ПЕРЕНОСНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ПРОБЫ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА

Полезная модель относится к металлургии, в частности к переносным устройствам для отбора пробы жидкого металла преимущественно из алюминиевых сплавов.
Известно переносное устройство для отбора пробы жидкого металла, состоящее из корпуса, штанги для погружения и крышки, выполненной из медного листа, корпус изготовлен из двух плоских прямоугольных медных пластин, скрепленных между собой болтами, по разъему пластин корпус имеет сквозное отверстие, соосно с которым выполнена пробоотборная камера в виде клинообразной щелевидной полости, при этом с одного конца сквозного отверстия установлена кварцевая трубка для прохождения жидкого металла к пробоотборной камере, с другого сквозное отверстие соединено со штангой, выполненной в виде полой трубы для отвода газов, а крышка выполнена в виде защитного колпачка и надета на кварцевую трубку. (Патент на полезную модель №120772 РФ, МПК G01N 1/10, G01N 33/20. Устройство для отбора пробы жидкого металла / B.C. Гуляков, А.С. Вусихис (РФ) - №2012117936/05, заявл. 28.04.2012; 27.09.2012 Бюл. №27).
Однако в данном устройстве огнеупорное теплозащитное покрытие корпуса не обеспечивает минимизации теплового воздействия на него жидкого металла, в который погружается устройство и не способствует достижению необходимой скорости охлаждения металла пробы для определения содержания водорода в расплаве. При этом скорость охлаждения всех объемов пробы практически одинаковая, что не обеспечивает представительности пробы, чтобы оценить влияние скорости охлаждения расплава на концентрацию водорода в металле после его кристаллизации.
Недостатком известного устройства является низкое качество пробы и невысокие эксплуатационные характеристики вследствие наличия подвижных элементов. При многократном использовании данного устройства будет происходить образование настылей на внутренней поверхности пробозаборной камеры, что значительно затруднит вертикальное перемещение поршня при заборе расплава. Недостатком известного устройства также является то, что его конструкционные особенности препятствует выходу воздуха из пробозаборной камеры во время забора пробы, что существенно снижает точность измерений при определении содержания в ней водорода. Кроме того, во время перелива расплава в специальные тигли стационарных исследовательских комплексов в пробозаборной камере всегда будет оставаться какое-то количество расплава, которое в виде настылей будет присутствовать и нарастать при каждом последующем заборе пробы. Все это будет приводить к трансформации качественных характеристик проб расплава.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков, по технической сущности и достигаемому результату является переносное устройство для отбора пробы жидкого металла, содержащее штангу для погружения, теплоизолированный разборный корпус пробозаборной камеры в виде трубы, у которой с одного конца соосно установлена металлоприемная трубка для прохождения жидкого металла к пробозаборной камере с защитной крышкой, а с другой стороны трубы соосно расположен трубопровод для отвода воздуха. Штанга снабжена фиксатором, удерживающим ее в отверстиях, расположенных на самой штанге, кроме того устройство снабжено опорной плитой, снабженной пазами для удержания пробозаборной камеры и штанги, в момент отбора пробы, а металлоприемная трубка снабжена в верхней части уплотнительным кольцом, а в нижней части имеет отверстия для ввода расплава, при этом, высота трубки должна превышать уровень расплава в пробозаборной камере (Патент на полезную модель №174042 Российская Федерация, МПК G01N 1/10. Устройство для отбора пробы жидкого металла / С.В. Беляев, В.Ф. Фролов, Б.П. Куликов [и др.] - №2017114262, заявл. 24.04.2017; опубл. 27.09.2017, Бюл. №27).
Недостатком известного устройства является невысокие эксплуатационные характеристики вследствие наличия подвижных элементов. Поэтому при многократном использовании данного устройства будет происходить образование настылей на поверхности подвижных деталях, контактирующих с расплавом металла, что значительно затруднит их эксплуатацию. Кроме того, данное устройство предназначено для отбора пробы из расплава для последующего перелива в специальные тигли стационарных исследовательских комплексов и не позволяет сразу получать готовые пробы для определения концентрации водорода в металле и не обеспечивает представительность пробы для оценки влияния скорости охлаждения расплава на концентрацию водорода в металле после его кристаллизации.
H
В работе (Прудников, А.Н. Структурно-технологические основы разработки прецизионных силуминов с регламентированным содержанием водорода: Автореферат дисс. на соискание учен. степ. д-ра. техн. наук. - Новосибирск.: НГТУ, 2013. - 40 с.) выявлены закономерности влияния условий кристаллизации на содержание водорода и на формирование структуры слитков. Показано, что концентрация водорода в слитке K в первом приближении линейно зависит от скорости его кристаллизации:
H
KP
Hi
KPi
где A=ΔK/Δν и В=K - Aν - эмпирические коэффициенты для исследуемого алюминиевого сплава;
H
H1
H2
KP
KP1
KP2
ΔK=K-K; и Δν=ν-ν;
KP
индексы «1» и»2» относятся к различным объемам пробы, отличающимся друг от друга скоростями кристаллизации. Поэтому создавая сразу в одном пробоотборнике различные условия кристаллизации для получаемой пробы по высоте, можно будет определить эмпирические коэффициенты в уравнении (1). В дальнейшем, зная, как изменяется скорость кристаллизации ν в объеме слитка, с помощью уравнения (1) можно будет оперативно
определять изменение концентрацию водорода и газовую пористость в отливаемом слитке из исследуемого алюминиевого сплава.
Основной задачей полезной модели является повышение качества отобранных из расплава проб, обеспечивающих представительность пробы, для оперативной оценки влияния скорости охлаждения расплава на концентрацию водорода в металле после его кристаллизации.
Для достижения поставленной задачи переносное устройство для отбора пробы жидкого металла, содержащее опорную плиту для удержания корпуса в момент отбора проб с размещенной внутри него пробозаборной камерой, расположенной внутри трубы, соединенной снизу каналом для прохождения расплава, а сверху герметичной крышкой с отверстием соединенной с полой штангой для отвода газов с вентилем, согласно техническому решению пробозаборная камера выполнена с неравномерной по высоте толщиной стенки, у которой снизу установлена опорная втулка с входным отверстием для расплава, а сверху - защитная крышка с каналами для отвода воздуха, при этом корпус имеет на дне отверстие не больше, чем наружный диаметр опорной втулки и не меньше, чем диаметр канала для прохождения расплава к пробоотборной камере; а внутри корпуса между герметичной крышкой и защитной крышкой расположена втулка для прижима пробозаборной камеры ко дну разборного корпуса. При этом наружные диаметры защитной крышки и опорной втулки больше наружного диаметра разъемной трубы пробозаборной камеры.
В предлагаемом устройстве за счет различной толщины стенки в пробозаборной камере и материала опорной втулки можно создать различную скорость кристаллизации по длине получаемой пробы, которая соответствует условиям кристаллизации в объеме получаемого слитка, и этим самым оперативно установить влияния скорости охлаждения расплава на концентрацию водорода в металле после кристаллизации данного слитка за один пробоотбор.
Кроме того, после использования предлагаемого устройства получается проба в виде цилиндра с правильной геометрией и с отсутствием внешних и внутренних дефектов (пор, раковины, трещины и т.п.), что позволяет ее сразу проанализировать без дополнительной механической обработки, что существенно снижает трудозатраты и время на подготовку пробы.
Далее внешняя стенка трубы пробозаборной камеры не контактирует с внутренней стенкой корпуса, а контактируют только внешние стенки защитной крышки и опорной втулки, внутри которых расположена труба, поэтому проба остается в сравнительно хорошо защищенной среде, и существенно снижается тепловое воздействие на нее жидкого металла, в который погружается предлагаемое устройство и способствует достижению необходимых условий охлаждения металла пробы, т.е. повышается точность результатов исследования.
Следует отметить, что отсутствие подвижных деталей в предлагаемом устройстве повышает надежность устройства в работе.
Таким образом, отличительные признаки заявляемого устройства позволяют существенно повысить качество и представительность получаемых проб.
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, заявляемое решение соответствует критерию «новизна».
Таким образом, между отличительными признаками и решаемой задачей существует следующая причинно-следственная связь. Выполнение предлагаемого переносного устройства для отбора пробы жидкого металла, имеющего указанную выше совокупность конструктивных особенностей заявляемого устройства по сравнению с прототипом, характеризующиеся отличительными признаками, позволяет повысить качество отобранных из расплава проб, обеспечивающих точный анализ и повышения эксплуатационных характеристик устройства.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами.
На фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства, а на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1.
Переносное устройство для отбора пробы жидкого металла снабжено опорной плитой 1 для удержания корпуса 2 на определенной высоте относительно дна металлотракта 3 помощью фланца 4 и болтов 20, закрепленного на поверхности разборного корпуса 2 с соосно размещенной внутри него пробозаборной камерой 5, расположенной внутри разъемной трубы 6, соединенной снизу каналом 7, с защитным колпачком 8 для прохождения расплава 9, а сверху герметичной крышкой 10 с отверстием 11 соосно соединенной с полой штангой 12 с вентилем 13, для отвода воздуха. Пробозаборная камера 5 выполнена в виде разъемной трубы 6 с неравномерной по высоте толщиной стенки, у которой снизу соосно установлена опорная втулка 14, соединенная с каналом 7 для расплава 9, а сверху - защитная крышка 15 с каналами для отвода воздуха 16, при этом на дне корпуса 2 выполнено отверстие 17, не больше, чем наружный диаметр опорной втулки 14 и не меньше, чем диаметр канала 7 для прохождения расплава 9 к пробоотборной камере 5; а внутри корпуса 2 между герметичной крышкой 10 и защитной крышкой 15 расположена втулка 18 для прижима пробозаборной камеры 5 ко дну разборного корпуса 2.
Предлагаемое переносное устройство для отбора пробы жидкого металла 9 работает следующим образом. Перед началом работы собирают пробоотборник. Для этого соединяют половинки разъемной трубы 6 с помощью хомута 19, а затем разъемную трубу 6 вставляют в опорную муфту 14, а сверху накладывают защитную крышку 15 с каналами для отвода воздуха 16. Далее на дно разборного корпуса 2 помещают защитный колпачок 8, на который устанавливают собранную конструкцию пробозаборной камеры 5. Затем на защитную крышку 15 помещают прижимную втулку 18, а разборный корпус 2 закрывают герметичной крышкой 10 с отверстием 11 соосно соединенной с полой штангой 12 для отвода газов с вентилем 13, который находится в положение «закрыто».
Соединение герметичной крышки 10 с разборным корпусом 2 может быть выполнено в виде соединения-защелки или в виде байонетной муфты или в виде резьбового соединения, чтобы обеспечить простое и герметичное присоединение.
Затем на поверхности разборного корпуса 2 на нужной высоте закрепляют фланец 4 и болты 20. Далее собранное переносное устройство перед забором проб необходимо прогреть до температуры не менее 100°С, чтобы удалить всю влагу, которая может существенно повлиять на точность результатов исследования. После нагрева предлагаемое устройство готово к работе.
Перед непосредственным отбором проб на металлотракт 3 с расплавом 9 устанавливают собранное переносное устройство опорную плиту 1 (обычно рядом с входом в кристаллизатор).
Глубина погружения разборного корпуса 2 в металлотракт 3 должна быть такой, чтобы уровень расплава 9 в металлотракте 3 был больше высоты положения поверхности защитной крышки 15 на Δр≥50 мм для создания необходимого металлостатического давления расплава для полного заполнения пробозаборной камеры 5.
После погружения предлагаемого устройства на требуемую глубину в расплав 9 открывают вентиль 13 на 8÷10 секунд. За это время расплав 9 расплавляет защитный колпачок 8 и происходит заполнение полости пробозаборной камеры 5, вытесняя воздух через каналы для отвода воздуха 16 в защитной крышке 15 и далее через полую штангу 12 для отвода воздуха с открытым вентилем 13. Затем вентиль перекрывают, и предлагаемое устройство извлекают из опорной плиты 1 и помещают в холодильник (на чертеже не показан) для охлаждения до комнатной температуры. Далее предлагаемое устройство разбирают в обратном порядке, и достают проботборник, который отдают сразу для проведения исследований.
Следует отметить, что данные операции с использованием предлагаемого устройства по мере необходимости многократно повторяются.
Пример. Для сравнения качества отобранных из расплава проб, с использованием предлагаемого устройство и известного (штатного) пробоотборника в виде специального ковша производили отбор на одном из предприятий ОК «РУСАЛ» во время плавки сплава 1ХХХ серии. Отливались слитки размером 600×1750×4700 мм общей массой 45 тонн. Приготовление и литье слитка производилось с обязательным применением дегазационных установок SNIF; фильтрация производилась через трубчатый металлофильтр PTF (Mitsui) и пенокерамический фильтр ПКФ. Отливка слитка осуществлялась через распределитель металла Combo-Bag, модифицирование производилось прутковой лигатурой Al-Ti-B после выходного портала PTF (Mitsui) из расчета 1÷2 кг/т. Во время подачи расплава по металлотракту из миксера до литейной машины в различных местах производился отбор проб для анализа содержание водорода в расплаве с использованием предлагаемого устройства и штатного пробоотборника
Содержание водорода в расплаве определяли с помощью стационарного ис следовательского комплекса для анализа водорода АВ-1. После перелива расплава из известного пробоотборника в кокиль Рэнсли получали отливку, из которой получали затем с помощью механической обработки образцы для дальнейших исследований. При этом большую роль на точность измерений перелива расплава играла окружающая среда, особенно влажность воздуха. Поэтому разброс получаемых значений содержания водорода составлял 0,12±0,5 мл/100 г (до 40%). Для того чтобы определить влияние скорости кристаллизации на содержание водорода с использованием «штатной» методике исследования потребовалось большое количество проб, а точность результатов оставляла желать лучшего. Из одной пробы, полученной с помощью предлагаемого устройства, вырезали три образца в соответствии с характерными объемами пробы по скорости охлаждения и получали следующие значения 0,07; 0,09 и 0,11 мл/100 г соответствующие содержанию водорода с краю, середины и центра слитка, При этом разброс получаемых значений составил не более ±0,1 мл/100 г (менее 12%).
Следует отметить, что разборный корпус, фланец, герметичную крышку, прижимную втулку и полую штангу изготавливали из нержавеющей стали; опорную плиту - из углеродистой стали; разъемную трубу - из меди; опорную втулку и защитную крышку (одноразовые изделия) - из огнеупорной керамики; защитный колпачок - из алюминиевой фольги.
На «штатном» ковше постоянно образовывались настыли, которые необходимо было убирать после каждого пробоотбора. При эксплуатации предлагаемого устройства каких-либо недостатков не было выявлено.
Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с известными позволяет повысить качество и представительность отобранных из расплава проб, обеспечивающих точный анализ влияния скорости охлаждения расплава на концентрацию водорода в металле после кристаллизации данного слитка за один пробоотбор.