СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА РАСПЛАВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
DEVICE FOR CHEMICAL ANALYSIS OF MOLTEN MASS AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области измерения химического состава расплавов, в частности расплавов черных и цветных металлов, и может использоваться в металлургических цехах для текущего контроля технологического процесса.
Уровень техники
Известен способ спектрального анализа элементов металлического расплава в плавильном резервуаре [1], 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. 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 погружном 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.
Кроме того, жидкую пробу формируют, используя капиллярный эффект трубки определенного диаметра. Согласно способу формирование жидкой пробы происходит одновременно в огнеупорной трубке и в стандартном пробоотборнике. Воздействие на пробу источника возбуждения плазмы происходит или в период затвердевания поверхности жидкой пробы, или в период затекания металла в огнеупорную трубку и/или в огнеупорную втулку, или в период вытекания металла из огнеупорной трубки, или при уже сформированной затвердевшей поверхности жидкой пробы, или в процессе извлечения зонда из расплава при уже сформированной, затвердевшей поверхности жидкой пробы.
Подачу во внутреннее пространство погружного блока инертного газа осуществляют как в случае ферростатического давления расплава, так и в случае вакуумирования расплава в резервуаре, поддерживая необходимый уровень жидкой пробы.
Устройство для анализа элементов металлического расплава в плавильном резервуаре содержит зонд для размещения в нем системы линз, зеркала и световодов, выполненный в виде трубы, снабженной погружным блоком и установленной с возможностью совместных вертикальных перемещений относительно поверхности расплава, неподвижную часть для размещения в ней лазера, спектрометров и компьютера и соединенную с зондом системой гибких световодов, систему линз для направления света, излученного плазмой через линзы-объективы, привод для вертикальных перемещений зонда и погружной блок, содержащий 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, линзу для фокусирования лазерного луча в центре мениска расплавленного металла, заполнившего огнеупорную трубку, с постоянном фокусным расстоянием независимо от глубины погружения погружного блока в расплав, кожух, соединенный с зондом и приводом, предназначенным для его вертикальных перемещений, огнеупорную втулку с расширенной частью для заполнения расплавленным металлом без огнеупорной трубки, огнеупорную втулку с одним центральным отверстием для заполнения расплавленным металлом без огнеупорной трубки, огнеупорную втулку с двумя отверстиями, одно из которых предназначено для установки стандартного пробоотборника, а другое - для установки огнеупорной трубки, комбинацию огнеупорной втулки с расширенным сверху отверстием и огнеупорной трубки, защитный колпачок. Неподвижная часть зонда отделена от погружного блока кварцевым стеклом, через которое плазменный луч выводится на линзы-объективы. Устройство 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.
Известный аналог обладает следующими недостатками:
- для получения точного результата химического анализа необходимо усреднение большого числа спектров, что приводит к увеличению времени измерений, поскольку частота лазера ограничена;
- световоды пропускают относительно узкий спектральный диапазон, что препятствует детектированию некоторых чувствительных спектральных линий и снижает точность химического анализа;
- погружной блок, способный длительное время выдерживать температуру расплава, сложен в изготовлении.
Известные из патентов США [3, 4] способы, основанные на измерении эмиссионного спектра расплава, возбуждаемом лазерным излучением, включают подведение лазерного луча и получение анализируемого излучения через отверстие в боковой или нижней стенке емкости с расплавом. При этом расплав удерживается от вытекания через отверстие путем подачи через это отверстие аргона. Эти способы обладают следующими недостатками:
- низкая точность анализа вследствие нестабильности плазмы, возникающей из-за турбулентности на границе аргон-расплав;
- низкая надежность системы, поскольку незначительные повреждения огнеупорной стенки способны вывести ее из строя и привести к прорыву расплавленного металла из емкости;
- уменьшение маневренности емкости с расплавом и усложнение ее ремонта;
- высокий расход аргона.
Известен другой измерительный зонд для погружения в расплав металла [2], содержащий фурму, механизм опускания фурмы в емкость с расплавом металла, например в конвертер, и устройства для отбора проб и измерения температуры расплава, отличающийся тем, что фурма выполнена в виде трех, концентрически расположенных относительно друг друга труб с образованием двух каналов между стенками для подачи охлаждающих сред, например воды и газообразного азота, для охлаждения измерительных кабелей, пропущенных через центральный канал фурмы, верхний конец фурмы снабжен оголовком с отверстиями для подачи охлаждающих сред, в центральную трубу фурмы установлен металлический стержень в виде жезла, герметично состыкованного с центральной трубой, состоящего из головки жезла с установленными на нем контактодержателем и датчиком уровня расплава в конвертере, средней части в виде полой трубы и хвостовой части в виде втулки с резьбой для соединения с фурмой, и узла установки электрических разъемов для подключения измерительных кабелей, пропущенных внутри центральной трубы, тело фурмы установлено в хвостовую часть жезла таким образом, что образуется кольцевой зазор по всей длине жезла, наружная поверхность втулки хвостовой части жезла снабжена ребрами, предназначенные для укрепления на жезле одноразового погружного блока, выполненного, например, в виде картонной трубки, содержащего датчик температуры и пробоотборник для отбора пробы расплавленного металла и разъем для соединения с контактодержателем жезла, датчик уровня расплава металла выполнен в виде катушки индуктивности, намотанной на стальную втулку, установленную на головке жезла, фурма свободно подвешена над конвертером при помощи полиспастной системы, снабжена механизмом перезарядки в виде манипуляторов для стыковки погружных блоков с жезлом при помощи контактодержателя и приема отработанных блоков, магазином для хранения погружных блоков и передачи их в манипулятор для стыковки погружных блоков с жезлом, пневматической системой отстрела отработанных погружных блоков, успокоителем для гашения колебаний фурмы после извлечения из расплава металла, устройством для удаления шлака с поверхности фурмы, механизмом отвода фурмы и механизмом перемещения отработанных погружных блоков.
Определение химического состава расплава известным зондом осуществляется следующим образом.
При помощи манипулятора на жезл заряжается погружной блок. Фурма с жезлом опускаются в емкость с расплавом так, чтобы погружной блок вошел на определенную глубину в металл сквозь слой шлака. Расплав металла затекает в пробоотборник и затвердевает, образуя пробу. Фурму с жезлом и погружным блоком поднимают на исходную высоту. Производят пневматический отстрел погружного блока, который падает в воронку манипулятора и передается оператору. Оператор разрушает погружной блок, извлекает пробу из пробоотборника, охлаждает ее, зачищает и передает на прибор химического анализа.
Известный зонд обладает следующими недостатками:
- разрушение погружного блока для извлечения пробы, ее охлаждение и передача на прибор химического анализа выполняются вручную, что увеличивает трудозатраты;
- разрушение погружного блока и передача пробы занимают некоторое время, что снижает в целом экспрессность анализа;
- проба перед передачей на прибор химического анализа должна быть зачищена от оксидной пленки и поверхностных загрязнений, что также снижает экспрессность анализа.
Известный из патента США [5] способ химического анализа расплава стали включает барботаж газа-носителя через расплав и определение концентрации примесей в газе-носителе. Основной недостаток этого способа заключается в невозможности определения нелетучих элементов или элементов, не образующих летучих соединений с газом-носителям; для стали определяемыми элементами являются только углерод, водород и азот.
В качестве прототипа выбрана заявка Японии №6-92965. Известное изобретение «Устройство для количественного анализа микропримесей в пробах металлов» содержит пробоотборник, который производит взятие проб путем всасывания дозированного количества металлического расплава внутрь контейнера, откачанного на вакуум; герметичную камеру, внутри которой размещается пробоотборник со взятой пробой; средство заполнения герметичной камеры инертным газом; средство разрушения контейнера пробоотборника; анализатор, который осуществляет количественный анализ микропримесей в образце. Устройство также содержит резак, который разрушает контейнер пробоотборника внутри герметичной камеры и наряду с этим разделяет образец на части необходимого размера; сепаратор для отделения образца от элементов разрушенного контейнера; трубку пневматической подачи, которая герметично соединяет между собой указанную герметичную камеру и анализатор с целью подачи образца.
Функционирование известного устройства осуществляется следующим образом. Погружной блок, содержащий пробоотборник, устанавливают на жезл. Жезл опускают, при этом погружной блок приводится в контакт с расплавом, после этого расплав затекает в пробоотборник. Из уровня техники известно, что при отборе пробы нераскисленного металла пробоотборник должен содержать раскислитель, например алюминиевую проволоку, для получения качественной пробы. Металл, затекающий в пробоотборник, растворяет раскислитель, который связывает содержащийся в металле кислород. Затекший в пробоотборник расплав остывает и затвердевает. Погружной блок извлекают из емкости с расплавом, причем извлечение может быть осуществлено не дожидаясь полного затвердевания пробы. После поднятия фурмы с погружным блоком, специальное устройство удаляет жаропрочную оболочку, защищающую пробоотборник, и извлекает пробоотборник с пробой. Пробоотборник пересылают по пневмопочте в герметичную камеру, продуваемую аргоном, азотом или другой инертной газовой средой. Несмотря на прямое указание в заявке Японии на необходимость продувки камеры, в уровне техники известны другие способы предотвращения окисления и загрязнения пробы, например вакуумирование. В указанной камере производят разрушение пробоотборника с высвобождением пробы и урезание пробы до фиксированного размера. После этого пробу передают на прибор химического анализа.
Прототип обладает следующими недостатками:
- разрушение погружного блока для извлечения пробоотборника сложно выполнять в автоматическом режиме, учитывая, что сам пробоотборник должен оставаться неповрежденным, таким образом, надежность системы недостаточно высока;
- разрушение погружного блока занимает некоторое время, что снижает в целом экспрессность анализа;
- изъятие погружного блока из расплава и извлечение пробоотборника из погружного блока не могут осуществляться одновременно, что также снижает экспрессность анализа.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является повышение экспрессности (скорости) химического анализа расплава и повышение надежности измерительной системы.
Указанная цель достигается тем, что в способе проведения химического анализа расплава, включающем погружение одноразового погружного блока с пробоотборником в емкость с расплавом, последующее заполнение пробоотборника расплавом, отверждение затекшего расплава, изъятие погружного блока из емкости с расплавом, извлечение пробы или пробоотборника с пробой из погружного блока, высвобождение пробы из пробоотборника, предотвращение окисления и загрязнения высвобожденной пробы, пробу или пробоотборник с пробой извлекают через внутреннее пространство погружного блока. Таким образом, удается исключить процедуру разламывания огнеупорной оболочки, защищающей пробоотборник, которая отнимает время и снижает надежность функционирования системы. Дополнительное время можно сэкономить в случае, если пробу извлекают из погружного блока без пробоотборника, за счет экономии времени на дополнительных операциях по его снятию или разрушению. При этом высвобождение пробы из пробоотборника происходит до ее извлечения из погружного блока и может выполняться одним устройством (захватом) за одно движение. Мероприятия по предотвращению окисления и загрязнения пробы могут включать:
а) создание специального тракта, заполненного инертной атмосферой, внутри которого перемещается проба - аналогично описанному в прототипе;
б) то же что в пункте «а», но тракт вакуумируют;
в) обдув пробы инертным газом при ее перемещении вне тракта;
г) безокислительное охлаждение пробы (например, контактным способом) и использование очищенного и осушенного воздуха в пунктах «а» или «в»;
д) комбинация всех перечисленных пунктов «а»-«г».
Также ускорение работы системы достигается в случае, когда извлечение пробы или пробоотборника с пробой из погружного блока осуществляют во время изъятия погружного блока из емкости с расплавом, но после изъятия его из самого расплава. При этом происходит распараллеливание действий, что уменьшает время доставки пробы к прибору химического анализа. При отборе пробы нераскисленного металла необходимо добавлять раскислитель (например, алюминий или цирконий) в пробоотборник. В этом случае в изобретенном способе затекший в пробоотборник расплав металла раскисляют.
Предотвращение окисления и загрязнения пробы может включать, в частности, условие осуществления способа, при котором внутреннее пространство погружного блока заполнено инертной газовой средой. Некоторые приборы химического анализа не позволяют анализировать горячие пробы, точность других приборов значительно снижается, если проба в процессе анализа меняет свою температуру, остывая. Применяемое в таких случаях принудительное охлаждение водой или сжатым воздухом с последующей зачисткой окисленной поверхности неуместно, поскольку процедура зачистки отнимает время, а используемое для этого оборудование увеличивает сложность системы и снижает ее надежность. Задача может быть решена, если после высвобождения пробы из пробоотборника пробу охлаждают контактным способом или обдувом инертной газовой средой. В альтернативном варианте охлаждения до высвобождения пробы из пробоотборника пробоотборник с пробой охлаждают. Например, применяют воду (или водовоздушную смесь), предотвращая при этом попадание воды непосредственно на саму пробу (ее анализируемую поверхность). Для некоторых приборов химического анализа существует температура, ниже которой охлаждение пробы нецелесообразно. Например, спектральный эмиссионный искровой анализатор разогревает пробу электрическими разрядами, но (поскольку проба отдает тепло в окружающую среду) температура пробы повышается лишь до определенного значения. Назовем это значение «равновесной температурой спектрального анализа». В изобретенном способе дополнительное время можно сэкономить в случае, когда пробу охлаждают до равновесной температуры спектрального анализа либо несколько выше нее.
При взятии пробы металла, на поверхности которого находится шлак, надежность и повторяемость условий пробоотбора можно дополнительно повысить в случае, когда глубину погружения погружного блока с пробоотборником в расплав контролируют при помощи датчика уровня расплава металла. Погружной блок при этом может быть гарантированно погружен в металл, даже если толщина слоя шлака не известна. Приборы химического анализа известны из уровня техники. Таковыми могут быть, например, прибор рентгенофлуоресцентного спектрального анализа, прибор эмиссионного спектрального анализа или инфракрасный адсорбционный анализатор со сжиганием образца.
В устройстве для осуществления заявленного способа, содержащем погружной блок с пробоотборником, измерительный жезл, механизм подъема и опускания жезла, перезарядное устройство для смены погружных блоков, механизм извлечения пробы или пробоотборника с пробой из погружного блока, прибор химического анализа, устройство передачи пробы на прибор химического анализа, систему продувки инертной газовой средой, погружной блок содержит картонную гильзу, с нижнего конца к которой присоединен пробоотборник, причем погружной блок установлен так, что картонная гильза соосна жезлу, а пробоотборник установлен таким образом, чтобы обеспечивать возможность извлечения пробы или пробоотборника с пробой через внутреннее пространство погружного блока, кроме того, жезл выполнен полым, и механизм извлечения пробы или пробоотборника из погружного блока выполнен в виде захвата, установленного внутри жезла на штанге, на жезле установлен привод для перемещения штанги вдоль оси жезла, устройство также содержит механизм для высвобождения пробы из пробоотборника. Данное устройство обеспечивает осуществление заявленного способа как при извлечении одной пробы, так и пробы с пробоотборником, во втором случае механизм высвобождения остается незадействованным.
При отборе пробы нераскисленного металла устройство должно также содержать раскислитель в пробоотборнике.
В случае, когда используют принудительное охлаждение, устройство должно дополнительно содержать систему охлаждения пробоотборника с пробой и/или систему охлаждения пробы инертной газовой средой, и/или систему контактного охлаждения пробы.
В случае, когда анализируют металл, покрытый слоем шлака, устройство может дополнительно содержать датчик уровня расплава металла.
Технический результат заявленной группы изобретений включает:
- повышение экспрессности химанализа, т.к. отсутствует процедура разламывания огнеупорной оболочки, защищающей пробоотборник;
- повышение надежности и упрощение системы по той же причине;
- дополнительное повышение экспрессности достигается в частном случае, если пробу извлекают из погружного блока без пробоотборника, за счет экономии времени на дополнительных операциях по его снятию или разрушению; а также в частном случае, когда поднятие жезла с погружным блоком и извлечение пробы происходит одновременно, вместо последовательного в прототипе.
Перечень рисунков
1. Фиг.1 - общий вид спереди на устройство для проведения химического анализа расплава.
2. Фиг.2 - поперечный разрез А-А по погружному блоку.
3. Фиг.3 - место Б - вид на механизм передачи пробы к прибору химического анализа.
4. Фиг.4 - принципиальная схема работы устройства.
Осуществление изобретения
Ниже приведен пример, описывающий конкретную реализацию заявленного устройства. Данный пример воплощает полностью механизированную и автоматизированную систему от момента доставки погружного блока с пробоотборником к описываемому устройству до получения результатов химического анализа.
Устройство для проведения химического анализа (см. фиг.1-4) смонтировано на раме 1, установленной на рабочей площадке сталеплавильного цеха. Измерительный жезл 2 закреплен на каретке 3, установленной на направляющих 4. Каретка 3 соединена тросом с лебедкой 5. Для подвода аргона в жезл 2 каретка 3 соединена шлангом 6 с цеховой магистралью аргона или баллонами с аргоном (не показаны). На жезл 2 установлен погружной блок 7. Когда каретка 3 с жезлом 2 находятся в положении I, погружной блок 7, проникая сквозь шлак 8, расположен в расплаве металла 9, который находится в емкости с расплавленным металлом 10. Когда каретка 3 находится в положении II, окно В расположено в пределах досягаемости манипулятора 11. Также в пределах досягаемости манипулятора 11 расположены рентгенофлуоресцентный спектроанализатор химического состава стали 12 и устройство охлаждения сжатым аргоном 13. Части всех трех устройств 11, 12 и 13, контактирующих с пробой, расположены в камере 18 (на фиг.1 не показана, см. фиг.3), заполненной аргоном. В положении каретки II окно жезла В установлено напротив окна камеры 18, при этом между камерой и жезлом существует негазоплотный зазор 29. В камере 18 также расположено устройство высвобождения пробы из пробоотборника (не показано), аналогичное описанному в заявке Японии [6]; в данном примере это устройство остается незадействованным. Жезл 2 выполнен в виде трубы, датчик уровня расплава металла 14 выполнен в виде катушки индуктивности, намотанной на стальную втулку, установленную на головке жезла. Внутри жезла расположен захват 15 на подвижной штанге 16. Верхняя часть штанги 16 сочленена с механизмом перемещения 17 для передвижения штанги вдоль оси жезла. В верхней части жезла 2 выполнено окно В для выдачи пробы 19. Когда каретка 3 находится в верхнем положении, окно В совмещено с окном камеры 18. Одноразовый погружной блок 7 состоит из картонной гильзы 20, пробоотборника 21, выполненного в виде трубки из кварцевого стекла. Пробоотборник 21 соединен с картонной гильзой 20 посредством втулки 22, изготовленной из спеченной керамики на основе кварцевого песка и смолы. С нижней части пробоотборник 21 закрыт шлакозащитным колпачком 23. В верхней части пробоотборника 21 установлен стальной стержень 24 с утолщением на конце для надежного зацепления с захватом 15. Стержень 24 установлен на распор при помощи полипропиленовой втулки 25, причем место соединения пробоотборника 21, стержня 24 и втулки 25 не является герметичным. Затекший в пробоотборник 21 расплав стали 9 приваривается к стержню 24, образуя пробу 19. Погружной блок 7 установлен соосно с жезлом 2 до упора в ограничитель и удерживается на жезле 2 внатяг посредством распорных частей жезла 26.
На раме 1 смонтировано также устройство перезарядки с магазином погружных блоков (не показаны), аналогичные описанным в патенте [2]. Жезл 2 перемещается из Положения I в Положение II и обратно на каретке 3 по направляющим 4 при помощи привода 5. Захват перемещается вдоль оси жезла посредством привода 17. Захват 15 выполнен самозапирающимся, замыкающим соединение при контакте со стержнем 24. Манипулятор 11 имеет зажим 27 с собственным приводом и обладает степенями свободы, позволяющими манипулятору 11 отсоединять пробу 19 от захвата 15 и перемещать ее к устройству высвобождения пробы из пробоотборника, к устройству охлаждения 13, к спектроанализатору 12 и к накопителю образцов 28. Все приводы, система подачи аргона и работа спектроанализатора 12 управляются оборудованием КИПиА (не показано).
Ниже приведен пример осуществления заявленного способа, являющийся одновременно описанием работы вышеизложенного устройства. В исходном положении погружной блок 7 надет на жезл 2, каретка 3 находится в положении II, захват 16 находится на уровне окна В, зажим 27 манипулятора 11 отведен к охладителю 13, камера 18 постоянно продувается аргоном. Под рабочую площадку подводят емкость 10 с расплавом металла 9. Каретка 3, двигаясь по направляющим 4, опускает жезл 2 с заряженным погружным блоком 7 сквозь слой шлака 8 в расплав 9. После срабатывания датчика уровня расплава металла 14 лебедка 5 останавливает каретку 3 в положении I. Верхний край пробоотборника оказывается на 200-400 мм ниже границы шлак-металл, что достаточно для того, чтобы пробоотборник заполнился целиком. Под действием температуры расплава 9 колпачок 23 плавится и расплав 9 проникает в пробоотборник 21 под действием ферростатического давления, вытесняя находящийся там воздух через неплотности между стержнем 24, втулкой 25 и пробоотборником 21. Заполнив пробоотборник 21, расплав затвердевает, образуя пробу 19. При этом затвердевший расплав оказывается приваренным к стальному стержню 24, а благодаря низкой адгезии стали к кварцевому стеклу проба может быть легко извлечена из пробоотборника 21.
Спустя 2-5 секунд после срабатывания датчика уровня расплава металла, каретка 3 начинает подниматься при помощи лебедки 5 и останавливается в положении II. В этом положении начинается продувка жезла 2 аргоном, приводящая к двум результатам. Во-первых, аргон поступает через жезл 2 во внутреннее пространство погружного блока Г, выдавливая находящиеся там газы через неплотности между картонной гильзой 20 и жезлом 2. Во-вторых, аргон выдавливает газы из жезла 2 через окно В в зазор 29. Таким образом, на пути продвижения пробы создается инертная атмосфера. Спустя 2-5 секунд после начала продувки, захват 15, находившийся до этого момента на уровне окна В (см. фиг.3), опускается в погружной блок 7 (см. фиг.2). Осуществляется зацепление захвата 15 на пробе 19. После этого захват поднимается обратно на уровень окна В вместе с пробой 19. Таким образом осуществляется извлечение пробы 19 через внутреннее пространство погружного блока Г.
Манипулятор 11 снимает пробу 19 с захвата 15, передает ее к устройству охлаждения сжатым аргоном 13, где проба охлаждается. Далее манипулятор 11 передает пробу 19 к спектроанализатору 12, где производится анализ ее химического состава, результаты которого выдаются на пульт оператору. После этого манипулятор 11 отправляет пробу 19 в накопитель образцов 28 и возвращается в исходное положение. Одновременно с действием манипулятора 11 производится перезарядка нового погружного блока. Продувка жезла 2 аргоном прекращается, и описанное устройство возвращается в исходное положение.
Источники информации
1. Патент РФ №2273841
2. Патент РФ №2308695
3. Патент США №4995723
4. Патент США №7006216
5. Патент США №5522915
6. Заявка Японии №6-92965