УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ПРОБ И ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАСПЛАВОВ МЕТАЛЛА И ШЛАКА

Предлагаемая полезная модель относится к области черной металлургии и может быть использована для контроля технологических параметров расплавленного металла и/или шлака, в частности для одновременного и/или последовательного замера температуры, активности кислорода, отбора пробы и иных параметров.
Известно устройство по патенту на полезную модель РФ № 34011 для замера температуры и отбора пробы расплавленного металла содержит первый полый кожух из теплостойкого материала, например многослойного картона, пропитанного огнеупорным составом. Внутри кожуха со стороны одного из его торцов закреплен огнеупорный корпус с пробоотборной камерой и первым термоэлементом. Пробоотборная камера и первый термоэлемент защищены колпаком. Устройство снабжено дополнительным полым кожухом из теплостойкого материала, например многослойного картона, пропитанного огнеупорным составом. В дополнительном полом кожухе зафиксирован дополнительный огнеупорный корпус, в нем размещен второй термоэлемент, закрытый колпаком. На наружной стороне дополнительного полого кожуха выполнена кольцевая проточка. Первый полый кожух с огнеупорным корпусом вставлен в дополнительный полый кожух таким образом, чтобы кольцевая проточка находилась на уровне колпака первого огнеупорного корпуса. Термоэлементы выполнены в виде термопар, изолированных кварцевыми трубками. Термопары с помощью проводников соединены с контактным узлом, посредством которого устройство соединяется с контактодержателем жезла, закрепленного на машине для проведения измерения. При этом контактный узел установлен в отдельном корпусе, соединенном с корпусом устройства с помощью дополнительного полого элемента (фиг.1, патент РФ № 34011).
Перед проведением измерения устройство соединяют с контактодержателем жезла, закрепленного на машине для проведения измерений, и с ее помощью жезл с устройством опускают в ванну расплавленного металла. Первоначально осуществляется предварительный замер температуры термоэлементом, расположенным в огнеупорном корпусе дополнительного полого кожуха. Это необходимо для дальнейшей корректировки параметров плавки. За время предварительного замера дополнительный полый кожух прогорает в месте кольцевой проточки. При этом, при вынимании устройства из ванны расплавленного металла происходит отрыв дополнительного полого кожуха со вторым термоэлементом и его сгорание. После предварительного замера температуры параметры плавки корректируются, и устройство без замены блока 1 повторно опускается в ванну расплавленного металла. При этом производится второе измерение температуры первым термоэлементом и отбор пробы в пробоотборную камеру. По окончании измерения температуры и взятия пробы устройство вынимается и разбирается для изъятия пробы с целью проведения ее химического анализа.
Указанное устройство позволяет предварительно измерять температуру ванны расплавленного металла с целью корректировки параметров плавки, а в дальнейшем без замены сменного блока производить второе измерение температуры и отбор пробы расплавленного металла.
Однако данное устройство является недостаточно простым, содержит много различных элементов и сложное устройство корпуса.
Известна система измерения расплавленного металла и зонд, используемый в системе (заявка EP 2362217 A1). Зонд имеет погружную часть, в которой установлены один или несколько датчиков температуры для измерения температуры расплавленного металла, датчик кислорода для измерения растворенного кислорода и/или растворенных элементов, содержащихся в расплавленном металле, датчик обнаружения углерода, а также пробоотборник. Кроме того, зонд снабжен средством пробоотбора шлака в заданной области, которая расположена выше верхнего конца погружной части зонда. Указанный зонд погружается для замера параметров и отбора проб металла и шлака таким образом, чтобы верхний конец погружной части совпадал с уровнем расплавленного металла, при этому будет обеспечиваться отбор пробы шлака.
Средство для отбора шлака представляет собой металлический змеевик, намотанный по спирали вокруг заданной области трубки, расположенной над погружной частью. Указанный змеевик имеет зазор между соседними витками. В процессе отбора пробы шлак поступает в зазоры змеевика, охлаждается и налипает на поверхность змеевика. При этом для обеспечения работоспособности устройства необходимо соблюдение определенной глубины погружения зонда, а также определенное расположения на зонде средства отбора пробы шлака. Для установления момента погружения части зонда в область расплавленного металла зонд дополнительно содержит датчик обнаружения металла, которые передает сигнал о вхождении зонда в область ниже шлака (в область расплавленного металла) и органы управления останавливают погружение зонда в нужный момент.
Недостатком описанного устройства является сложность конструкции, необходимость установки дополнительного датчика и других элементов контроля глубины погружения, при этом устройство позволяет производить одновременно забор пробы шлака и измерение параметров расплава металла однократно без возможности повторного погружения.
Известна конструкция погружного зонда для отбора проб шлака по патенту US 5435196. Зонд имеет удлиненный цилиндрический корпус, представляющий собой картонную трубку. Картонная трубка может иметь любую длину и диаметр, а также толщину стенки трубки, исходя из конкретного применения устройства. Корпус может быть изготовлен также из любого другого материала, например кварца, керамики, литьевых огнеупорных материалов или других огнеупорных материалов. Нижний конец зонда содержит средства для определения одной или нескольких параметров расплава металла. Это могут быть термопарные устройства, устройства для измерения содержания различных элементов.
Кроме того, зонд содержит устройство для отбора пробы шлака, которое установлено с возможностью перемещения вверх и вниз вдоль корпуса зонда, чтобы получить пробу шлака независимо от глубины, на которую погружен зонд в расплав металла. Устройство для отбора пробы шлака представляет собой металлическую катушку (охлаждающий элемент), снабженную внутренней цилиндрической поверхностью, охватывающей корпус и имеющей диаметр больший, чем диаметр корпуса, что обеспечивает свободное перемещение устройства для отбора пробы шлака вдоль корпуса. Плавучий элемент, соединенный с одним концом с устройством для отбора пробы шлака, выполнен в виде трубки, которая имеет возможность свободного скольжения вдоль корпуса зонда. Материал плавучего элемента имеет плотность ниже плотности расплавленного металла и может быть изготовлен из картона, низкоплотной керамики и т.п. При погружении плавучий элемент остается на поверхности расплавленного металла, вынуждая охлаждающий элемент автоматически размещаться в зоне шлака. Также на корпусе в зоне размещения охлаждающего элемента сверху и снизу размещены два упора, закрепленные на корпусе и ограничивающие движение охлаждающего элемента вниз и вверх.
Недостатком описанного устройства является сложность конструкции, при этом устройство позволяет производить одновременно забор пробы шлака и измерение параметров расплава металла однократно без возможности повторного погружения.
Известно устройство для отбора проб и измерения параметров расплавов металла и шлака (патент на полезную модель RU 159861), содержащее корпус, в котором установлены измерительные блоки с размещенными в них рабочими элементами, и контактный узел. Корпус выполнен из теплостойкого материала и снабжен элементом ослабления его конструкции, расположенным в зоне размещения рабочих элементов следующего измерительного блока, при этом корпус выполнен в виде одной детали, представляющей собой полую трубку.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности одновременного отбора пробы шлака.
Известен погружной зонд для замера температуры и отбора пробы металлического и шлакового расплава в конвертере (патент на изобретение RU 2683376), содержащий сменный блок в виде составного полого кожуха из теплостойкого материала, в котором последовательно установлены два керамических огнеупорных корпуса - первый, содержащий термопреобразователь и пробоотборную камеру, и второй, содержащий только термопреобразователь. Оба корпуса закрыты индивидуальным металлическим колпаком, при этом второй керамический корпус размещен в дополнительном полом кожухе, на наружной стороне которого выполнена проточка. Основной полый кожух с первым керамическим корпусом частично вставлен в дополнительный полый кожух, а проточка на наружной стороне дополнительного кожуха выполнена кольцевой и размещена на уровне первого металлического колпака. На наружной стороне полого кожуха установлен дополнительный элемент для отбора пробы шлакового расплава, выполненный в виде пружины, зафиксированной с обеих сторон специальными защитными полукольцами, и расположенный на расстоянии от вышеуказанной кольцевой проточки, в 2-15 раз превышающем расстояние от данной проточки до начальной части зонда.
Указанное решение выбрано заявителем в качестве ближайшего аналога.
Недостатком известного решения является его ненадежная работа и высокий риск неполучения пробы шлака ввиду того, что элемент для отбора пробы шлака подвергается воздействию высокой температуры уже в процессе первого погружения.
Технической проблемой, решаемой заявляемой полезной моделью, является создание надежной конструкции устройства для отбора проб и измерения параметров расплава металлов и шлаков.
Техническим результатом является создание простой и надежной конструкции устройства для отбора проб и измерения параметров расплава металлов и шлаков, позволяющей производить последовательно два измерения и отбор шлака в процессе последнего измерения.
Заявленный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для отбора проб и измерения параметров расплавов металла и шлака, содержащем корпус, в котором установлены измерительные блоки с размещенными в них рабочими элементами, корпус выполнен из теплостойкого материала и снабжен элементом ослабления его конструкции, расположенным в зоне размещения рабочих элементов следующего измерительного блока, на наружной стороне корпуса установлен элемент для отборы пробы шлака, расположенный за измерительными блоками, согласно полезной модели, элемент для отбора пробы шлака снабжен защитной гильзой, установленной поверх элемента для отбора пробы шлака и выполненной из теплостойкого материала. При этом элемент ослабления конструкции корпуса выполнен в виде проточки.
Элемент для отбора пробы шлака, выполненный в виде спирали, витки которой выполнены с зазором и охватывают корпус устройства, установлен между опорными элементами, выполненными в виде кольцевидных гильз из теплостойкого материала.
Элемент отбора пробы шлака размещен на расстоянии от переднего торца корпуса, соответствующем глубине погружения устройства в расплав металла на уровне шлака.
Выполнение корпуса с последовательно установленными в нем измерительными блоками с рабочими элементами позволяет создать простую и надежную «ступенчатую» конструкцию, обеспечивающую последовательное измерение различных параметров расплава металла с выводом данных на единый контактный узел.
Выполнение корпуса из теплостойкого материала с элементом ослабления его конструкции, расположенным в зоне размещения рабочих элементов следующего измерительного блока, позволяют получить простую и надежную конструкцию устройства, обеспечивающую возможность неоднократного погружения устройства в расплав металла с целью последовательного измерения различных параметров и отбора проб расплава металла. Использование теплостойкого материала, например многослойного картона, способствует созданию простой и дешевой конструкции с одновременным обеспечением возможности неоднократного измерения параметров расплавленного металла и шлака одним устройством.
Наличие элемента для отбора пробы шлака, расположенного за измерительными блоками, позволяет в процессе повторного погружения устройства в расплав одновременно производить отбор пробы шлака.
Размещение элемента для отбора пробы шлака между кольцевидными гильзами позволяет создать надежную и простую конструкцию устройства за счет того, что указанные кольцевидные гильзы создают упоры с двух сторон для элемента для отбора пробы шлака и обеспечивают заданное положение элемента для отбора пробы шлака для удержания шлака. Кроме того, данные кольцевидные гильзы выполняют функцию защиты элемента для отбора пробы шлака от теплового воздействия в процессе первого измерения параметров.
Наличие дополнительное защитной гильзы, установленной поверх элемента для отбора пробы шлака и выполненной из теплостойкого материала, обеспечивает защиту элемента для отбора пробы шлака от теплового излучения в процессе первого измерения параметров.
Выполнение элемента ослабления конструкции корпуса в виде проточки позволяет создать простую и надежную конструкцию, которая обеспечивает отгорание корпуса устройства в нужном месте после первого погружения в расплав.
Выполнение элемента отбора пробы шлака в виде спирали, витки которой выполнены с зазором и охватывают корпус устройства, позволяет осуществить отбор пробы шлака в процессе повторного погружения устройства в расплав за счет налипания шлака на витки спирали.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где представлены примеры конкретного выполнения конструкции заявляемого устройства, в частности, на фиг.1 представлена конструкция устройства с выполнением ослабляющего элемента корпуса в виде кольцевой проточки и корпусом, выполненным составным, на фиг. 2 представлена конструкция устройства с выполнением ослабляющего элемента корпуса в виде кольцевой проточки и корпусом, выполненным в виде одной детали.
Устройство для отбора проб и измерения параметров расплавов металла и шлака содержит корпус 1, выполненный из теплостойкого материала, например в виде склеенной картонной гильзы.
Корпус 1 может быть выполнен в виде одной детали, например в форме полой трубки (как показано в примере выполнения на фиг. 2), либо составным. Составной корпус может быть, например, выполнен состоящим из двух секций, поверх которых установлен дополнительный кожух, соединяющий эти секции (как это показано в примере конкретного выполнения на фиг. 1). Составной корпус может быть также выполнен из двух или более частей, склеенных между собой, либо соединенных любым другим способом.
В корпусе 1 последовательно установлены измерительные блоки 2 и 3. Устройство также содержит контактный узел 4, который может быть установлен как в корпусе 1, так и за его пределами в отдельной гильзе. Контактный узел представляет собой устройство, обеспечивающее электрическое соединение линий электрических и других, например пневматических, сигналов от рабочих датчиков изделия и контрольно-измерительных приборов.
Элемент ослабления конструкции корпуса 1 выполнен в виде проточки 5, как это показано в примерах конкретного выполнения на фиг.1-2. Однако данные примеры не ограничивает возможность применения другого способа ослабления конструкции корпуса, например, путем выполнения перфорации в корпусе, размещения в зоне ослабления конструкции металлических элементов, типа кольца из проволоки и так далее. Элемент ослабления конструкции корпуса размещен на уровне размещения рабочих элементов следующего измерительного блока 3.
При этом зона размещения элемента ослабления конструкции корпуса не ограничивается исключительно, например, уровнем верхнего торца измерительного блока 3 или высотой одного из рабочих элементов, а подразумевает зону возможного размещения элемента ослабления в любом месте корпуса 1 на отрезке между задним торцом измерительного блока 2 и передним торцом измерительного блока 3. Оптимальным является расположение элемента ослабления в зоне расположения защитного колпачка следующего измерительного блока.
В каждом измерительном блоке установлены рабочие элементы. Описанные далее примеры конкретного выполнения не ограничивают возможность использования в измерительных блоках различных видов рабочих элементов и их сочетаний, например, из следующих возможных: термоэлементы для определения температуры расплава или шлака, средства измерения (датчики) активности кислорода в металле или шлаке, камера измерения температуры ликвидуса, датчик измерения содержания серы в металле и другие, пробоотборные камеры металла и шлака. Рабочие элементы могут варьироваться в изделии, изготавливаемом с использованием заявляемого решения, и выбираются исходя из конкретных свойств и показателей, которые необходимо определить с использованием данного устройства.
На наружной стороне корпуса установлен элемент для отборы пробы шлака 6, расположенный за измерительными блоками 2 и 3 и установленный между кольцевидными гильзами 7 и 8. Элемент для отбора пробы шлака 6 снабжен защитной гильзой 9, установленной поверх элемента для отбора пробы шлака 6 и выполненной из теплостойкого материала, например в виде склеенной картонной гильзы. Толщина данной гильзы выбирается с учетом того, чтобы обеспечить отбор пробы шлака в нужный момент времени.
Элемент отбора пробы шлака может быть выполнен в виде спирали, витки которой выполнены с зазором и охватывают корпус устройства, как это показано в примерах конкретного выполнения на фиг. 1-2. Однако данные примеры иллюстрируют частный случай и не ограничивает возможные варианты выполнения элемента отбора пробы шлака, например, в виде металлических пластин или проволоки разной формы, керамических колец или изделий из керамики другой формы, позволяющей осуществить отбор пробы шлака, либо пробоотборной камеры.
В качестве материала для изготовления элемента для отбора пробы шлака может служить материал, позволяющий осуществить отбор пробы шлака, например, может быть использована сталь. Также это может быть керамика, тугоплавкие металлы и их сплавы, изделия из стержневой смеси, кварца.
Местоположение элемента отбора пробы шлака определяется исходя из конкретных условий эксплуатации заявляемого устройства и зависит от требуемой глубины погружения заявляемого устройства в расплав. При этом элемент отбора пробы шлака размещается на расстоянии от переднего торца корпуса 1, соответствующем  глубине погружения устройства в расплав металла на уровне шлака.
Со стороны задней части устройства в полый корпус вставляется контактодержатель, закрепленный в металлическом жезле. Металлический жезл прикрепляется к машине для замера параметров плавки (на чертежах не показаны).
На фиг. 1 представлен пример конкретного выполнения заявляемого устройства.
Устройство для отбора проб и измерения параметров расплавов металла и шлака содержит корпус 1, состоящий из нескольких секций и выполненный из теплостойкого материала, например в виде склеенной картонной гильзы.
В корпусе 1 установлены измерительные блоки 2 и 3, а также контактный узел 4.
Измерительные блоки 2, 3 и контактный узел 4 установлены в корпусе последовательно, при этом каждый измерительный блок 2 и 3 расположен в отдельной секции корпуса - соответственно 10 и 11, контактный узел 4 расположен в секции 11 корпуса 1, выполненной в виде единой полой трубки.
Секции 10 и 11 корпуса соединены друг с другом посредством дополнительного полого кожуха 12, выполненного с элементом ослабления его конструкции в виде проточки 5, расположенной в зоне размещения рабочих элементов, расположенных на измерительном блоке 3.
В каждом измерительном блоке установлены рабочие элементы. В качестве рабочего элемента измерительного блока 2 используется термоэлемент 13, установленный в керамическом корпусе 14 и имеющий крышку 15. В качестве рабочих элементов измерительного блока 3 используется термоэлемент 16, имеющий крышку 17, и пробоотборная камера 18 с крышкой 19. Термоэлемент 16 и пробоотборная камера 18 установлены в керамическом корпусе 20 измерительного блока 3. Термоэлементы 13 и 16 выполнены в виде термопар. Выводы термопар проходят к контактному узлу 4, который представляет собой втулку с контактами.
На наружной стороне корпуса установлен элемент для отборы пробы шлака 6, установленный между кольцевидными гильзами 7 и 8. Указанные кольцевидные гильзы выполнены из склеенного картона и жестко закреплены на корпусе 1. Элемент для отбора пробы шлака 6 снабжен также защитной гильзой 9, установленной поверх элемента для отбора пробы шлака 6 и выполненной в виде склеенной картонной гильзы толщиной, обеспечивающей защиту элемента отбора шлака во время первого погружения изделия в расплав металла, и в то же время открывающая доступ к элементу отбора пробы шлака во время второго погружения. Длина защитной гильзы определяется размером и формой элемента отбора пробы шлака.
Элемент отбора пробы шлака 6 в примере конкретного выполнения изготовлен в виде  металлической спирали с витками круглого сечения. Витки спирали выполнены с зазором и охватывают секцию 11 корпуса устройства, как это показано на фиг. 1.  Спираль выполнена из стали.
Расстояние от переднего торца корпуса 1 до первой кольцевидной гильзы 7 соответствует размеру L, равному требуемой глубине погружения устройства в расплав металла плюс 100 мм. В примере конкретного выполнения общая длина изделия составляет 2150 мм, при этом L=1000 мм.
Длина изделия, размер L, включая добавочную величину 100 мм, были выбраны для конкретных условий использования устройства. При этом указанные в данном примере конкретного выполнения размеры не ограничивают другие варианты выполнения заявленного устройства. Указанные размеры могут отличаться в большую или меньшую сторону в зависимости от глубины погружения устройства, условий использования, применяемого оборудования и так далее.
В примере конкретного выполнения на фиг. 2 представлена аналогичная конструкция устройства для замера температуры и отбора пробы расплавленного металла, как в примере на фиг.1, однако отличается выполнением корпуса 1.
Корпус 1 выполнен в виде одной детали, представляющей собой полую трубку, при этом корпус выполнен по все длине устройства. Его задняя часть служит для закрепления устройства в машине для замера параметров плавки и защиты металлического жезла.
В корпусе последовательно установлены два измерительных блока 2 и 3 и контактный узел 4. Корпус 1 выполнен из теплостойкого материала в виде картонной гильзы и снабжен элементом ослабления его конструкции в виде кольцевой проточки 5, размещенной в зоне размещения рабочих элементов измерительного блока 3.
В каждом измерительном блоке установлены рабочие элементы. В качестве рабочего элемента измерительного блока 2 используется термоэлемент 13, установленный в керамическом корпусе 14 и имеющий крышку 15. В качестве рабочих элементов измерительного блока 3 используется термоэлемент 16, имеющий крышку 17, и пробоотборная камера 18 с крышкой 19. Термоэлемент 16 и пробоотборная камера 18 установлены в керамическом корпусе 20 измерительного блока 3. Термоэлементы 13 и 16 выполнены в виде термопар. Выводы термопар проходят к контактному узлу 4, который представляет собой втулку с контактами.
Элемент для отбора пробы шлака выполнен аналогично устройству, описанному в примере 1.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Перед проведением измерения устройство соединяют с контактодержателем, закрепленным в металлическом жезле, металлический жезл установлен в машину для замера параметров плавки и с ее помощью жезл с устройством опускают в ванну расплавленного металла. Первоначально осуществляется замер параметров и/или отбор пробы с помощью измерительного блока 2. В случае если в измерительном блоке 2 установлен только термоэлемент, как это показано в примерах конкретного выполнения на фиг. 1-2, то осуществляется предварительный замер температуры расплавленного металла или шлака. Если в измерительном блоке установлен пробоотборник или датчик активности кислорода в металле или в шлаке, камера для измерения температуры ликвидуса или другой датчик, то одновременно осуществляется забор пробы расплавленного металла или определение параметров металла или шлака соответственно.
Предварительный замер температуры ванны расплавленного металла осуществляется следующим образом.
При прохождении через шлаковый слой металлический колпачок 21 измерительного блока 2, а также крышка 15 защищают термоэлемент 13 от воздействия шлака. Когда устройство входит в расплав металла, металлический колпачок 21 и крышка 15 расплавляются, и термоэлемент 15 начинает измерять температуру ванны расплава. Сигнал от термоэлемента 15 через выводы термопар передается в контактный узел 4, а затем через кольца контактодержателя в металлический жезл и далее на регистрирующие приборы машины для замера параметров. Предварительный замер осуществляется в течение 8-15 секунд, в течение которых полый кожух 12 (пример выполнения на фиг. 1) или корпус 1 (пример выполнения на фиг. 2) прогорает в месте ослабления конструкции - в месте размещения кольцевой проточки 5. При вынимании устройства происходит отрыв части кожуха 12 (корпуса 1) вместе с измерительным блоком 2, которые сгорают в расплаве металла. В процессе первого погружения элемент для отбора пробы шлака защищен от воздействия высокой температуры защитной гильзой 9.
После предварительного замера температуры или других параметров параметры плавки могут быть откорректированы. Далее металлический жезл без замены устройства повторно на 8-15 секунд погружается в ванну расплавленного металла. Аналогично выше описанному процессу, колпачок 22, установленный на измерительном блоке 3, и крышки 17 и 19 защищают рабочие элементы от воздействия шлака, а затем расплавляются при погружении в расплав металла. Как правило, при повторном погружении происходит замер температуры или других параметров способом, описанным выше, а также производится отбор пробы с помощью пробоотборной камеры 18. Воздух из пробоотборной камеры отводится через паз во втулке контактного узла 4. В момент повторного погружения также осуществляется отбор пробы шлака, при этом элемент для отбора пробы шлака погружается в зону шлака, шлак налипает на элемент для отбора пробы (на витки спирали и тому подобное). Далее устройство вынимается, извлекается проба из пробоотборника 18 и проба шлака с элемента 6 для проведения химического анализа.
Описанные примеры конкретного выполнения не ограничивают возможности использования в измерительных блоках различных рабочих элементов и их сочетаний, например, из следующих возможных: термоэлементы для определения температуры расплава или шлака, средств измерения активности кислорода в металле или шлаке (в виде датчиков и других устройств), камера измерения температуры ликвидуса, датчик измерения содержания серы в металле и другие, пробоотборные камеры металла и шлака. Также описанные в примерах конкретного выполнения устройства не ограничивают вариации конструктивных исполнений корпуса, который может быть выполнен в виде одной детали или составным.
Заявленное устройство является простым и надежным, а также недорогим, при этом позволяет без замены однократно использованного устройства произвести дополнительные замеры различных параметров и отбор проб тем же устройством, что также позволяет ускорить процесс контроля за параметрами выплавляемого металла.