ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЗОНДЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И ВЗЯТИЯ ПРОБ В МЕТАЛЛИЧЕСКОМ РАСПЛАВЕ
MEASURING PROBES FOR MEASUREMENT AND TAKING SAMPLES IN MOLTEN METAL

Изобретение относится к измерительным зондам для измерения и взятия проб в металлическом расплаве с расположенной на штанге измерительной головкой, при этом измерительная головка содержит, по меньшей мере, датчик температуры и камеру для проб, при этом камера для проб окружена измерительной головкой и включает проходящий через измерительную головку входной канал в виде трубки из кварцевого стекла.
Такие измерительные зонды в принципе известны, и их используют среди прочего при изготовлении стали в конвертерах и электродуговых печах.
В конвертере (так называемом конвертере LD, известном с английским сокращением BAF, т.е. basic oxygen furnace) посредством фурмы в металлический расплав вдувают кислород. Конвертер футерован огнеупорным материалом, который оптимально противостоит эрозии посредством шлака и тепла во время процесса продувки кислородом. В конвертер добавляют скрап и известь (оксид кальция) для охлаждения расплава и удаления фосфора, кремния и марганца. Кислород сжигает углерод, образуя моноксид углерода и двуокись углерода. Марганец, кремний и фосфор окисляются и с окисью кальция и окисью железа превращаются в шлак. Так как эта реакция окисления протекает с высокой экзотермичностью, то процесс необходимо охлаждать, чтобы регулировать температуру расплава. Охлаждение осуществляется добавлением скрапа и железной руды во время процесса продувки. Сам процесс кислородной продувки требует примерно от 15 до 20 минут, независимо от величины конвертера, которая может составлять примерно от 70 до 400 тонн. При этом интенсивность подачи кислорода фурмой согласуется с величиной конвертера или массой расплава. Загрузка и дополнительная обработка стали и шлака, включая измерение температуры и взятие проб для анализа расплава, обеспечивает продолжительность между двумя выпусками плавки от 40 до 60 минут. Процесс в целом отличается высокой производительностью и дает сталь с низким количеством загрязнений. Выпуск плавки осуществляется наклоном печи через выпускное отверстие в разливочный ковш. Во время этой операции для регулирования состава стали в разливочный ковш добавляют сплавы железа. Существенное развитие техники в продувочной кислородной фурме состоит в том, что через днище конвертера в расплав подают инертный газ, обычно аргон, для перемешивания расплава и шлака. Благодаря этому процессу значительно повышается кпд, снижаются потери железа и содержание фосфора. Кроме того, улучшается тепловой и массовый баланс процесса и вместе с тем уменьшаются производственные издержки.
Измерительные зонды для использования в конвертере описаны, например, в патентных документах DE 102005060492 и DE 102005060493.
В электродуговой печи скрап расплавляют за счет энергии электрической дуги, которую создают между торцевыми частями графитовых электродов и токопроводящей шихтой из скрапа. Три электрода и крыша печи поднимаются для загрузки печи скрапом, чтобы освободить загрузочное отверстие. Электроды поддерживают дугу в соответствии с выбранным напряжением и выбранной силой тока, так что обеспечивается необходимая для плавки и рафинирования энергия. Электродуговые печи имеют внутренний диаметр примерно от 6 до 9 метров и емкость на 100-200 тонн стали. Время между двумя выпусками плавки в этих печах составляет примерно 90-110 минут.
Измерительные зонды для использования в электродуговых печах известны, например, из патентных документов DE 2845566, DE 3203505 или DE 10360625.
Для контроля процесса в конвертере или в электродуговой печи при отборе проб необходимо добиться полного наполнения камеры для проб измерительного зонда при относительно низких температурах, при этом следует исключить присутствие газовых пузырей в пробе. Такое взятие проб не всегда бывает простым, в частности во время процесса продувки в конвертере, так как теоретическая плотность жидкой стали сильно колеблется вследствие процесса продувки кислородом сверху, с одной стороны, и продувки инертным газом через днище конвертера, с другой стороны. Впрочем, промышленность имеет тенденцию к использованию таких печей, которые допускают лишь небольшой перегрев расплава (то есть небольшую разность между температурой ванны и температурой ликвидуса).
Поэтому задача изобретения состоит в том, чтобы усовершенствовать существующие измерительные зонды и пробоотборники и обеспечить преимущественно не содержащее газа взятие проб, то есть улучшить качество проб. Преимуществом является также, что предполагается упростить извлечение пробы из измерительного зонда.
Задача согласно изобретению решается за счет признаков независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления излагаются в зависимых пунктах формулы изобретения.
2
-1
-1
-1
2
-1
2
-1
Установлено, что измерительный зонд для измерения и взятия проб в металлическом расплаве с расположенной на фурме измерительной головкой, притом что измерительная головка содержит, по меньшей мере, датчик температуры и камеру для проб и притом что камера для проб, по меньшей мере, частично окружена измерительной головкой и включает проходящий через измерительную головку входной канал, который предпочтительно образован трубкой из кварцевого стекла, обеспечивает отличные, не содержащие газовых пузырей пробы в том случае, если длина L участка трубы из кварцевого стекла, который проходит в измерительной головке, имеет отношение к квадрату минимального диаметра D, который труба из кварцевого стекла имеет, по меньшей мере, в одном месте на этом внутреннем участке, составляет L/D<0,6 мм, причем это отношение предпочтительно <0,45 мм и, в частности, предпочтительно <0,3 мм. При небольшом перегреве металлического расплава является предпочтительным небольшое отношение, например отношение L/D<0,6 мм при перегреве >100°C и отношение L/D<0,3 мм при перегреве <80°C.
g
1
2
2
1
g
g
Задача решается также за счет измерительного зонда для измерения и взятия проб в металлическом расплаве с расположенной на фурме измерительной головкой, при этом измерительная головка содержит, по меньшей мере, датчик температуры и камеру для проб, при этом камера для проб, по меньшей мере, частично окружена измерительной головкой и включает проходящий через измерительную головку входной канал, который предпочтительно образован трубкой из кварцевого стекла, при этом измерительная головка имеет противодавление P<20 мбар, при этом противодавление определяют таким образом, что вначале по трубе с двумя открытыми концами пропускают эталонный газовый поток и в трубе замеряют давление P, что затем трубу одним концом вставляют во входной канал измерительной головки, пропускают по трубе такой же эталонный газовый поток и замеряют в трубе давление Pи из разности Р-Р определяют противодавление P измерительной головки. При этом предпочтительно противодавление P измерительной головки <15 мбар. Такие измерительные зонды гарантируют также получение проб высокого качества.
2
1
1
1
g
В частности, предпочтительно, если отношение L/D меньше 0,6 мм-, преимущественно меньше 0,45 мм-, особенно предпочтительно меньше 0,3 мм-, и при этом противодавление P измерительной головки соответственно меньше 20 мбар.
Целесообразно, что измерительная головка изготовлена из материала группы керамики, цемента, стали, формовочного песка. В частности, предпочтительно далее, что камера для проб, по меньшей мере, частично окружена корпусом из формовочного песка. Далее, измерительная головка может быть выполнена таким образом, что камера для проб в первом и во втором направлениях, расположенных соответственно перпендикулярно друг другу, имеет соответственно большую длину, чем в третьем направлении, расположенном перпендикулярно первому и второму направлениям, при этом входной канал входит в камеру проб перпендикулярно третьему направлению. Таким образом выполнены так называемые плоские камеры проб, которые имеют круглую или овальную, соответственно продольную, площадь сечения и расположенную перпендикулярно ей меньшую, выполненную по существу прямоугольной, площадь сечения, при этом меньшая площадь сечения может иметь закругленные углы. Таким образом, входной канал простирается параллельно большей и перпендикулярно меньшей площади сечения. Преимуществом является также, что измерительная головка имеет дополнительно, по меньшей мере, один электрохимический датчик, чтобы обеспечить более гибкое и многостороннее использование и одновременно позволить измерять другие параметры металлического расплава.
Преимуществом является то, что обеспечивается удаление воздуха из камеры проб. Камера проб состоит предпочтительно из двух полусфер, разделяемых известным образом параллельно продольной оси камеры проб, которые своими краями фиксируются вместе таким образом, что во время протекания внутрь жидкого металла воздух из камеры проб может вытесняться, однако жидкий металл между полусферами вытекать не может. Предпочтительным образом камера проб расположена в пористом корпусе из песка, чтобы обеспечивать удаление воздуха. Обе полусферы скреплены между собой скобой, и камера проб в достаточной степени фиксируется в песчаном корпусе, так что обе полусферы не раскрываются вследствие возникающего при погружении в расплав ферростатического давления. Края полусфер могут быть снабжены, например, маленькими отверстиями или бороздками, чтобы обеспечить удаление воздуха из камеры проб, при этом исключается образование наплывов выходящего из камеры проб расплава.
Как обычно, измерительные зонды согласно изобретению погружают сверху в содержащую металлический расплав емкость. Этот процесс погружения осуществляется зачастую автоматически, например автоматической вспомогательной штангой. После измерения вспомогательную штангу вместе с измерительным зондом поворачивают вбок из зоны содержащей металлический расплав емкости и выталкивают. При этом измерительный зонд падает в глубину на несколько метров. После падения на дно проба может быть просто и без повреждений извлечена из камеры проб.
Описанные измерительные зонды используются согласно изобретению для измерения и взятия проб в находящемся в сталеплавильном конвертере металлическом расплаве во время процесса продувки или для измерения и взятия проб в находящемся в электродуговой печи металлическом расплаве.
Ниже изобретение поясняется более детально на примере и на основе чертежа. На чертеже показаны:
Фиг. 1 - схематичное изображение конвертера в сечении,
Фиг. 2 - схематичное изображение заявленного измерительного зонда с измерительной головкой,
Фиг. 3 - заявленная измерительная головка в разрезе,
Фиг. 4 - схематичное изображение измерения давления на открытой трубе и
Фиг. 5 - схематичное изображение измерения давления на измерительной головке.
На фиг. 1 показан конвертер 1 с футеровкой 2. В конвертере 1 содержится жидкая сталь 3, покрытая сверху слоем шлака 4. Для изготовления стали в металлический расплав через днище конвертера 1 посредством донных сопел 5 вдувают аргон. Сверху посредством дутьевой фурмы 6 вдувают кислород. Рядом с дутьевой фурмой 6 в конвертер 1 вводят так называемую вспомогательную фурму 7 (штангу), на погружном конце которой расположен измерительный зонд 8 с измерительной головкой 9. Процесс измерения осуществляется во время продувки кислородом, как правило, примерно за две минуты до окончания кислородной продувки. При этом измеряют температуру и производят отбор пробы для определения содержания углерода. На основе результатов измерений может осуществляться корректировка схемы продувки, чтобы при необходимости изменить качество стальной плавки. После продувки кислородом может производиться второй замер. При этом, как правило, вместе с температурой измеряют активное содержание кислорода в стальной плавке и берут для анализа в лаборатории пробу, которая служит для окончательного определения состава стали. На основе содержания кислорода в течение считанных секунд может быть определено фактическое содержание углерода в стали. Кроме того, может производиться предварительная калькуляция необходимого количества раскислителя (алюминия).
Представленный на фиг. 2 измерительный зонд 8 имеет расположенную на погружном конце несущей трубы 10 измерительную головку 9. Измерительная головка 9 имеет для защиты входного отверстия и датчиков пластмассовый колпачок 11, который сгорает при прохождении сквозь шлак и освобождает датчики и соответственно входное отверстие для доступа металлического расплава. Пластмассовый колпачок 11 может быть дополнен со своей внутренней стороны металлическим колпачком или металлическим слоем, который может быть изготовлен из стали и растворяется в стальном расплаве, в котором используют измерительный зонд. Измерительная головка 9 имеет песчаный корпус 12 из формовочного песка, на котором предусмотрены ребра 13, которыми песчаный корпус 12 запрессован в несущую трубу 10, чтобы обеспечить жесткую фиксацию. На обратном конце измерительной головки 9 расположены соединительные кабели 14, при помощи которых полученные датчиками сигналы передаются по несущей трубе 10 и вспомогательной фурме 7 на блок обработки данных.
2
На представленной схематично в сечении на фиг. 3 измерительной головке 9 показан термоэлемент в виде датчика температуры 15, который окружен металлическим колпачком 16 и закреплен посредством огнеупорного цемента 17 в измерительной головке 9. На своем обратном конце, расположенном внутри измерительной головки, он имеет соединитель 18 для подключения проводов термоэлемента к соединительному кабелю. Далее, в песчаном корпусе 12 из формовочного песка измерительной головки 9 расположен пробоотборник с камерой для проб 19 и трубой 20 из кварцевого стекла 20 в качестве входной трубы. Труба из кварцевого стекла выступает примерно на 1 см из песчаного корпуса. Наружное входное отверстие трубы 20 из кварцевого стекла закрыто металлическим колпачком 25 (из стали) и расположенным поверх него картонным колпачком 26, которые при погружении в жидкую сталь разрушаются и освобождают наружное входное отверстие трубы из кварцевого стекла. Длиной L обозначена расположенная в песчаном корпусе 12 измерительной головки 9 длина входной трубы между ее входом в камеру для проб 19 и ее выходом из песчаного корпуса 12. Это так называемая встроенная длина L. Диаметром D обозначен минимальный диаметр внутри встроенной длины L. В показанном примере отношение L/D=0,22, что позволяет получить не содержащую газовых пузырей пробу, в отличие от соответствующих зондов согласно уровню техники, в которых оно составляет примерно 1,43.
Песчаными ребрами песчаного корпуса 12 камера для проб 19 зафиксирована в нем посредством прессовой посадки.
1
Измерение давления осуществляется вначале согласно схематичному изображению на фиг. 4 в открытой с обоих концов трубе 22, которая имеет такой наружный диаметр, что он может быть вставлен в трубу 20 из кварцевого песка. Стрелкой 23 обозначено направление потока протекающего газа, предпочтительно воздуха, давление Р которого определяют манометром 24. Длина трубы 22 между манометром 24 и трубой 20 из кварцевого стекла составляет примерно 2 см, а внутренний диаметр примерно 4 мм.
2
2
1
g
На фиг. 5 схематично представлена труба 22, вставленная в трубу 20 из кварцевого стекла пробоотборника после измерения, согласно фиг. 4. Затем при повторном впуске газа при помощи манометра измеряют давление Р. Разность Р-Р обозначает противодавление P измерительной головки. Давление замеряют соответственно при протекании газа с интенсивностью потока 800 л/ч, при этом поток газа рассчитывается на основе так называемого стандартного литра, то есть измеренного при температуре помещения 20°C и стандартном давлении воздуха 1013 ГПа. Определенное противодавление составляет в приведенном примере менее 15 мбар. Устройство с этим противодавлением позволяет получить качественно хорошие пробы.