Способ отбора пробы жидкого металла
METHOD OF A LIQUID METAL SAMPLING

Изобретение относится к металлургическому производству, в частности к производству алюминия, и может быть использовано при подготовке проб алюминия и его сплавов для анализа на содержание водорода.
Водород является одной из наиболее значимых газовых примесей, оказывающей отрицательное влияние на технологические свойства продукции из алюминия и его сплавов. Растворенный в затвердевшем металле водород способствует образованию газовой и газоусадочной пористости, что негативно влияет на физико-механические характеристики алюминия и его сплавов при их дальнейшей переработке.
На алюминиевых и металлургических заводах, с целью текущего контроля производства и управления технологическим процессом, отбирают и анализируют пробы металла на различных этапах технологического процесса (в ковшах, миксерах, металлотрактах). Пробы металла могут быть отобраны во время разливки расплава для контроля химического состава и концентрации водорода в нем в соответствии с технологическим регламентом процесса литья.
На некоторых алюминиевых заводах отбор и анализ проб металла на содержание водорода осуществляют в соответствии с ГОСТ Р 50965-96 «Алюминий и сплавы алюминиевые. Метод определения водорода в твердом металле». В соответствии с ГОСТ Р 50965-96 «пробу жидкого металла заливают в толстостенную медную изложницу, в которой при кристаллизации заготовки для образца исключается потеря водорода, обеспечивается необходимое качество заготовки правильной формы и размеров, без раковин и трещин». Существующая методика отбора пробы предусматривает заливку жидкого металла в медную изложницу с использованием дополнительного промежуточного элемента - металлической ложки. Применение металлической ложки, которой отбирают металл из ковшей, миксеров, металлотрактов и из которой заливают его в изложницу, искажает результаты анализов по содержанию водорода благодаря охлаждению металла в ложке и открытому переливу металла на воздухе из ложки в изложницу. При охлаждении металла в ложке содержание водорода в нем снижается. Контакт металла с влагой воздуха при открытом переливе из ложки в изложницу повышает концентрацию водорода в металле. В этом заключается основной недостаток существующего способа отбора проб алюминия и его сплавов для определения содержания водорода.
Известен способ отбора пробы жидкого металла и устройство для его осуществления, включающий погружение пробоотборника в жидкий металл, заполнение пробоотборника металлом по всей глубине кристаллизующегося слитка и охлаждение жидкого металла с помощью охлаждающей массы после заполнения пробоотборника жидким металлом. Устройство для осуществления способа содержит корпус с расположенным внутри металлоприемником, при этом корпус выполнен в верхней части в виде воронки, заполненной охлаждающей массой, снабжен коаксиально расположенным между корпусом и металлоприемником запорным элементом и установлен с возможностью вертикального перемещения (А.с. СССР №778481, G01N 1/10. Опубл. 15.10.1982. Бюл. №38 [2]). По технической сущности и наличию сходных признаков это решение выбрано в качестве ближайшего аналога.
К недостаткам известного технического решения относятся: сложная конструкция пробоотборника, состоящая из корпуса, металлоприемника, воронки с охлаждающей массой, запорного элемента, большая длительность отбора пробы (до 10 мин), а также использование расходуемых металлоприемников и специальной охлаждающей массы. Также с использованием известного способа отбора пробы жидкого металла практически невозможно отобрать пробу из миксера, площадь зеркала металла в котором составляет несколько десятков квадратных метров. В этом случае возникают сложности с открытием запорного устройства для подачи охлаждающей массы, т.к. расстояние до точки отбора пробы может составлять несколько метров.
Задачей предлагаемого изобретения является упрощение и интенсификация отбора пробы жидкого металла без искажения ее состава с использованием изложницы непосредственно в качестве пробоотборника.
Технический результат при внедрении изобретения:
- получение представительных проб металла;
- сокращение времени пробоотбора;
- исключение применения расходуемых материалов (металлоприемников и охлаждающей массы);
- возможность отбора пробы металла из металлургических емкостей с различной глубины и на расстоянии до точки отбора пробы в несколько метров.
Технический результат достигается тем, что в способе отбора пробы жидкого металла, включающем погружение изложницы в расплав, заполнение изложницы жидким металлом, охлаждение и кристаллизацию металла, для отбора пробы используют неразъемную металлическую изложницу с конически сужающимся вглубь изложницы углублением для пробы, изложницу погружают в жидкий металл в перевернутом положении так, чтобы внутри нее оставался воздух, затем изложницу переворачивают для удаления из нее воздуха, заполняют металлом, после чего извлекают из расплава и охлаждают металл до полной кристаллизации. Дополнительно перед погружением изложницы в жидкий металл углубление для пробы могут заполнять инертным газом.
Техническая сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем. В заявляемом способе используют металлическую изложницу, которая обеспечивает получение проб металла конической формы для облегчения извлечения их из неразборной изложницы (см. чертеж). К изложнице прикреплена металлическая рукоятка, длина которой может регулироваться в зависимости от места отбора пробы. Для металлотрактов, где глубина слоя жидкого металла составляет 150÷300 мм, длина рукоятки минимальна и должна обеспечивать безопасные условия отбора пробы. Для ковшей с уровнем металла 800÷1500 мм длина рукоятки, погружаемой в расплав, может достигать 1000÷1200 мм. Для миксеров, площадь металла в которых составляет десятки квадратных метров, для безопасного отбора проб через форкамеры потребуется рукоятка длиной несколько метров.
В соответствии с предлагаемым техническим решением изложницу, закрепленную на рукоятке, располагают над поверхностью расплавленного металла в перевернутом положении, как показано на чертеже, положение 1. Затем изложницу погружают в металл так, чтобы внутри нее оставался воздух (чертеж, положение 2). После погружения в металл изложницу переворачивают для удаления из нее воздуха, заполняют металлом (чертеж, положение 3) и извлекают из расплава (чертеж, положение 4). После полной кристаллизации металла в изложнице пробу извлекают (благодаря конической форме пробы) и направляют на анализ.
Для исключения возможного влияния воздуха на состав отбираемой пробы металла предлагаемый способ предусматривает предварительное заполнение изложницы инертным газом - азотом или агроном.
Изменяя длину рукоятки изложницы, обеспечивают отбор пробы жидкого металла в любом месте и с любой глубины металлургической емкости. Продолжительность отбора пробы металла по предлагаемому способу составляет несколько секунд. Это не позволяет изложнице нагреться в расплаве, обеспечивает высокую скорость охлаждения пробы после извлечения изложницы из металла и достоверность результатов анализов.
Сравнение предлагаемого решения с ближайшим аналогом показывает следующее. Предлагаемое решение и ближайший аналог характеризуются сходными признаками:
- пробу металла отбирают погружением изложницы в расплав до заполнения ее жидким металлом;
- после заполнения изложницы проводят охлаждение и кристаллизацию металла;
- продолжительность отбора пробы металла составляет несколько десятков секунд.
Предлагаемое решение отличается от ближайшего аналога следующими признаками:
- для отбора проб используют неразборную изложницу с коническим углублением для пробы;
- отбор пробы металла осуществляют из любой металлургической емкости (не только из кристаллизующегося слитка) на любых глубине и расстоянии до точки отбора пробы в зависимости от типа металлургической емкости и требований технологических регламентов;
- охлаждение и кристаллизацию жидкого металла проводят на воздухе после извлечения изложницы из металлургической емкости, а не в расплаве за счет подачи охлаждающей массы;
- пробу закристаллизовавшегося металла легко извлекают из изложницы за счет ее конусной формы без разрушения изложницы.
Предлагаемое техническое решение характеризуется признаками, как сходными с признаками ближайшего аналога, так и отличительными признаками, что позволяет сделать вывод о его соответствии условию патентоспособности «новизна».
Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с известными решениями в данной области техники, проведенный по результатам поиска в патентной и научно-технической литературе, выявил следующее.
Известен способ для отбора проб жидкого металла, включающий заполнение размещенного вертикально сосуда металлом пробы и герметизацию сужающейся части патрубка сосуда жидким материалом с последующим его охлаждением, отличающийся тем, что в сужающуюся часть патрубка подают порцию жидкого материала, дающего усадку при затвердевании, в объеме 1,5-4,0 объема сужающейся части патрубка (А.с. СССР №887987, G01N 1/10. Опубл. 07.12.1981. Бюл. №45).
В ГОСТ Р ИСО 14284-2009 «Сталь и чугун. Отбор и подготовка образцов для определения химического состава» приведены общие требования к отбору и подготовке проб чугуна и стали. В настоящем стандарте предусмотрены следующие методы отбора проб жидкого металла:
- отбор образца (пробы) ложкой: отбор образца из расплава или во время разливки плавки длинной ложкой или черпаком с последующей заливкой расплава в небольшую изложницу;
- отбор пробы пробоотборником: отбор пробы из расплава серийно выпускаемым зондовым пробоотборником;
- иммерсионный отбор проб: метод отбора проб, при котором пробоотборник погружают в расплав и камера для образца наполняется под действием ферростатического давления или силы тяжести;
- отбор образца всасыванием: метод отбора пробы, при котором пробоотборник погружают в расплав, чтобы наполнить камеру путем всасывания расплава;
- отбор образца в потоке: метод отбора пробы, при котором пробоотборник подставляют под поток жидкого металла, чтобы наполнить пробоотборник под напором этого потока.
Ни в одном из описанных в ГОСТ Р ИСО 14284-2009 способов не предусмотрено введение в объем жидкого металла неразборной изложницы в перевернутом положении, заполненной инертным газом, с последующим переворотом изложницы на определенной глубине для удаления воздуха (газа) и заполнения изложницы металлом.
Известно устройство для отбора проб жидкого металла, состоящее из кварцевого металлоприемника, заключенного в теплоизоляцию и выполненного с открытыми концами, а между металлоприемником и теплоизоляцией выполнена полость, заполненная твердой охлаждающей средой, в качестве которой могут быть применены соли галогенов с температурой испарения ниже температуры расплавленного металла (А.с. СССР №558196, G01N 1/10. Опубл. 15.05.1977. Бюл. №18).
Проведенный анализ показал, что на момент подачи заявки на изобретение не выявлены технические решения, характеризующиеся аналогичной с предлагаемым решением совокупностью известных и неизвестных признаков, что свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
Соответствие условию патентоспособности «промышленная применимость» доказывается экспериментальными данными, полученными в ходе промышленных испытаний.
Пример 1
Для отбора проб жидкого алюминия используют неразъемную металлическую изложницу с конически сужающимся вглубь изложницы углублением (см. чертеж). Пробы жидкого металла отбирают из транспортных ковшей объемом 4 т по алюминию каждый, в которых алюминий доставляют из корпусов электролиза в литейный цех, из электрических миксеров емкостью 80 т по алюминию и из металлотрактов, по которым готовый сплав подают на кристаллизацию в литейные машины.
Отбор проб включает погружение металлической изложницы в расплав металла в перевернутом положении, при котором отверстие для заполнения изложницы располагают внизу, так, чтобы при погружении изложницы внутри нее оставался воздух, затем изложницу переворачивают для удаления из нее воздуха, заполняют металлом, после чего извлекают из расплава и охлаждают металл до полной кристаллизации.
Дальнейшую подготовку проб и анализ металла на содержание водорода проводят по ГОСТ Р 50965-96 «Алюминий и сплавы алюминиевые. Метод определения водорода в твердом металле» на газоанализаторе «G8 Galileo». Техническая характеристика газоанализатора «G8 Galileo» дана в таблице 1.
Результаты анализа проб алюминия и его сплавов на содержание водорода приведены в таблице 2.
Примечание. Сплав группы 1ХХХ - низколегированный алюминиевый сплав с содержанием примесей не более 1,0%.