CN101535507A - 用于光学分析金属熔池的系统 - Google Patents

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Abstract

用于光学分析金属熔池(4)的系统，其中将高速氩气流(3)从喷枪(1)传送到熔池，并用外焰(2)使气流保持连贯，以提供通过该氩气流的清晰的观察路径，从而纵向通过氩气流从远处或间隔开的观察点(9)观察该金属熔池。

Description

用于光学分析金属熔池的系统
技术领域
本发明一般涉及熔融金属，例如钢铁，的精炼，尤其涉及分析精炼过程中的金属熔池。
背景技术
钢之类的金属一般是在有耐火衬里的容器中生产和精炼的，通过加热诸如含金属的废料、生铁、矿石、石灰石、白云石等炉料至熔化状态，并向得到的金属熔池中吹入氧气以氧化杂质。并非总能在开始处理之前得知炉料的准确化学组成。因此，在炉料融化并完全混合之后必须确定其组成。此外，至少应定期确定金属熔池的组成改变以获知需添加到精炼容器内的添加剂的定时和数量。确定金属熔池组成的标准方法是中止生产过程，取出一小部分物料样本，使用质谱仪分析该样本。
更加需要进行持续的在线测量，但是高温和灰尘、烟和沪渣的存在不允许在金属熔池中放置测量设备。为解决这些问题，本领域技术人员已经尝试通过使用靠近金属熔池表面的光纤或者使用如透镜、反射境及棱镜之类的辅助设备来将数据从金属熔池传送到分析仪。但是这样的装置安装复杂，在精炼过程中难以保持，因此影响到所收集数据的精度，也影响到基于这些数据而进行的分析的完整性，因此，该装置不令人满意。
发明内容
本发明的一个方面是：
光学分析金属熔池的方法，其包括：
(A)通过使氩气流穿过喷枪并且用外焰(flame envelope)包围该氩气流，形成连贯的氩气流；
(B)将该连贯的氩气流通入金属熔池；
(C)纵向穿过连贯的氩气流进行观察，以观测金属熔池并从中获取光学数据；和
(D)将光学数据提交至分析仪。
本发明的另一个方面是：
用于光学分析金属熔池的装置，包括：
(A)金属熔炉，包括金属熔池；
(B)具有喷射端的喷枪，用于将连贯氩气流通入金属熔池；
(C)窥镜，其安装在喷枪上与喷射端相对的一端，以提供防止氩气从喷枪中泄漏的压力密封同时提供光学透明的观察口，并对准以便纵向穿过连贯氩气流观察金属熔池，以获取光学数据；和
(D)分析仪及将光学数据提供给分析仪的工具。
如此处所用术语“外焰”指围绕至少一种其他非燃烧气流的燃烧流。
如此处所用术语“连贯气流”指直径基本保持不变的气流。
如此处所用术语“金属熔池”指包括熔融金属、也可包括炉渣的金属精炼炉中的容纳物。
如此处所用术语“光学数据”指用于描述金属熔池的特性的数值，其可以被与金属熔池隔开的接收器检测到。
如此处所用术语“纵向”指与长轴一致。
如此处所用术语“窥镜”指光学透明材料，如蓝宝石或石英，可以在喷枪中的压缩氩气流与纤维光缆或者其他光学元件之间提供密封。光源，如激光，可以安置在窥镜上以增加通过连贯氩气喷射流进行观测的金属熔池的能量，从而改善分析的有效性。
附图简述
唯一的附图是可用于本发明的实施中的一种优选装置的简化横截面图。
详细描述
结合附图对本发明进行详细说明。现参考附图，如图所示：金属熔炉10内含有包括熔融金属4和位于熔融金属池之上的炉渣层5的金属熔池，炉渣层5可以为熔融态和/或固态。一般而言，熔融金属包括铁或钢。炉渣层一般包括氧化钙、二氧化硅、氧化镁、氧化铝及氧化铁中的一种或多种。
为向金属熔池提供氩气而设置喷枪1。图中描述的实施方案是优选实施方案，其中，喷枪经设置以垂直于金属熔池表面的方向向金属熔池提供氩气。作为另一种选择，喷枪可以经设置穿过炉10的侧壁，以便与熔池表面成一定角度提供氩气。
在本发明的实施中，用氩气作为通过其进行光学观察的气体。与使用氧或其他反应气体的常规传感系统不同，由于氩相对于熔融金属的惰性，其可以从远程观察位置对熔融金属进行更加清晰的光学观察。此外，与常规系统中使用的常规较轻气体相比，氩气的重量可以在熔融金属上形成更确定的冲击点。由于氩气的不反应性而减少了气体-金属冲击点处的飞溅及其它可视的阻碍，而且由于氩气的密度而具有更确定的冲击点，基于以上特性的结合，就能够进行比用常规系统更加清晰的光学观察。这种更加清晰的光学观察能够改善数据采集和数据分析。
氩气从喷枪中高速喷出，优选以音速或超音速。一般而言，从喷枪中喷出的氩气流3的速度至少1000英尺每秒(fps)，优选至少1500fps。最优选是氩气流从喷枪中喷射时具有超音速，并且当它接触到熔池的表面时也具有超音速。
燃料和氧化剂从喷枪中围绕氩气流喷出，并燃烧形成氩气流3周围的外焰2。优选地，如图中所示，外焰延伸到在熔炉中的氩气流从喷枪喷射端到熔池的整个长度。用于形成外焰2的燃料优选是气体，可以是任何燃料，如甲烷或天然气。用于形成外焰2的氧化剂可以是空气、氧气浓度超过空气中氧浓度的富氧空气或者氧气浓度至少90摩尔％的市售氧气。
外焰2用来防止周围气体例如熔炉气体被吸入或者夹入氩气流3中，从而防止氩气流3在通常至少20d的距离内速度明显下降和直径显著增加，其中d是气流3从中喷射的、位于喷枪喷射端的喷嘴直径。也就是说，外焰2用于建立和维护氩气流在通常至少20d的距离内为连贯气流。如图所示，优选氩气流3从喷枪到熔池是连贯气流。
常规方法并没有想到利用氩气的连贯喷射穿透熔池上面的炉渣层和烟。从标准喷枪中喷出的气流不能长距离穿透炉渣层，不能提供对金属熔池的清晰观察以精确测量其特性。要产生集中或连贯的氩气流需要使用围绕的燃料气体(shroud fuel gas)。由于如钠、钾、CaO及MnO等元素和分子的燃烧，围绕气体也产生特殊波长的光信号，可以用来确定炉渣是否被完全穿透。
采用能够测量数种不同波长的光强的分光计或者其他仪器。两个单独的波长用来测量温度。其他波长用来测量各种元素如碳、硅、铜及铬等的量。另外其他波长表明在观察范围内存在如CaO、MnO及MgO之类的氧化物，可以用来确定包含这些氧化物的炉渣是否完全被穿透。穿透炉渣层的进一步指示是钠和钾因围绕燃料而燃烧所产生的光信号从发射光谱转化为吸收光谱。已经表明，当惰性氩气完全穿透炉渣层时就会发生上述现象。
气流3中传递到熔池的氩气，通过混合熔池来帮助精炼熔融金属。优选地，如附图所示，氩气流3的高速度和连贯特性驱使气流3穿过炉渣层5并深入到熔融金属4中，从而改善了氩气流3中输送到熔池的气体的混合作用。
如上所述，理想的是对熔融金属的状况进行至少定期，优选持续地监控，以确定例如其组成、温度及/或已熔废料的比例。在本发明的实施中，通过从窥镜9观察来监控这些参数。如附图所示，窥镜9安置在喷枪1的与喷射端相对的一端上，提供防止氩气从喷枪中泄漏的压力密封，同时提供光学透明的观察口。此种防止泄漏不仅用来减少气体损失，而且用来减少压力不平衡的机率，压力不平衡对于连贯氩气流的形成和维持可能产生副面影响。连贯气流的形成和维持是不能通过常规感知系统获得的。
氩气流3的连贯特性防止炉气、烟、微粒等被夹入到氩气流3中，使得从窥镜9到金属熔池形成清晰的视线。这样能通过观察纵向穿过由连贯氩气流3提供的无阻碍通道来观测金属熔池。该观测能够从熔池收集光学数据。通过连贯氩气射流观察金属熔池可以收集的数据包括温度、金属熔池和熔渣所含的各种元素的量以及工艺条件，其中温度通过光学高温测定法测定，元素量通过光谱分析获得，工艺条件例如熔融废料的比例通过对温度趋势的分析确定。
光学数据通过例如光导组件8传给分析仪7，光导组件8可以包括纤维光缆或透镜和反射镜系统。分析仪7可以是例如光谱仪、光学高温测定仪或这些仪器的组合。分析仪7利用这些数据测量金属熔池的温度和组成，从而使操作者可以调整补充的炉料、熔剂、合金、电能和诸如氧气的反应剂的量和加入时间，以便达到精炼工艺的所需目标。
通过观察熔池的当前温度和金属熔池中所剩碳、铬、锰或其它元素的量，操作人员可以确定金属的处理在何时达到了正在制备的金属类型的特定条件。而且，如果观察到某些痕量元素例如铜的量超过了正在制备的金属的质量限制，那么操作人员可以做些调整，以使制品在处理完成前满足技术规范。通过了解熔融废料的比例，操作人员会知道将补充废料加入到熔炉中的适当时间。
利用本发明，人们可以实现对金属熔池特性的连续在线测量，无需使用靠近金属熔池表面的光纤或使用比如透镜、反射镜和棱镜等辅助装置。虽然在详细描述本发明时参考了优选实施方案，但本领域技术人员会认识到，在权利要求的精神和范围内本发明还有其它实施方案。

Claims (10)

1、光学分析金属熔池的方法，其包括：
(A)通过使氩气流穿过喷枪并且用外焰包围该氩气流，形成连贯的氩气流；
(B)将该连贯的氩气流通入金属熔池；
(C)纵向穿过连贯的氩气流进行观察，以观测金属熔池并从中获取光学数据；和
(D)将光学数据提交至分析仪。
2、权利要求1所述的方法，其中外焰从喷枪延伸至金属熔池。
3、权利要求1所述的方法，其中连贯氩气流接触到金属熔池时具有超音速。
4、用于光学分析金属熔池的装置，包括：
(A)金属熔炉，其包括金属熔池；
(B)具有喷射端的喷枪，用于将连贯氩气流通入金属熔池；
(C)窥镜，其安装在喷枪上与喷射端相对的一端，以提供防止氩气从喷枪中泄漏的压力密封同时提供光学透明观察口，并对准以便纵向穿过连贯氩气流观察金属熔池，从而获取光学数据；和
(D)分析仪及将光学数据提供给分析仪的工具。
5、权利要求4的装置，进一步包括用于产生穿过连贯氩气流的光的光源。
6、权利要求5的装置，其中光源是激光。
7、权利要求4的装置，其中喷枪经设置以向金属熔池沿着垂直于金属熔池的表面的方向提供所述连贯氩气流。
8、权利要求4的装置，其中用于将光学数据提交至分析仪的工具包括光导组件，其包括从窥镜至分析仪的光纤。
9、权利要求4的装置，其中分析仪包括光谱仪。
10、权利要求4的装置，其中分析仪包括高温测定仪。
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