CN102288740B - 对金属熔体进行测量和采样的测量探针 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在金属熔体中进行测量和采样的测量探针，所述测量探针具有布置在吹管上的测量头，所述测量头带有至少一个温度传感器和采样室，所述采样室至少部分被所述测量头包围并且包括延伸穿过所述测量头的吸入管道，所述吸入管道包括在所述测量头内延伸的内部部分并且至少在位于所述内部部分中的一个位置处具有长度L和最小直径D，比值L/D2小于0.6mm-1。

Description

对金属熔体进行测量和采样的测量探针
技术领域
本发明涉及对金属熔体进行测量和采样的测量探针，所述测量探针具有布置在吹管上的测量头，所述测量头带有至少一个温度传感器和采样室，所述采样室被所述测量头包围并具有由石英玻璃管制成的吸入管道，所述吸入管道延伸穿过所述测量头。
背景技术
这类测量探针原则上是已知的，并且主要在所谓的转炉或电弧炉中进行炼钢的过程中使用。
在转炉(所谓的BOF转炉-“碱性氧气转炉”的技术术语)中，利用吹管向金属熔体中吹入氧气。转炉具有用耐火材料制成的衬里，耐火材料能够理想地承受炉渣造成的腐蚀和吹氧过程中产生的热量。向转炉内加入废金属和石灰石(氧化钙)以冷却熔体和去除磷、硅和锰。氧气使碳燃烧以形成一氧化碳和二氧化碳。在存在氧化钙和氧化铁的情况下，锰、硅和磷被氧化并转化以形成炉渣。由于所述氧化反应是高度放热的，所以该过程需要被冷却以便控制熔体的温度。冷却是通过在吹炼过程中加入废金属和铁矿石来实现的。吹氧过程本身需要大约15-20分钟才能完成，与转炉的尺寸无关，转炉的尺寸可以是大约70-400吨。在本文中，调节吹管的氧气流量以适应转炉的尺寸和/或熔体的重量。在两次出钢之间，装载、卸载钢和炉渣(包括测量温度和采集用于分析熔体的样品)需要40-60分钟的时间。整个过程的特点是生产率高，并且生产出来的钢的杂质含量低。在出钢阶段，将炉倾斜并从而将产品通过出钢口倒入浇包。在该操作期间，向浇包内加入铁合金以控制钢的成分。氧气吹管技术的一个重大进步是穿过转炉底板向熔体加入惰性气体(通常是氩气)以便搅动熔体和炉渣。该方法显著提高了效率，并且降低了铁损和磷含量。此外，提高了该过程的热平衡和质量平衡，从而降低了成本。
上述在转炉中使用的测量探针例如参见DE 10 2005 060 492和DE 10 2005 060 493。
在电弧炉中，通过在石墨电极尖端和导电的废金属装载物之间产生的电弧的能量来熔化废金属。为了将废金属装载到炉内，提起3个电极和炉顶，以便露出填充口。电极根据预先选定的电压和预先选定的电流来保持电弧，从而提供熔化和氧化所需的能量。电弧炉的内径约为6-9米，容量为100-200吨钢。在所述电弧炉中，两个出钢阶段之间的时间通常为约90-110分钟。
在电弧炉中使用的测量探针例如参见DE 28 45 566、DE 32 03 505或DE 103 60 625。
为了监视转炉或电弧炉中的过程，需要在采样的过程中完全填充温度较低的测量探针的采样室，其中应该防止在样品中出现气泡。这种采样不是始终都很容易的，特别是在转炉的吹炼过程中，原因如下：一方面，钢熔体的理论密度变化剧烈；另一方面，由于从上方吹入气体的吹氧过程；另一方面，由于穿过转炉底板吹入的惰性气体。此外，工业上趋向于使用仅允许熔体少量过热的炉(即，在熔体温度和液线温度之间只有很小的差别)。
发明内容
因此，本发明的目的是改进现有的测量探针和采样器，并且使无气泡采样变得更容易，即：提高样品质量。优选的是，还简化把样品从测量探针中取出的过程。
根据本发明，上述目的是通过独立权利要求的特征实现的。从属权利要求中限定了有利的进一步的改进。
在金属熔体中进行测量和采样的测量探针具有布置在吹管上的测量头，所述测量头带有至少一个温度传感器和采样室，所述采样室至少部分被所述测量头包围并且包括吸入管道，所述吸入管道延伸穿过所述测量头并优选地由石英玻璃管制成，已经证明，对于上述测量探针来说，如果所述石英玻璃管的伸入所述测量头内的部分的长度L与所述石英玻璃管的最小直径D的平方的比值在所述石英玻璃管的伸入所述测量头内的部分的至少一个位置为L/D2＜0.6mm-1，那么所述测量探针就能够采集到优良的、无气泡的样品，其中所述比值优选地小于0.45mm-1，更优选地小于0.3mm-1。在金属熔体低过热的情况下，已经证明低的比值是有利的，例如，在过热大于100℃时的比值L/D2小于0.6mm-1，在过热小于80℃时的比值L/D2小于0.3mm-1。
上述目的还通过一种用于在金属熔体中进行测量和采样的测量探针实现，所述测量探针具有布置在吹管上的测量头，所述测量头带有至少一个温度传感器和采样室，所述采样室至少部分被所述测量头包围并且包括吸入管道，所述吸入管道延伸穿过所述测量头并优选地由石英玻璃管制成，其中，所述测量头具有小于20mbar(毫巴)的压差Pg，所述压差是按照如下方法确定的：首先，引导基准气流通过带有两个开口端的管并测量所述管内的压力P1，然后将所述管的一端插入到测量头的吸入管道内，引导同一基准气流通过所述管并测量所述管内的压力P2，从差值P2-P1确定测量头的压差Pg。在本文中，有利的是，测量头的压差Pg小于15mbar。这种类型的测量头还能确保获得高质量的样品。
特别有利的是，比值L/D2小于0.6mm-1，优选小于0.45mm-1，并且在上述任一种情况下测量头的压差Pg小于20mbar。
有利的是，测量头由从如下群组中选择的材料制成：陶瓷材料，水泥，钢，铸造用砂。此外，特别有利的是，采样室至少部分被用铸造用砂制成的砂体包围。此外，可以按照如下方案设计测量头，即：使得采样室在相互垂直的第一方向和第二方向上的长度大于在与所述第一方向和第二方向都垂直的第三方向上的长度，并且使得吸入管道与所述第三方向垂直地通入所述采样室。这对应于所谓的扁平采样室的设计，所述扁平采样室具有圆形或椭圆形或细长横截面和与该横截面垂直地布置的基本上为矩形的较小的横截面，其中所述较小的横截面可具有圆角。因此，吸入管道与较大横截面平行且与较小横截面垂直地延伸。此外，有利的是，测量头同时带有至少一个电化学传感器以便具有更灵活和多样的应用和能够同时测量金属熔体的更多参数。
有利的是，提供使采样室通气的可能性。采样室有利地由两个半球组成，所述两个半球可按照已知方式与采样室的纵轴线平行地分开并且通过它们的边缘保持在一起，以便当液态金属流入时允许空气从采样室排出，但液态金属不能从两个半球之间流出。有利的是，采样室布置在多孔砂体内以提供通气功能。所述两个半球被夹具压在一起并且所述采样室被牢固地固定在所述砂体内，使得两个半球不会因为在浸入熔体时产生的钢水静压力而打开。所述半球的边缘可设置有例如小孔或沟槽以便使采样室通气，由此防止了从采样室流出的熔体形成毛刺。
通常，根据本发明的测量探针从上方浸入到含有金属熔体的容器内。所述浸入过程通常例如利用自动浸入吹管自动进行。进行测量以后，带有测量探针的浸入吹管被从含有金属熔体的容器向旁边枢转出来并被扔下。在该过程中，测量探针下落数米。当撞击到地面上时，样品未被损坏并且可以容易地从采样室取出。
根据本发明，所述测量探针用于在吹炼过程期间在用于熔化钢的转炉内的金属熔体中进行测量和采样，或者用于在电弧炉内的金属熔体中进行测量和采样。
附图说明
下面参考附图通过实例更详细地描述本发明。在附图中：
图1是转炉的横截面的示意图；
图2是根据本发明具有测量头的测量探针的示意图；
图3是根据本发明的测量头的剖视图；
图4是对开口管进行的压力测量的示意图；
图5是对测量头进行的压力测量的示意图。
具体实施方式
图1示出了带有衬里2的转炉1。转炉1含有钢熔体3，炉渣层4位于钢熔体3上。为了炼钢，通过底板喷嘴5将氩气穿过转炉1的底板吹入金属熔体。通过吹管6从上方吹入氧气。除了吹管6外，还将所谓的浸入吹管7插入到转炉1内，所述浸入吹管7在其浸入端上具有测量探针8，测量探针8具有测量头9。在氧气正在被吹入的同时，通常在氧气吹入过程结束之前的大约2分钟的时候，进行测量过程。这涉及测量温度和采集用于确定碳含量的样品。测量结果允许修正吹炼模型以便能够改变钢熔体的品质。可以在完成吹氧过程之后进行第二次测量。这通常涉及测量温度和钢熔体中的活性氧含量，以及采集用于在实验室进行分析以便确定钢的最终成分的样品。根据氧含量，可以在几秒钟内确定钢中的当前碳含量。此外，可以算出所需的脱氧剂(铝)的量。
图2所示的测量探针8具有布置在承载管10的浸入端上的测量头9。为了保护吸入孔和传感器，测量头9包括塑料盖11，该塑料盖11在通过炉渣4期间被燃烧掉，从而使传感器系统和吸入孔进入金属熔体。塑料盖11可在其内侧增设金属盖或金属层，所述金属盖或金属层可由钢形成并在测量探针所测量的钢熔体内熔化。测量头9包括由铸造用砂制成的砂体12，砂体12包括多个肋13，砂体12借助这些肋13被压入到承载管10内以便被牢固地保持住。连接电缆布置在测量头9的后侧端部上并用于将传感器获得的信号穿过承载管10和浸入吹管7传递到分析装置。
在图3中以横截面示意性示出的测量头9具有作为温度传感器的热电偶15，该热电偶15被金属盖16包围并且借助耐火水泥17布置在测量头9内。在其位于测量头9内部的后端上，热电偶15包括用于把热电偶导线连接到连接电缆上的连接件18。此外，具有采样室19的采样器和作为吸入管的石英玻璃管20也布置在测量头9的砂体12内，该砂体12是用铸造用砂制成的。石英玻璃管20从砂体12伸出大约1厘米。石英玻璃管20的外部吸入孔被金属盖25(由钢制成)封闭，纸板盖26布置在金属盖25上方，纸板盖26在浸入到钢熔体内时或浸入到钢熔体内之后被破坏，从而露出石英玻璃管20的外部吸入孔。长度L表示布置在测量头9的砂体12内的吸入管的位于其进入采样室19之处和其从砂体12伸出之处之间的长度。这就是所谓的安装长度。直径D表示安装长度L内的最小直径。在所示实例中，比值L/D2＝0.22mm-1并产生无气泡样品，而在根据现有技术的对应探针中，该比值约为1.43mm-1。
采样室19借助砂体12的砂肋21通过压配合固定在砂体12内。
根据图4所示的示意图开始在管22内进行压力测量，管22的两端是开口的，并且其外径被合适地设置为允许其滑入石英玻璃管20内。箭头23表示流动的气体(优选为空气)的流动方向，通过压力计24确定气体的压力P1。管22的位于压力计24和石英玻璃管20之间的长度约为2厘米，内径约为4毫米。
图5示出了在执行了根据图4的测量之后，滑入到石英玻璃管20内的管22的示意图。随着再次导入气体，通过压力计测量压力P2。差值P2-P1是测量头的压差Pg。在各种情况下，在气体以流量800l/h(升/小时)流过时测量压力，其中气体流量是以所谓的“标准升”，即在20℃的室温和1013hPa(百帕)的标准气压下测量的值，为基础的。在所示实例中确定的压差小于15mbar。在所述压差下获得了质量良好的样品。

Claims (14)

1.一种在金属熔体中进行测量和采样的测量探针，所述测量探针具有布置在吹管上的测量头，所述测量头带有至少一个温度传感器和采样室，所述采样室至少部分被所述测量头包围并且包括延伸穿过所述测量头的吸入管道，所述吸入管道包括在所述测量头内延伸且具有长度L的内部部分和至少在位于所述内部部分中的一个位置处的最小直径D，其特征在于，
比值L/D2小于0.6mm-1。
2.根据权利要求1所述的测量探针，其特征在于，
所述比值L/D2小于0.45mm-1。
3.根据权利要求2所述的测量探针，其特征在于，
所述比值L/D2小于0.3mm-1。
4.根据权利要求1所述的测量探针，其特征在于，
所述测量头的压差Pg小于20毫巴，所述压差Pg是按照如下方法确定的：首先，引导基准气流通过带有两个开口端的管并测量所述管内的压力P1，然后将所述管的一端插入到所述测量头的吸入管道内，引导同一基准气流通过所述管并测量所述管内的压力P2，从差值P2-P1确定所述测量头的压差Pg。
5.根据权利要求4所述的测量探针，其特征在于，
所述比值L/D2小于0.45mm-1。
6.根据权利要求4所述的测量探针，其特征在于，
所述比值L/D2小于0.3mm-1。
7.根据权利要求1所述的测量探针，其特征在于，
所述测量头的压差Pg小于20毫巴。
8.根据权利要求1或7所述的测量探针，其特征在于，
所述测量头由从如下群组中选择的材料制成：陶瓷材料，水泥，钢，铸造用砂。
9.根据权利要求1或7所述的测量探针，其特征在于，
所述吸入管道是用石英玻璃管制成的。
10.根据权利要求1或7所述的测量探针，其特征在于，
所述采样室至少部分被由铸造用砂制成的砂体包围。
11.根据权利要求1或7所述的测量探针，其特征在于，
所述采样室在相互垂直的第一方向和第二方向上的长度大于在与所述第一方向和第二方向都垂直的第三方向上的长度，并且所述吸入管道与所述第三方向垂直地通入所述采样室。
12.根据权利要求1或7所述的测量探针，其特征在于，
所述测量头还带有至少一个电化学传感器。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的测量探针在吹炼过程期间在用于炼钢的转炉中的金属熔体中进行测量和采样的应用。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的测量探针在电弧炉中的金属熔体中进行测量和采样的应用。
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