УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ВЗЯТИЯ ПРОБ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА

Область техники, к которой относится настоящая полезная модель
Настоящая полезная модель относится к области черной металлургии и, в частности, к устройству, которое может быть использовано для управления технологическими параметрами расплавленного металла, в частности, для одновременного измерения физико-химических параметров/параметра и взятия пробы расплавленного металла.
Предшествующий уровень техники
Обычные устройства для измерения температуры и взятия проб расплавленного металла описаны в предшествующем уровне техники. В патенте US-A-4069715 раскрывается устройство, которое включает в себя: ручку, выполненную в виде полой картонной трубки; пробоотборник; и термочувствительный элемент, выполненный в виде термопары. Пробоотборник и термопара заключены в картонные трубки, которые скреплены друг с другом своими боковыми сторонами. Пробоотборник и термопара являются заменяемыми элементами; ручка вставлена в одну из трубок и соединена с ней. Указанное устройство позволяет одновременно взять пробу жидкого металла и измерить температуру в ванне расплавленного металла. Еще одно устройство для измерения температуры и взятия проб расплавленного металла описано в патенте US-А-4361053. Это устройство включает в себя корпус, который состоит из двух жестко скрепленных между собой секций; две металлические пластины, задающие пробозаборную камеру, которая расположена между указанными секциями корпуса; и элементы, образующие вход в камеру. Такое устройство позволяет одновременно взять пробу жидкого металла и измерить температуру в ванне расплавленного металла. В патенте US-A-5577841, который соответствует патенту RU-C2-2155948, раскрыто устройство для измерения температуры и взятия проб расплавленного металла, содержащее съемный блок с оболочкой из тугоплавкого материала, такого как многослойный картон, пропитанный огнеупорным составом. Корпус из огнеупорного -2-
материала, образованный двумя жестко соединенными между собой секциями, закреплен в оболочке только с одной стороны. Одна из секций содержит пробозаборную камеру с элементом, образующим вход в указанную камеру. Это устройство содержит два термочувствительных элемента, выполненных в виде термопар. Одна из указанных термопар закреплена в первой секции корпуса с помощью огнеупорного материала, например, огнеупорного цемента. Выводы термопар выходят за конец корпуса из огнеупорного материала и выполнены с возможностью измерения температуры в ванне расплавленного металла. Выводы другой термопары размещены в пробозаборной камере первой секции и выполнены с возможностью определения температуры расплавленного металла в жидкой фазе в процессе его отверждения. Вторая секция корпуса содержит зажим, представляющий собой контактный узел из непроводящего материала, такого как пластик. Зажим запрессован во вторую секцию корпуса с целью закрепления термопар. Элемент, образующий вход пробозаборной камеры, и термопара, выходящая за конец корпуса из огнеупорного материала, закрыты общим металлическим колпачком. Еще один металлический колпачок закрывает элемент, образующий вход пробозаборной камеры. Выводы термопар экранированы тонкостенными кварцевыми трубками. Верхнюю часть устройства для измерения температуры и взятия проб закрывает бумажный колпачок.
Всем трем устройствам предшествующего уровня техники присущ недостаток, заключающийся в том, что в случае необходимости проведения предварительного измерения температуры в ванне расплавленного металла съемный блок должен быть заменен новым. Эта операция требует дополнительного времени; при этом оператор должен совершить определенные манипуляции, которые обычно выполняются в очень агрессивной среде.
Еще одно устройство предшествующего уровня техники, описанное в патенте RU-U1-34011, характеризуется упрощенной конструкцией; при этом перед взятием пробы с одновременным измерением температуры жидкого металла необходимо провести предварительное измерение температуры в ванне расплавленного металла. В этом документе описано устройство для измерения температуры и взятия проб расплавленного металла, которое содержит заменяемый блок, характеризующийся наличием оболочки, выполненной из тугоплавкого материала, в которой закреплен корпус из огнеупорного материала с пробозаборной камерой и первым термочувствительным элементом. Пробозаборная камера и первый -3-
термочувствительный элемент закрыты первым металлическим колпачком. Это устройство также содержит второй термочувствительный элемент и второй металлический колпачок, а также дополнительную полую оболочку из тугоплавкого материала с расположенным в ней корпусом из огнеупорного материала. Второй термочувствительный элемент помещен в дополнительный корпус и закрыт вторым металлическим колпачком. Полые оболочки смонтированы последовательно и соединены друг с другом, а на внешней стороне дополнительной полой оболочки имеется выточка.
Перед проведением измерения устройство подсоединяется к контактному держателю, который закреплен в металлическом стержне; при этом сам металлический стержень помещается в прибор для измерения характеристик расплавления, который погружает указанный стержень в ванну расплавленного металла. Сначала проводится предварительное измерение температуры расплавленного металла. Это необходимо для последующей корректировки характеристик расплавления. Выводы нижней термопары защищены от шлака при прохождении сквозь его слой. По мере проникновения устройства в расплавленный металл металлический колпачок термопары расплавляется, и термопара начинает определять температуру в ванне расплавленного металла. Сигнал с термопары передается на регистраторы. Предварительные измерения температуры длятся 4-6 секунд. За это время полая оболочка прогорает насквозь по кольцевой выточке, и после извлечения стержня часть оболочки с нижним термочувствительным элементом отламывается по кольцевой выточке и впоследствии сгорает.
Механическая обработка выточки на поверхности дополнительной полой оболочки является времязатратной и дорогостоящей операцией. Кроме того, для предотвращения преждевременного возгорания дополнительной полой оболочки необходимо пропитать ее огнеупорным составом (обычно используется огнеупорный силикат). Эта операция также дорого стоит и занимает много времени, а также требует много свободного пространства с тем, чтобы пропитанные оболочки могли высохнуть. Таким образом, было бы целесообразно создать такое устройство, которое можно было бы использовать для одновременного измерения температуры и взятия пробы расплавленного металла с предварительным измерением температуры в ванне расплавленного металла.
Цель настоящей полезной модели заключается в том, чтобы создать такое устройство.
-4-
Краткое раскрытие настоящей полезной модели
Согласно настоящей полезной модели устройство для одновременного измерения одного или нескольких физико-химических параметров и взятия пробы расплавленного металла после предварительного измерения температуры в ванне расплавленного металла включает в себя следующие элементы:
- первую измерительную головку с термочувствительным элементом, защищенным первым защитным колпачком, заключенную в первый корпус из огнеупорного материала и окруженную первой полой оболочкой из тугоплавкого материала;
- вторую измерительную головку с одним или несколькими датчиками, защищенными вторым защитным колпачком и предназначенными для измерения одного или нескольких физико-химических параметров расплава жидкого металла, заключенную во второй корпус из огнеупорного материала и окруженную второй полой оболочкой из тугоплавкого материала; при этом второй корпус из огнеупорного материала снабжен также пробозаборной камерой и окружен второй полой оболочкой из тугоплавкого материала;
- третью полую оболочку из тугоплавкого материала, которая охватывает первую и вторую измерительные головки, последовательно расположенные и соединенные друг с другом;
- четвертую и пятую полые оболочки из тугоплавкого материала, расположенные последовательно вокруг третьей полой оболочки; при этом четвертая оболочка расположена на уровне первой измерительной головки, пятая полая оболочка расположена на уровне второй измерительной головки, а зазор между четвертой и пятой полыми оболочками расположен на уровне второго металлического колпачка.
Устройство для предварительного измерения температуры в ванне расплавленного металла с последующим взятием пробы одновременно с измерением одного или нескольких физико-химических параметров расплава жидкого металла согласно настоящему изобретению обладает упрощенной конструкцией в сравнении с устройством предшествующего уровня техники. Более того, оно проще и дешевле в изготовлении, а также требует меньшего количества операций.
Обе измерительные головки защищены от шлака и расплавленного металла во время выполнения операций четвертой и пятой полыми оболочками из тугоплавкого материала. Они могут быть также покрыты или пропитаны огнеупорным составом, но -5-
за счет выбора соответствующей толщины четвертой и пятой оболочек этой последующей стадии можно избежать и, соответственно, сократить расходы. Поскольку четвертая и пятая оболочки не обязательно должны охватывать головку по всей ее длине, можно избежать ненужных расходов, обусловленных излишней толщиной оболочек.
Зазор между четвертой и пятой полыми оболочками оставляет третью полую оболочку незащищенной на уровне второго металлического колпачка. Вследствие этого третья полая оболочка прогорает насквозь на уровне этого зазора во время предварительного измерения температуры в ванне расплавленного металла, и после извлечения фурмы часть третьей оболочки с первой измерительной головкой отламывается и впоследствии сгорает. За счет надлежащего выбора толщины третьей полой оболочки можно определить время, которое потребуется для ее полного сквозного прогорания. Это уже было достигнуто в устройстве предшествующего уровня техники путем определения глубины выточки. Однако согласно настоящей полезной модели точность определения оставшейся толщины значительно улучшена, и поэтому указанное время может быть установлено с большей точностью.
Согласно наиболее предпочтительному варианту осуществления настоящей полезной модели первая, вторая, третья, четвертая и пятая полые оболочки выполнены из картона.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления настоящей полезной модели вторая измерительная головка содержит:
- термочувствительный элемент и пробозаборную камеру;
- термочувствительный элемент, датчик термодинамической активности кислорода и пробозаборную камеру;
- датчик термодинамической активности кислорода и пробозаборную камеру, или
- датчик мгновенного определения содержания углерода методом термического анализа затвердевающей пробы металла, датчик термодинамической активности кислорода и пробозаборную камеру.
Следует отметить, что вход пробозаборной камеры может быть расположен в осевом направлении измерительной фурмы или в поперечном направлении.
-6-
Краткое описание фигур
Устройство согласно настоящему изобретению проиллюстрировано на прилагаемых чертежах:
На фиг. 1 показано поперечное сечение устройства для измерения температуры и взятия проб расплавленного металла (после предварительного измерения температуры в ванне расплавленного металла) предшествующего уровня техники согласно патенту RU-U1-34011;
На фиг. 2 показано поперечное сечение устройства для измерения температуры и взятия проб расплавленного металла (после предварительного измерения температуры в ванне расплавленного металла) согласно настоящей полезной модели; а
На фиг. 3 показано поперечное сечение устройства согласно настоящей полезной модели, которая предназначена для мгновенного определения содержания углерода методом термического анализа затвердевающей пробы металла, измерения термодинамической активности кислорода и взятия проб расплавленного металла (после предварительного измерения температуры в ванне расплавленного металла).
Подробное раскрытие настоящей полезной модели
Оба устройства по пп. 1 и 2 предназначены для одновременного измерения одного или нескольких физико-химических параметров и взятия пробы расплавленного металла после предварительного измерения температуры в ванне расплавленного металла. В обоих случаях описываемое устройство включает в себя следующие элементы:
- первую измерительную головку (10) с термочувствительным элементом (11), который защищен первым защитным колпачком (12), заключенную в первый корпус (13) из огнеупорного материала и окруженную первой полой оболочкой (14) из тугоплавкого материала (например, из многослойного картона);
- вторую измерительную головку (20) с термочувствительным элементом (21), который защищен вторым защитным колпачком (22), заключенную во второй корпус (23) из огнеупорного материала, который снабжен также пробозаборной камерой (25), и окруженную второй полой оболочкой (24) из тугоплавкого материала;
- третью полую оболочку (34) или (34′) из тугоплавкого материала, которая охватывает первую и вторую измерительные головки (10) и (20), последовательно -7-
расположенные и соединенные друг с другом.
В устройстве предшествующего уровня техники, проиллюстрированном на фиг. 1, третья полая оболочка (34) снабжена выточкой (35) на уровне второго металлического колпачка (22).
В устройстве согласно настоящей полезной модели, проиллюстрированном на фиг. 2, третья полая оболочка (34′) не снабжена такой сложной в изготовлении выточкой. Вместо этого третью полую оболочку (34′) последовательно охватывают четвертая и пятая полые оболочки (44) и (54) из тугоплавкого материала; при этом четвертая полая оболочка (44) расположена на уровне первой измерительной головки (10), пятая полая оболочка (54) расположена на уровне второй измерительной головки (20), а зазор между четвертой полой оболочкой (44) и пятой полой оболочкой (54) находится на уровне второго металлического колпачка (22).
В конкретном варианте осуществления, представленном на фиг. 1 и 2, шестая и седьмая полые оболочки (64) и (74) из тугоплавкого материала расположены последовательно между третьей полой оболочкой (34′) и, соответственно, первой и второй полыми оболочками (14) и (24). Седьмая полая оболочка (74) позволяет лучше удерживать измерительную головку (20) во время второго измерения.
По завершении предварительного измерения температуры производится корректировка характеристик расплавления жидкого металла, после чего устройство еще раз погружается в ванну с расплавленным металлом на 4-6 секунд; при этом нет необходимости в выполнении каких-либо дополнительных операций в промежуток между указанными стадиями. Выводы термопары защищены металлическим колпачком (22) при их прохождении через слой шлака. По мере того как устройство погружается в расплавленный металл, металлический колпачок (22), защищающий вход пробозаборной камеры (25) и датчик термопары (21), постепенно расплавляется. Расплавленный металл под ферростатическим давлением поступает в пробозаборную камеру (25) и заполняет ее. Воздух вытесняется из пробозаборной камеры (25) через выточку или вентиляционное отверстие. Термопара (21) определяет температуру в ванне расплавленного металла для подтверждения точности скорректированных характеристик расплавления.
На фиг. 3 представлено устройство согласно еще одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, которое также предназначено для одновременного измерения одного или нескольких физико-химических параметров и взятия пробы расплава после предварительного измерения температуры в ванне -8-
расплавленного металла. Это устройство содержит следующие элементы:
- первую измерительную головку (10) с термочувствительным элементом (11), которая защищена первым защитным колпачком (12), заключенную в первый корпус (13) из огнеупорного материала и окруженную первой полой оболочкой (14) из тугоплавкого материала (например, из многослойного картона);
- вторую измерительную головку (20′) с датчиком (26) измерения термодинамической активности кислорода, который защищен вторым защитным колпачком (22), заключенную во второй корпус (23) из огнеупорного материала, который также снабжен пробозаборной камерой (25), и окруженную второй полой оболочкой (24) из тугоплавкого материала, а также снабженную датчиком (27) мгновенного определения содержания углерода методом термического анализа затвердевающей пробы металла. Как можно видеть на фиг. 3, на которой проиллюстрирован один из конкретных вариантов реализации настоящего изобретения, общий вход (28) пробозаборной камеры (25) и датчика (27) для определения содержания углерода идет в направлении, перпендикулярном продольной оси фурмы. Следует отметить, что общий вход может быть также расположен на кончике измерительной головки (20′) вблизи нижнего конца датчика (26) для измерения термодинамической активности кислорода;
- третью полую оболочку (34′) из тугоплавкого материала, охватывающую первую и вторую измерительные головки (10) и (20′), последовательно расположенные и соединенные друг с другом;
- четвертую и пятую полые оболочки (44) и (54) из тугоплавкого материала, последовательно охватывающие третью полую оболочку (34′); при этом четвертая полая оболочка (44) расположена на уровне первой измерительной головки (10), пятая полая оболочка (54) расположена на уровне второй измерительной головки (20), а зазор (45) находится между четвертой и пятой полыми оболочками(44) и (54) на уровне второго металлического колпачка (22);
- шестую и седьмую полые оболочки (64) и (74) из тугоплавкого материала, расположенные последовательно между третьей полой оболочкой (34′) и, соответственно, первой полой оболочкой (14) и второй полой оболочкой (24). Седьмая полая оболочка (74) позволяет лучше удерживать измерительную головку (20′) во время второго измерения.
При этом устройстве согласно настоящей полезной модели толщина третьей полой оболочки (34′) меньше толщины первой, второй, четвертой и пятой оболочек -9-
(14), (24), (44) и (54).
Таким образом, устройство согласно настоящей полезной модели позволяет выполнять предварительное измерение температуры в ванне расплавленного металла с целью последующей корректировки характеристик расплавления. Кроме того, взятие проб и измерение температуры расплавленного металла может производиться без необходимости выполнения каких-либо дополнительных операций.