УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА ГАЗОВ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВАХ И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ГАЗА В НИХ
DEVICE TO COLLECT GASES IN METAL MELTS AND METHOD TO MEASURE GAS CONCENTRATION THEREIN

Изобретение относится к устройству для сбора газов в металлических расплавах, содержащему имеющий собирающее тело погружной конец, оканчивающийся у погружного конца газоподвод и газоотвод для проникающих через собирающее тело газов, причем собирающее газ тело имеет расположенную на погружном конце торцевую сторону и боковые стенки. Кроме того, изобретение относится к способу измерения содержания газа в металлическом расплаве, при котором газ вводится в металлический расплав, вступает в газообмен с содержащимся в металлическом расплаве газом, поглощается и подается к измерительному устройству для обработки, причем в металлический расплав вводятся и обрабатываются, по меньшей мере, два разных газа, и при этом оба газа содержат газ-носитель и, при необходимости, примесь газа, доля которого в металлическом расплаве должна быть определена.
Такие устройства известны, например, из DE 102005011181 А1 или ЕР 307430 В1. В них газы из металлического расплава собираются и подаются к измерительному устройству, так что может быть измерено содержание определенных газов в металлическом расплаве. Для этого газоподвод для ввода эталонного газа или газа-носителя в металлический расплав пропускается через собирающее газ тело и выводится из него на его торцевой стороне. По газоподводу в металлический расплав вдувается эталонный газ. Он обогащается содержащимися в металлическом расплаве газами, или, по другому способу, эталонный газ имеет более высокую концентрацию измеряемого газа, чем металлический расплав, так что образующаяся газовая смесь имеет меньшую концентрацию измеряемого газового компонента, чем эталонный газ. Образующаяся газовая смесь принимается собирающим газ телом, подается по газоотводу к измерительному устройству и обрабатывается. Подробно способ измерения описан, например, в ЕР 307430 В1. Такие способы измерения описаны также в ЕР 563447 А1.
Аналогичные устройства известны из US 6216526 В1 и ЕР 295798 А1.
Задачей настоящего изобретения является усовершенствование известных устройств для сбора газа и повышение эффективности процесса сбора и способа измерения.
Эта задача решается посредством признаков независимых пунктов формулы. Предпочтительные варианты приведены в зависимых пунктах. За счет того, что, по меньшей мере, часть собирающего газ тела имеет газонепроницаемый слой, оно может принимать и подавать к газоотводу и, тем самым, к измерительному устройству бóльшую часть газов, поскольку проникающие в собирающее газ тело газы, по меньшей мере, по существу не могут покидать его вне газоотвода, так что к измерительному устройству может подаваться заметно большая доля принятых собирающим газ телом газов. За счет этого измерение становится более простым, более быстрым и, в конечном счете, также более точным.
Целесообразно, если, по меньшей мере, часть внешних боковых стенок имеет газонепроницаемый слой. Само собирающее газ тело может иметь на своей торцевой стороне уже известную из уровня техники полость. В этой полости сначала собираются идущие из расплава газы. Они проникают тогда в собирающее газ тело, поскольку они не могут выходить из полости иначе. За счет бокового экранирования газонепроницаемым слоем газы могут выходить только в газоотвод. Для этого газонепроницаемый слой может быть расположен на поверхности боковых стенок собирающего газ тела. Предпочтительно, что слой состоит, по меньшей мере, из двух расположенных друг на друге частичных слоев. Внутренний, обращенный внутрь собирающего газ тела частичный слой может быть выполнен из металла, в частности, из металла с более высокой температурой плавления, чем железо. В качестве металлов рассматриваются, в частности, молибден, титан, ванадий, хром, ниобий или сплав, по меньшей мере, с одним из этих металлов. Нижний внутренний частичный слой является газонепроницаемым. На него может быть нанесен внешний, обращенный наружу от собирающего газ тела частичный слой из керамики. Он может служить защитным слоем для нижнего частичного слоя из металла, расположенного между ним и собирающим газ телом. Внешний частичный слой может быть выполнен преимущественно из оксидной керамики или силиката, в частности из диоксида циркония, оксида алюминия, диоксида хрома, силиката циркония, силиката алюминия или шпинели.
Собирающее газ тело может быть почти полностью окружено защитным слоем, причем непокрытыми являются только расположенный на торцевой стороне газовый вход в собирающее газ тело и доступ к газоотводу из собирающего газ тела. Целесообразно оставить непокрытой всю торцевую сторону собирающего газ тела или только поверхность расположенной на торцевой стороне полости. Преимущественно, по меньшей мере, один из частичных слоев нанесен плазменным напылением.
Целесообразно собирающее газ тело может иметь цилиндрическую или коническую боковую стенку. Газоотвод расположен преимущественно на противоположной торцевой стороне задней стенке собирающего газ тела. Газоотвод может быть расположен, например, на присоединительном патрубке для газа или в отверстии собирающего газ тела.
Устройство используется, согласно изобретению, для измерения содержания газа в металлическом расплаве. Измерения возможны, например, в самых разных стальных расплавах. Само собирающее газ тело непроницаемо для металлического расплава, однако очень хорошо пропускает газ и обладает поглощающей (принимающей) измеряемые газы способностью.
Согласно изобретению, способ измерения характеризуется тем, что концентрация примешанного газа лежит либо в каждом случае ввода газа ниже, либо в каждом случае ввода газа выше концентрации измеряемого газа в металлическом расплаве. При этом следует исходить из предполагаемой концентрации газа в металлическом расплаве, и концентрация вводимого газа выбирается либо заметно ниже, либо заметно выше ожидаемой концентрации в металлическом расплаве. Тогда в металлическом расплаве происходит либо абсорбция, либо десорбция измеряемого газа. Следовательно, измерение производится с помощью двух (или более) независимых друг от друга газов. При этом могут использоваться одинаковые или разные газы-носители. Вводимые в расплав газы поглощают (принимают) газ из расплава, когда концентрация измеряемого газа в металлическом расплаве выше концентрации этого газа во вводимом газе, так что в качестве вводимого газа может использоваться даже только газ-носитель, а концентрация измеряемого газа во вводимом газе может быть нулевой. Наоборот, металлический расплав поглощает газ из вводимого газа, поскольку, в любом случае, желательно, конечно, равновесие. Для измерения можно воспользоваться тем обстоятельством, что абсорбционные и десорбционные характеристики разных газов в металлических расплавах могут быть разными.
В качестве газа-носителя могут использоваться инертные газы, преимущественно аргон и/или азот. В качестве примешиваемого газа может использоваться моноксид углерода, так что его содержание в металлическом расплаве можно измерить.
Пример осуществления изобретения более подробно поясняется ниже с помощью чертежа.
Чертеж изображает в частичном разрезе соответствующее изобретению устройство.
Изображенное на чертеже устройство крепится крепежным патрубком 1 на несущей трубе (не показана) и погружается с ней в стальной расплав. В него погружается собирающее газ тело 2 для осуществления в нем газообмена.
В крепежном патрубке 1 расположены газовые подключения 3; 3'. При этом центральное газовое подключение 3 оканчивается в расположенном по центру в устройстве газоподводе 4. Последний проходит по центру через собирающее газ тело и заканчивается под его торцевой стороной 5. По газоподводу 4 в металлический расплав вводится газ-носитель. Газоподвод 4 состоит, по существу, из кварцевой трубы, которая может быть изогнута на своем погружном конце, так что ее устье ориентировано в направлении собирающего газ тела 2. Газоподвод 4 зафиксирован в собирающем газ теле 2 цементом 6. Поступающий по газоподводу 4 в металлический расплав газ-носитель принимает (поглощает) из него газы, поднимается в полость 7 собирающего газ тела 2 и проникает в него оттуда и с торцевой стороны 5. Собирающее газ тело 2 выполнено из пористого материала, например цемента. Возможно также керамическое тело, например из оксида алюминия. Через поры собирающего газ тела газ поднимается вверх в газоотвод. Он, по существу, образован трубой 8 из кварцевого стекла, которая зафиксирована в собирающем газ теле 2 цементом 9. В трубе 8 расположен пористый наполнитель 10 из оксида алюминия, например в форме шариков. Через наполнитель 10 происходит отвод смешанного с газом из металлического расплава газа-носителя по газовым подключениям 3' к измерительному устройству. В нем извлеченный газ сравнивается с вводимым в металлический расплав газом, принятый (или возвращенный) из расплава газ обрабатывается (оценивается), и за счет этого определяется содержание газа в металлическом расплаве. Этот процесс сам по себе достаточно известен и описан, например, в ЕР 307430 В1 (или аналогично в ЕР 563447 А1). В качестве газа-носителя вводимого газа используется аргон. Для измерения содержания моноксида углерода в стальном расплаве к газу-носителю примешивается моноксид углерода в количестве более 2,5% (например, 5-10%), поскольку ожидаемое содержание газа составляет 2,5%.
Собирающее газ тело 2 имеет на своей конической внешней поверхности газонепроницаемый слой, состоящий из внутреннего (или нижнего) 11 и внешнего 12 частичных слоев. Внутренний частичный слой 11 выполнен из молибдена, а внешний частичный слой 12 служит защитным слоем и выполнен из шпинели.
В принципе, газонепроницаемый слой может быть расположен также на обращенном к погружному концу конце собирающего газ тела 2. Однако этого, как правило, не требуется, поскольку имеющиеся там поверхности настолько малы, что выход газа происходит лишь в незначительном объеме. Благодаря этому практически весь принятый устройством газ направляется в ограниченный трубой 8 из кварцевого стекла газоотвод.
С помощью устройства можно определить также содержание водорода или азота в стальных расплавах.