 2 опускается в расплав 3. Одновременно в пространство А между герметической частью Б зонда 1 и его погружным блоком 2 через газоприемный ниппель 4 подается инертный газ, например аргон, для компенсации ферростатического давления расплава 3 в резервуаре 5, вытеснения из пространства А атмосферного воздуха и образования мениска соответствующей формы при определенном противодавлении газа. Перемещение зонда 1 по вертикали осуществляется при помощи привода 6. Жидким металлом 7 заполняются огнеупорная втулка 8, 9, 10 и/или огнеупорная трубка 11, и/или стандартный пробоотборник 12 по любому из вышеперечисленных вариантов в зависимости от конкретных условий или задачи, например, при лабораторных исследованиях твердой пробы и/или при сравнивании полученных различными способами анализов элементов жидкого металла, находящегося в резервуаре 5.

Осуществляется способ анализа следующим образом: луч лазера 13, проходя через линзу 14, отражается от зеркала 15, проходит через линзу 16, через защитное кварцевое стекло 17, фокусирующую лазерный луч 18 в центре В мениска 19 жидкого металла 7, находящегося в огнеупорных втулках 8, 9, 10 и/или в огнеупорной трубке 11 и возбуждает на поверхности мениска 19 плазму 20. Плазменные лучи 21 проходят через кварцевое стекло 17, через линзы-объективы 22 и по световодам 23 и 24 направляются в спектрометры 25 и 26 и далее в компьютер 27 для анализа четкости спектральных линий и расчета глубины погружения зонда 1 в расплав 3 и величины противодавления инертного газа. Так как фокусное расстояние f между линзой 16 и мениском 19 при вертикальных перемещениях остается постоянным, на четкость спектра, а значит, и на качество спектрального анализа, колебания резервуара 5 с расплавом и другие возмущающие факторы, не влияют, поэтому система линз не требует дополнительно механической регулировки. Линза 14 и зеркало 15 установлены в горизонтальной части 28 зонда 1. Неподвижная часть устройства содержит корпус 29, в котором располагаются лазер 13, спектрометры 25 и 26 и компьютер 27. Система регулирования газа условно не показана. Погружной блок 2 содержит защитную огнеупорную трубку 30, защитный колпачок 33 и металлический кожух 32.

Источники информации

1. Патент РФ №2163713.

2. Патент США №4995723.

1. Способ спектрального анализа элементов металлического расплава в плавильном резервуаре, включающий погружение устройства в расплав, возбуждение лазерного луча, проведение лазерного луча через систему линз и зеркал, наведение лазерного луча на расплав через кварцевое стекло, создание плазмы путем наведения лазерного луча на поверхность расплавленного металла, направление света, созданного плазмой, через кварцевое стекло, систему линз и световоды в спектрометры, использование компьютера для анализа чувствительности спектральных линий, отличающийся тем, что в процессе погружения устройства в расплав сверху, выполненного в виде зонда, жидкую пробу анализируемого расплава формируют за счет ферростатического давления, а также в процессе вакуумирования расплава внутри огнеупорной трубки, и/или внутри огнеупорной втулки, и/или внутри стандартного пробоотборника, заключенных в подвижном блоке зонда, во внутреннее пространство которого для уравновешивания ферростатического давления со стороны расплава подают инертный газ под давлением, регулируя которое, получают требуемую форму и уровень расплавленного металла в огнеупорной трубке и/или в огнеупорной втулке, и/или в стандартном пробоотборнике.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкую пробу формируют, используя капиллярный эффект трубки определенного диаметра.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкую пробу формируют одновременно в огнеупорной трубке и в стандартном пробоотборнике.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что к моменту воздействия на пробу источника возбуждения плазмы происходит затвердевание поверхности жидкой пробы.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие на пробу источника возбуждения плазмы происходит в период затекания металла в огнеупорную трубку и/или в огнеупорную втулку.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие на пробу источника возбуждения плазмы происходит в период вытекания металла из огнеупорной трубки.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие на пробу источника возбуждения плазмы на поверхность расплавленного металла происходит при уже сформированной затвердевшей поверхности жидкой пробы.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие на пробу источника возбуждения плазмы происходит в процессе извлечения зонда из расплава при уже сформированной затвердевшей поверхности жидкой пробы.

9. Способ по пп.1-8, отличающийся тем, что подачу во внутреннее пространство подвижного блока инертного газа осуществляют как в случае ферростатического давления расплава, так и в случае вакуумирования расплава в резервуаре, поддерживая необходимый уровень жидкой пробы.

10. Устройство для анализа элементов металлического расплава в плавильном резервуаре, включающее корпус для размещения в нем оптических систем, трубу с погружаемой в расплав частью, кварцевое окно, закрывающее трубу, газоприемный ниппель для подачи инертного газа в погружаемую часть трубы, лазерный источник, зеркало, установленное в корпусе и отражающее лазерный луч, световоды, спектрометры и компьютер, отличающееся тем, что оно содержит зонд для размещения в нем системы линз, зеркала и световодов, выполненный в виде трубы, снабженной погружным блоком, установленный с возможностью вертикальных перемещений относительно поверхности расплава, неподвижную часть для размещения в ней лазера, спектрометров и компьютера, соединенную с зондом системой гибких световодов, систему линз-объективов для направления света, излученного плазмой, на спектрометры, привод для вертикальных перемещений зонда, а погружной блок содержит защитную огнеупорную трубку, огнеупорную втулку и/или огнеупорную трубку для заполнения расплавом и образования мениска жидкого металла соответствующей формы, и/или стандартный пробоотборник и металлический кожух.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что оно содержит линзу для фокусирования лазерного луча в центре мениска расплавленного металла, заполнившего огнеупорную трубку, с постоянным фокусным расстоянием независимо от глубины погружения подвижного блока в расплав.

12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что оно содержит кожух, соединенный с зондом и приводом, предназначенным для его вертикальных перемещений.

13. Устройство по п.10, отличающееся тем, что оно содержит огнеупорную втулку с расширенной частью для заполнения расплавленным металлом без огнеупорной трубки.

14. Устройство по п.10, отличающееся тем, что оно содержит огнеупорную втулку с одним центральным отверстием для заполнения расплавленным металлом без огнеупорной трубки.

15. Устройство по п.10, отличающееся тем, что оно содержит огнеупорную втулку с двумя отверстиями, одно из которых предназначено для установки стандартного пробоотборника, а другое для установки огнеупорной трубки.

16. Устройство по п.10, отличающееся тем, что оно содержит комбинацию огнеупорной втулки с расширенным сверху отверстием и огнеупорной трубки.

17. Устройство по п.10, отличающееся тем, что оно содержит защитный колпачок.

18. Устройство по п.10, отличающееся тем, что неподвижная часть зонда отделена от погружного блока кварцевым стеклом, через которое плазменный луч выводится на линзы-объективы.

19. Устройство по п.10, отличающееся тем, что оно содержит систему регулирования положения мениска в огнеупорной втулке и/или в огнеупорной трубке при помощи изменения давления инертного газа, подаваемого в пространство между защитным кварцевым стеклом и поверхностью расплавленного металла, заполнившего огнеупорную втулку, и/или огнеупорную трубку, и/или стандартный пробоотборник, в том числе и при вакуумировании расплава в резервуаре.