CN115468914B - 一种用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冶金高温熔体激光诱导击穿光谱在线检测装置，特别涉及一种用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪。包括耐热管、风管、滑管、中间管及内管，其中内管、中间管及风管由内到外依次同轴嵌套，内管为激光通道，内管的下端设有透镜组，耐热管的上端滑动连接在中间管和风管之间，耐热管的下端为探测端；内管与中间管之间为惰性气体流道；中间管与风管之间为冷却气体流道；滑管滑动连接在风管的外侧，且滑管与风管之间为排风通道，风管的侧壁上设有与排风通道连通的多个风孔。本发明可有效缩短耐热管的长度，并通过气冷设计提高了连接部位的抗高温性能，可延长探枪使用寿命，降低探枪使用成本。

Description

一种用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪

技术领域

本发明涉及冶金高温熔体激光诱导击穿光谱在线检测装置，特别涉及一种用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪。

背景技术

现有的基于激光诱导击穿光谱（LIBS）技术的液态金属或其它高温熔体在线检测装置，为适应高温环境，普遍采用的技术方案是在检测装置前端设置内部通有惰性气体的耐高温管，以维持检测环境和排除干扰物质，并采用插入液态金属内部的采样方式进行检测。现有的检测装置通过增加层数、设置水冷或气冷等方式，实现对耐高温管本身或内部器件的冷却，耐高温管往往采用与探枪主体不同的可更换陶瓷材料制成。在实际应用时，例如钢水的在线测量，由于钢包是在产线上是运转状态，必须采用往复插拔的检测方式，由此带来的热冲击问题必须考虑。此外，为实现有效采样还必须具备一定的检测深度，按照现有的常规技术方案，则必然需要通过增加耐热管的长度以提高其连接处与高温液面距离的方式来降低温度。但这样一来就无法避免的产生因耐高温管过长而带来的成本高、更换困难、易损坏等问题。另外，由于液态金属及其表面熔渣的粘连和侵蚀性，耐高温管必须要定期维护和更换。但常规解决方案更换耗时长，将产生额外的能耗及碳排放问题，上述问题限制了激光诱导击穿光谱技术的液态金属或其它高温熔体在线检测装置的实际应用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪，以解决决现有技术中在探枪插入高温液面足够深度和反复插拔情况下所面临的的高温密封连接、热振、耐热管长度较长问题，以及由此造成的成本高、拆卸速度慢、维护耗时、使用过程易损伤等问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪，包括耐热管、风管、滑管、中间管及内管，其中内管、中间管及风管由内到外依次同轴嵌套，内管的下端设有透镜组，耐热管的上端滑动连接在中间管和风管之间，耐热管的下端为探测端；滑管滑动连接在风管和耐热管的外侧，风管上设有与滑管的内腔连通的多个风孔及用于锁定耐热管的锁定结构；

内管为激光通道，内管与中间管之间的环腔为惰性气体流道；中间管与风管之间的环腔为冷却气体流道；耐热管通过流经滑管的冷却气体进行冷却。

所述中间管的下部外侧套设有密封环；

所述密封环包括圆环主体，圆环主体的下端通过密封面与所述耐热管的上端密封接触；圆环主体的上端设有可伸缩的波形结构，波形结构的上端部与所述中间管固定连接，圆环主体的外圆周上设有多个翅片，翅片与所述风管侧壁上的风孔相对应。

所述滑管包括由内到外同轴设置的滑管内层和滑管外层，滑管内层和滑管外层的上端通过滑管端面密封，滑管内层和滑管外层之间形成滑管空隙，滑管内层与所述风管滑动配合，滑管内层上沿周向设有与所述风管侧壁上的风孔一一对应的滑管风孔，滑管外层的下端沿轴向向下延伸，且端部设有下端面，下端面与所述耐热管的外壁之间留有间隙，形成出风通道。

所述风管的外侧设有上限位凸起和下限位凸起，所述滑管内层位于上限位凸起和下限位凸起之间，上限位凸起和下限位凸起用于限定所述滑管内层的滑动行程，所述风孔位于上限位凸起和下限位凸起之间。

所述滑管的上端设有弹性件，弹性件的上端与所述风管连接。

所述锁定结构包括沿周向设置于所述风管的侧壁上的多个珠孔及容置于各珠孔内的卡珠；珠孔位于所述风孔的下方；

所述耐热管的上部外壁沿周向设有凹槽，卡珠容置于凹槽内，实现所述耐热管的锁紧。

所述滑管内层的下部沿周向设有环槽，当所述滑管向上滑动至环槽与卡珠相对应时，卡珠落入环槽内，实现所述耐热管的解锁，同时锁定所述滑管。

所述密封环的密封面外缘沿轴向设有延伸壁，延伸壁能容纳所述耐热管的密封端；

在未安装所述耐热管时，所述密封环处于自然状态，且延伸壁将所述卡珠限位在所述滑管内层的环槽内。

所述锁定结构包括沿周向设置于所述风管下端的多个弹性爪，各弹性爪的末端设有沿径向向内凸起的定位凸起；

所述耐热管的上部外壁沿周向设有凹槽，凹槽与弹性爪上的定位凸起配合，再通过所述滑管锁定弹性爪，从而实现所述耐热管的锁紧。

所述内管和所述中间管之间设有夹层管，夹层管的下端延伸至靠近所述耐热管的探测端，所述内管与夹层管之间为惰性气体进入流道，夹层管与所述耐热管和所述中间管之间为惰性气体排出流道。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提供的一种用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪，通过气冷设计提高了连接部位的抗高温性能，可有效缩短耐热管的长度，进而延长探枪使用寿命，降低探枪使用成本；

本发明实现高温密封和快速装卸相结合，解决耐热管在热振环境下的高温密封和快速装卸，从而提高探枪维护效率，降低能耗，同时装卸过程不会影响探枪内部的气密性和准直性要求，操作过程简单，易于维护。

附图说明

图1为本发明一实施例中一种用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪的结构示意图；

图2为本发明一实施例中密封环的结构示意图；

图3 为本发明一实施例中耐热管的结构示意图；

图4 为本发明一实施例中滑管的结构示意图；

图5 为本发明一实施例中风管的结构示意图；

图6 为本发明另一实施例中一种用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪的结构示意图；

图7为本发明又一实施例中一种用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪的结构示意图；

图8为本发明又一实施例中密封环的结构示意图；

图9为本发明又一实施例中风管的局部结构示意图；

图中：1-耐热管，11-大口，12-小口，13-引导面，14-凹槽，2-风管，21-卡珠，22-珠孔，23-上限位凸起，24-下限位凸起，25-风孔，26-弹性爪，27-定位凸起，3-滑管，31-滑管内层，32-滑管外层，33-滑管端面，34-环槽，35-滑管风孔，36-滑管空隙，37-出风通道，38-弹性件，4-中间管，41-密封环，42-圆环主体，43-波形结构，44-翅片，45-密封面，46-延伸壁，5-内管，51-透镜组，6-夹层管，61-进气层，62-排气层，63-排气口，100-激光，101-高温液态金属，102-惰性气流，103-冷却气体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明一实施例中提供一种用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪，包括耐热管1、风管2、滑管3、中间管4及内管5，其中内管5、中间管4及风管2由内到外依次同轴嵌套，内管5为激光通道，内管5的下端设有透镜组51。耐热管1的上端滑动连接在中间管4和风管2之间，耐热管1的下端为探测端；内管5与中间管4之间的环腔为惰性气体流道；中间管4与风管2之间的环腔为冷却气体流道；滑管3滑动连接在风管2和耐热管1的外侧，风管2的侧壁上设有与滑管3的内腔连通的多个风孔25，流经滑管3内的冷却气体103对耐热管1进行冷却。

进一步地，如图1-2所示，中间管4的下部外侧套设有密封环41，密封环41下端通过密封面45与耐热管1的上端密封接触。

本发明的实施例中，密封环41包括圆环主体42，圆环主体42的下端为密封面45，圆环主体42的上端设有具有弹性和密封性的波形结构43，波形结构43的上端部与中间管4的外部密封固定连接，进一步获得更大的散热面积并增加气流的流通性。圆环主体42的外圆周上设有多个翅片44，翅片44与风管2侧壁上的风孔25相对应。在耐热管1的推动下，圆环主体42可沿中间管4滑动并压缩波形结构43。在圆环主体42的任意滑动位置，翅片44均覆盖风孔25。

具体地，翅片44在密封环圆周方向上的分布为斜齿分布，为了进一步获得更大的散热面积，翅片的结构还可以是波浪形，且翅片44之间的沟槽底部成圆弧形，从而更好的引导流经翅片间的气流方向。

如图1、图4所示，本发明的实施例中，滑管3包括由内到外同轴设置的滑管内层31和滑管外层32，滑管内层31和滑管外层32的上端通过滑管端面33密封，形成半封闭式筒形结构。滑管内层31和滑管外层32之间相间隔形成滑管空隙36，滑管内层31与风管2滑动配合，滑管内层31上沿周向设有与风管2侧壁上的风孔25一一对应的滑管风孔35，在滑管3的任意滑动位置处滑管风孔35均与风孔25相交。滑管外层32的下端沿轴向向下延伸，且下端部设有下端面，下端面上设有出风通道37；滑管内层31包含在下端面的内侧，下端面与耐热管1的外壁之间留有间隙，形成出风通道37。滑管外层32可屏蔽来自空间的热辐射，降低热量输入，出风通道37所形成强制对流散热可起到冷却作用，二者相结合可进一步的控制密封环41及耐热管1连接处的温升，提高耐高温效果。

进一步地，滑管内层31的下部沿周向设有环槽34，用以锁定滑管3。

如图3所示，本发明的实施例中，耐热管1的探测端为锥形结构，锥形结构具有小口12，耐热管1的上端部为大口11，大口11的外缘设有引导面13，方便耐热管1的安装。进一步地，耐热管1的上端部外圆周上设有环形结构的凹槽14，用以锁定耐热管1。优选地，凹槽14的底部为圆弧形底面。在检测高温液态金属101成分时，耐热管1作为采样的一端，通常采用浸没的方式插入高温液态金属101内部。透镜组51匹配激光100和信号光波长，用于同时会聚激光和收集激光所诱导的离子体信号光，平行入射的激光束经过透镜组51后在耐热管1内部逐渐会聚至耐热管1的小口12处，在高温液态金属101表面诱导等离子，再经由透镜组51逆向收集至信号采集方向。

如图5所示，本发明的实施例中，风管2的外侧设有上限位凸起23和下限位凸起24，风孔25位于上限位凸起23和下限位凸起24之间，本实施例中，风孔25可以为圆孔，也可以为与风管2轴向平行或相交分布的长孔。如图1所示，滑管内层31位于上限位凸起23和下限位凸起24之间，上限位凸起23和下限位凸起24用于限定滑管内层31的滑动行程。

进一步地，风管2的侧壁上沿周向设有多个珠孔22，珠孔22位于风孔25的下方，各珠孔22内均容置有卡珠21；当卡珠21容置于耐热管1的凹槽14内时，实现耐热管1的锁紧，如图1所示。当滑管3向上滑动至环槽34与卡珠21相对应时，卡珠21落入环槽34内，实现耐热管1的解锁，同时锁定滑管3。为防止卡珠21掉落至风管2内部，本实施例中珠孔22的形状为锥形或沉孔形式，为卡珠21提供单向的限位约束。

进一步地，滑管3的上端设有弹性件38，弹性件38的下端与滑管端面33连接，上端与风管2连接。当滑管3向上限位凸起23方向滑动时，滑管端面33压缩弹性件38，使滑管3具有回归下限位凸起24的趋势，从而稳定滑管3的自然位置。

本发明一实施例提供的一种用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪，其工作原理是：

安装耐热管1时，推动滑管3触达上限位凸起23，此时环槽34到达珠孔22位置，推动耐热管1时引导面13将首先与卡珠21接触，在引导面13的斜面作用力下，卡珠21的部分退入环槽34内，从解除对耐热管1的运动限制的同时锁止滑管3。继续推动耐热管1，耐热管1将与密封面45接触并持续压缩波形结构43，此时，滑管3在弹性件38的推动下迫使卡珠21有向耐热管1外壁挤压的趋势。当耐热管1的凹槽14到达珠孔22位置，卡珠21顺式退出环槽34并嵌入凹槽14内，滑管3失去卡珠21的限位作用，在重力和弹性件38的作用下回落触达下限位凸起24，此时卡珠21将被限制在珠孔22和凹槽14中，完成对耐热管1的锁止作用。在安装耐热管1的整个过程中只有简单的推拉动作，安装过程十分快捷。同时，由于耐热管1上的结构十分简单，最大限度的保证了耐热管1的强度和稳定性。

采样时，耐热管1浸没入高温液态金属101中，中间管4与风管2之间的空隙通有冷却气体103，冷却气体103分别流经波形结构43、翅片44、风孔25、滑管风孔35，并从滑管3下端的出风通道37通往大气，形成风冷流；风冷流对密封环41、耐热管1的大口端面附近起到强制对流冷却，维持波形结构43的弹性及其密封压紧力，使耐热管1在具备快装性的同时还能够维持在高温状态下的密封性能。惰性气流102自内管5和中间管4之间的空隙中流入耐热管1中，再从小口12排向高温液态金属101中，为激光100和信号光提供洁净的惰性环境，同时排除耐热管1中的杂质。

拆卸时耐热管1时，推动滑管3触达上限位凸起23，此时环槽34到达珠孔22位置，滑管3失去卡珠21的限位作用，耐热管1在重力和密封环41的推动下推动卡珠21进入环槽34中，直至耐热管1完全退出。

如图6所示，本发明的另一实施例提供一种用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪，该实施例是在上述实施例的基础上，在内管5和中间管4之间进一步设置夹层管6，夹层管6的下端延伸至靠近耐热管1的探测端，内管5与夹层管6之间为惰性气体进入流道，夹层管6与耐热管1和中间管4之间为惰性气体排出流道。

本发明的另一实施例中，通过在中间管4与内管5之间的空隙中设置夹层管6，从而将惰性气流102分割为进气层61和排气层62，进气层61的下端为排气口63。由于排气口63越过夹层管6的端面并与耐热管1形成三通结构，惰性气流102由进气层61在三通结构处分别进入耐热管1的小口12和排气层62。由于惰性气流102被排气层62分流，从而在保证溢出小口12具有较小流量以维持小口12处采样液面的稳定性，同时具备较大的气流量，可对耐热管1内的惰性气体环境的洁净性和透镜组51的散热环境起到增益作用。

如图7、图8所示，本发明的又一实施例提供一种用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪，该实施例是在上述第一实施例或第二实施例的基础上，将密封环41的密封面45的外缘沿轴向延伸有薄壁结构的延伸壁46，延伸壁46能容纳耐热管1的密封端；在未安装耐热管1时，密封环41处于自然状态，且延伸壁46将卡珠21限位在滑管内层31的环槽34内，实现滑管3的锁定。

具体地，在未安装耐热管1时，波形结构43处于未被压缩的自然状态，滑管3处于上限位凸起23状态，此时卡珠21处于在延伸壁46和珠孔22、环槽34之间，从而限制滑管3回落。当安装耐热管1时，延伸壁46释放卡珠21进入凹槽14，滑管3失去卡珠21的限位作用而回落至下限位凸起24，耐热管1被锁住。拆卸耐热管1时，推动滑管3，滑管3将被卡珠21限制在上限位凸起23处，耐热管1被释放。该优化方案由于仅靠推耐热管1和滑管3便能够完成卡锁动作，因此将进一步提高耐热管1的拆装速度。

如图9所示，本发明的又一实施例中，锁定结构包括沿周向设置于风管2下端的多个弹性爪26，各弹性爪26的末端设有沿径向向内凸起的定位凸起27；耐热管1的上部外壁沿周向设有凹槽14，凹槽14与弹性爪26上的定位凸起27配合，将滑管3下滑，通过滑管内层31锁定弹性爪26，从而实现耐热管1的锁紧。

本发明涉及一种用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪，具有在插入高温液面足够深度情况下，在保证高温密封的可靠性的同时实现快速更换，并且最大化缩短耐热管长度，从而降低耐热管的耗材成本和损伤概率，减少耐热管的更换时间。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪，其特征在于，包括耐热管（1）、风管（2）、滑管（3）、中间管（4）及内管（5），其中内管（5）、中间管（4）及风管（2）由内到外依次同轴嵌套，内管（5）的下端设有透镜组（51），耐热管（1）的上端滑动连接在中间管（4）和风管（2）之间，耐热管（1）的下端为探测端；滑管（3）滑动连接在风管（2）和耐热管（1）的外侧，风管（2）上设有与滑管（3）的内腔连通的多个风孔（25）及用于锁定耐热管（1）的锁定结构；

内管（5）为激光通道，内管（5）与中间管（4）之间的环腔为惰性气体流道；中间管（4）与风管（2）之间的环腔为冷却气体流道；耐热管（1）通过流经滑管（3）的冷却气体（103）进行冷却；

所述中间管（4）的下部外侧套设有密封环（41）；

所述密封环（41）包括圆环主体（42），圆环主体（42）的下端通过密封面（45）与所述耐热管（1）的上端密封接触；圆环主体（42）的上端设有可伸缩的波形结构（43），波形结构（43）的上端部与所述中间管（4）固定连接，圆环主体（42）的外圆周上设有多个翅片（44），翅片（44）与所述风管（2）侧壁上的风孔（25）相对应；

所述滑管（3）包括由内到外同轴设置的滑管内层（31）和滑管外层（32），滑管内层（31）和滑管外层（32）的上端通过滑管端面（33）密封，滑管内层（31）和滑管外层（32）之间形成滑管空隙（36），滑管内层（31）与所述风管（2）滑动配合，滑管内层（31）上沿周向设有与所述风管（2）侧壁上的风孔（25）一一对应的滑管风孔（35），滑管外层（32）的下端沿轴向向下延伸，且端部设有下端面，下端面与所述耐热管（1）的外壁之间留有间隙，形成出风通道（37）；

所述滑管（3）的上端设有弹性件（38），弹性件（38）的上端与所述风管（2）连接。

2.根据权利要求1所述的用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪，其特征在于，所述风管（2）的外侧设有上限位凸起（23）和下限位凸起（24），所述滑管内层（31）位于上限位凸起（23）和下限位凸起（24）之间，上限位凸起（23）和下限位凸起（24）用于限定所述滑管内层（31）的滑动行程，所述风孔（25）位于上限位凸起（23）和下限位凸起（24）之间。

3.根据权利要求1所述的用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪，其特征在于，所述锁定结构包括沿周向设置于所述风管（2）的侧壁上的多个珠孔（22）及容置于各珠孔（22）内的卡珠（21）；珠孔（22）位于所述风孔（25）的下方；

所述耐热管（1）的上部外壁沿周向设有凹槽（14），卡珠（21）容置于凹槽（14）内，实现所述耐热管（1）的锁紧。

4.根据权利要求3所述的用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪，其特征在于，所述滑管内层（31）的下部沿周向设有环槽（34），当所述滑管（3）向上滑动至环槽（34）与卡珠（21）相对应时，卡珠（21）落入环槽（34）内，实现所述耐热管（1）的解锁，同时锁定所述滑管（3）。

5.根据权利要求4所述的用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪，其特征在于，所述密封环（41）的密封面（45）外缘沿轴向设有延伸壁（46），延伸壁（46）能容纳所述耐热管（1）的密封端；

在未安装所述耐热管（1）时，所述密封环（41）处于自然状态，且延伸壁（46）将所述卡珠（21）限位在所述滑管内层（31）的环槽（34）内。

6.根据权利要求1-2任一项所述的用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪，其特征在于，所述锁定结构包括沿周向设置于所述风管（2）下端的多个弹性爪（26），各弹性爪（26）的末端设有沿径向向内凸起的定位凸起（27）；

所述耐热管（1）的上部外壁沿周向设有凹槽（14），凹槽（14）与弹性爪（26）上的定位凸起（27）配合，再通过所述滑管（3）锁定弹性爪（26），从而实现所述耐热管（1）的锁紧。

7.根据权利要求1所述的用于高温熔体成分分析的信号激发及采样探枪，其特征在于，所述内管（5）和所述中间管（4）之间设有夹层管（6），夹层管（6）的下端延伸至靠近所述耐热管（1）的探测端，所述内管（5）与夹层管（6）之间为惰性气体进入流道，夹层管（6）与所述耐热管（1）和所述中间管（4）之间为惰性气体排出流道。

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