Погружной спектральный зонд

Полезная модель погружного спектрального зонда относится к измерительной технике в области металлургии и может быть использована для прямого спектрального анализа химического состава расплавленных черных и цветных металлов непосредственно в плавильных агрегатах.
Известно устройство [1] для спектрального анализа химического состава расплавленных металлов, где электрический разряд образуется в погружном зонде с помощью электрода на поверхности жидкого металла.  При этом, заданный аналитический зазор между концом электрода и поверхностью жидкого металла поддерживается с помощью регулировки давления инертного газа, который подаётся по трубе жезла манипулятора в погружной зонд. Управляющий сигнал на систему регулировки давления газа поступает от двух металлических контактных датчиков, расположенных в зонде и погружаемых непосредственно в жидкий металл вблизи его поверхности. Однако, такой способ измерения уровня жидкого металла не обеспечивает точного поддержания межэлектродного расстояния, поскольку датчики расположены на некотором расстоянии друг от друга по вертикали. При погружении зонда в расплав металла, жидкий металл замыкает электрическую цепь этих датчиков и по этому сигналу включается искровой генератор спектрометра. Но после замыкания цепи этих датчиков система уже не знает, где находится уровень металла. И надо увеличивать давление инертного газа, чтобы снова разорвать эту цепь и вернуть уровень металла в зону между датчиками. Это и обусловливает некоторую неопределённость положения конца электрода относительно поверхности жидкого металла и неточность поддержания аналитического зазора в зависимости от расстояния между датчиками. Такие колебания межэлектродного зазора ведут к значительному разбросу результатов спектрального анализа химического состава металла и неточности его измерения. Кроме того, такая система поддержания зазора очень громоздкая, сложная и трудно выполнимая на практике
Известно устройство для спектрального анализа, описанное в патенте [2]. Однако и здесь для поддержания заданного межэлектродного расстояния в аналитическом зазоре необходимо использовать отдельный датчик уровня жидкого металла, а также требуется громоздкая система механических приводов для опускания зонда в расплавленный металл на заданную глубину.
Известны также устройства для спектрального анализа расплавленного металла, описанные в патенте [3]. Однако в этих устройствах не показано, как поддерживается заданный аналитический зазор между электродом и жидким металлом, а также не понятно, как происходит продувка искровой камеры инертным газом и куда выходит отработанный газ.
Известно устройство для спектрального анализа химического состава расплавленных металлов, описанное в патенте [4]. В этом устройстве аналитический зазор между электродом и поверхностью жидкого металла в погружном зонде поддерживается автоматически на уровне бокового отверстия в искровой камере зонда за счёт уравнивания давления подающегося в зонд инертного газа и гидростатического давления затекшего в него жидкого металла. Это устройство является наиболее близким к заявляемому техническому решению по ряду существенных признаков и принято за прототип.
Однако, в данном изобретении показан только принцип действия устройства погружного спектрального зонда.  В патенте не рассматривается реальная конструкция сменного погружного зонда, которая обеспечивает возможность его быстрой замены в процессе эксплуатации, не показана конструкция оптического устройства, устройства для подключения электродов к проводам искрового генератора спектрометра и способ герметизации его газовой системы.
Целью разработки настоящей полезной модели являются технические решения по конструкции погружного зонда для спектрального анализа расплавленных металлов, позволяющие обеспечить его промышленную применимость для использования в металлургической отрасли при выплавке различных металлов.
В общем виде конструкция погружного зонда выглядит так, как показано на Фиг. 1
На Фиг.2 показан чертеж погружного спектрального зонда, в состав которого входят следующие элементы:
- Кварцевая колба 1, имеющая не менее двух отверстий 2,3, которые вырезаны в её стенке и расположены на разных расстояниях по длине колбы;
- Металлическая втулка 4, герметично и соосно состыкованная с кварцевой колбой 1;
- Уплотнительное кольцо 8 из резины, установленное на конце металлической втулки 4;
- Внутренний электрод 5, выполненный из тугоплавкого металла (вольфрама, молибдена);
- Внешний электрод 6, выполненный из электропроводного тугоплавкого материала (вольфрама, молибдена или графита);
- Корпус 7 головки зонда, выполненный из огнеупорного материала (керамики или спечённой песчаной плакированной смеси);
- Контактные металлические (медные, стальные) электроды 9;
- Защитная картонная трубка 10;
- Безбрызговый чехол для картонной трубки 11;
- Стальной (алюминиевый) шлакозащитный колпачок на кварцевую колбу (здесь не показан).
Термическая защита погружного зонда от воздействия расплавленного металла обеспечивается с помощью использования огнеупорных материалов для его изготовления. В частности, для изготовления корпуса 7 головки зонда возможно использование огнеупорной керамики или песчано-смоляной плакированной смеси, которая запекается в специальной форме.
Колба 1 пробозаборника зонда изготавливается из кварцевого стекла, который не боится термоударов и кратковременно выдерживает температуру до 1800°С. Длина, диаметр и толщина стенки колбы может выбираться в зависимости от производственных задач контроля. Например длина колбы может быть порядка 20…100 мм, а диаметр 7…20 мм с толщиной стенки 1…2мм.
Для обеспечения функционирования спектрального зонда в стенке кварцевой колбы вырезаны не менее двух отверстий, расположенных на разных уровнях.
На Фиг.2 отверстие 2 (верхнее) предназначено для выпуска отработанных инертных газов из колбы зонда непосредственно в среду жидкого металла в виде пузырьков. Его расположение на стенке колбы определяет величину аналитического зазора между электродом и поверхностью жидкого металла в колбе. Как правило, в оптико-эмиссионных спектрометрах аналитический зазор (межэлектродный промежуток) находится в пределах от 3 до 8 мм. Для обеспечения заданного аналитического зазора в данном спектральном зонде необходимо рассчитывать расстояние от нижнего края выпускного отверстия до проекции конца внутреннего электрода зонда на стенку колбы в зависимости от угла наклона зонда к поверхности жидкого металла и диаметра колбы. В качестве примера на Фиг.3 показаны варианты расположения выходного газового отверстия в стенке кварцевой колбы погружного спектрального зонда в зависимости от угла его наклона к поверхности жидкого металла для обеспечения межэлектродного аналитического зазора 5 мм.
Размеры (площадь сечения) выходного газового отверстия выбираются в соответствие с установленным расходом инертного газа для продувки искровой камеры зонда. При этом давление и расход подаваемого газа не должны превышать пропускную способность данного отверстия. В противном случае, вследствие увеличения давления поступающего инертного газа, уровень металла может уйти ниже отверстия и аналитический зазор увеличится.
На Фиг.2 отверстие 1 (нижнее) предназначено для затекания расплавленного металла в кварцевую колбу. Размер его площади сечения определяет скорость затекания жидкого металла. При малой площади отверстия жидкий металл будет затекать в колбу медленно, в зависимости от его вязкости и глубины погружения, в течение нескольких секунд. Это увеличивает время пребывания зонда в расплаве металла и может привести к его прогоранию. При большой площади отверстия скорость затекания металла увеличивается. Но это может привести к заплёскиванию внутреннего электрода жидким металлом вследствие гидравлического удара. Поэтому площадь входного заливного отверстия должна быть выбрана оптимальной. Обычно достаточно 1…2 сек для спокойного заполнения кварцевой колбы зонда жидким металлом при погружении его в ковш плавильного агрегата с расплавленным металлом.
Кварцевая колба 1 герметично и соосно соединяется с металлической втулкой 4, образуя оптический канал передачи света от плазменного факела в аналитическом зазоре на вход оптической системы спектрометра. К внутренней стенке металлической втулки 4 присоединяется внутренний электрод 5, который обеспечивает возбуждение плазменных разрядов в аналитическом промежутке над поверхностью жидкого металла, затёкшего в кварцевую колбу.
Внутренний электрод 5 погружного зонда изготовлен из тугоплавкого металла (вольфрама или молибдена). Выбор диаметра электрода обусловлен двумя факторами. С одной стороны, для уменьшения сопротивления току источника возбуждения спектра в процессе обыскривания пробы диаметр (сечение) электрода должен быть большим. А, с другой стороны, для уменьшения области затенения электродом зоны образования плазмы в аналитическом зазоре искровой камеры погружного зонда диаметр электрода должен быть малым. Поэтому, на практике диаметр электрода может выбираться в пределах 1…2 мм, поскольку диаметр пятна обыскривания поверхности пробы, например, при аналитическом зазоре 5 мм может быть в пределах 5…7 мм.
Внешний электрод 6 изготовливается из тугоплавкого электропроводного материала, который не плавится в исследуемом жидком металле при его температуре. В частности, для контроля химического состава расплава стали или чугуна с температурой более 1600°С в качестве внешнего электрода возможно использование стержней из вольфрама, молибдена или графита.
Герметичность сочленения металлической втулки со штуцером контактного блока жезла, из которого в колбу зонда под давлением подаётся инертный газ, обеспечивается путём установки на внешний конец металлической втулки 4 уплотнительного резинового (силиконового) кольца 8.
Для соединения внутреннего и внешнего электродов погружного зонда с искровым генератором спектрометра используются металлические (медные) контактные электроды (стержни) 9. Конец первого контактного электрода соединяется снаружи с корпусом металлической втулки и, через неё, с внутренним электродом 5 погружного зонда. А второй контактный электрод соединяется с внешним электродом 6. Другими концами данные электроды подключаются к металлическим контактным площадкам контактного блока жезла при надевании на него погружного зонда.
В качестве защитного корпуса погружного зонда обычно используется картонная трубка10 необходимой длины и с толщиной стенки в зависимости от производственных задач контроля. Скорость сгорания многослойного картона трубки зависит от температуры расплава металла. В частности, наружная поверхность картонной трубки при погружении в расплавленный металл с температурой около 1600°С постепенно сгорает со скоростью примерно 0,5 мм/сек. А со стороны внутренней поверхности трубки температура остаётся неизменной. Таким образом, обеспечивается термическая защита погружного зонда и жезла при нахождении их в расплаве стали в течение времени (нескольких секунд) проведения спектрального анализа жидкого металла.
При погружении зонда в расплав, происходит разбрызгивание металла вследствие интенсивного выделения газов при сгорании картонной трубки. Для предотвращения возникновения брызг жидкого металла при сгорании погруженной в расплав металла картонной трубки на неё может надеваться специальный безбрызговый чехол 9 из песчаной спечённой плакированной смеси или огнеупорного волокна.
Таким образом, данные технические решения по конструкции погружного спектрального зонда для анализа химического состава жидких металлов позволяют реализовать его на практике и обеспечить «промышленную применимость» данного устройства.
Данный погружной спектральный зонд работает следующим образом.
Перед началом контроля расплавленного металла погружной зонд плотно надевают на контактный блок жезла. При этом необходимо соблюдать ориентацию зонда так, чтобы выходное газовое отверстие в кварцевой колбе было направлено в верхнюю полусферу. После надевания зонда на жезл включается продувка всего устройства инертным газом.
Надетый на жезл погружной зонд опускают в плавильный агрегат с расплавом металла на заданную глубину под заданным углом наклона зонда к поверхности металла.
По истечение времени расплавления шлакозащитного металлического колпачка и заполнения кварцевой колбы зонда жидким металлом включается в работу искровой генератор спектрометра и производится спектральный анализ затёкшей в пробозаборник жидкой пробы металла. Время экспозиции и режимы обыскривания пробы металла определяются параметрами спектрометра, установленными в аналитической методике измерений химического состава данного металла.
По истечении времени экспозиции погружной зонд вынимают из расплава металла, снимают с жезла и утилизируют. Результаты спектрального анализа химического состава расплавленного металла регистрируются на экране компьютера спектрометра.
Таким образом, данная конструкция погружного спектрального зонда позволяет производить прямой спектральный анализ химического состава расплавленных металлов непосредственно в плавильных агрегатах с обеспечением необходимой точности и сходимости результатов за счёт постоянства аналитического зазора между концом внутреннего электрода и поверхностью жидкого металла, затёкшего в кварцевую колбу.
В отличие от аналогов, где требуется специальные датчики для измерения уровня металла и регулировка давления газа при изменении глубины погружения зонда, в данном спектральном зонде заданный уровень металла в кварцевой колбе поддерживается автоматически на уровне выходного отверстия за счёт уравновешивания статического давления жидкого металла динамическим давлением инертного газа и не зависит от глубины погружения зонда в расплав металла.
Источники информации:
1. US 3645628 A, (BOJIC MILAN ET AL) 29.02.1972.
2. JPS 5981540 A, (NIPPON STEEL CORP) 11.05.1984.
3. EP 0143759 A2, (KUMBRANT LARS) 05.06.1985.
4. RU 2664485 C1, 17.08.2018.