CN117795320A - 耐火喷枪组件和耐火喷枪管 - Google Patents

Abstract

描述了耐火喷枪组件和复合耐火喷枪的各种实施例。在一个实施例中，提供了耐火喷枪组件，耐火喷枪组件包括：浸入管和延伸管，浸入管具有浸入末端，浸入末端可浸入熔体内，延伸管联接在浸入管的相反端部，以与浸入管形成纵向延伸的复合管，在该纵向延伸的复合管中限定了光学路径，其中，所述纵向延伸的复合管在使用中可注入有惰性气体，以形成并探测浸入后熔体表面。组件还包括护罩，护罩纵向地包围复合管并可注入有惰性气体，以减轻复合管和浸入后熔体表面的流体污染。

Description

耐火喷枪组件和耐火喷枪管

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年8月5日提交且名称为“耐火喷枪组件和耐火喷枪管”的申请号为63/229,749的美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请的全部公开内容通过引用并入本文中。

技术领域

本公开内容涉及火法冶金工艺和监测，并且，具体地，涉及耐火喷枪组件和耐火喷枪管。

背景技术

在不同的火法冶金工艺中，及时测定熔融材料的化学成分对于实现有效的过程控制至关重要。通常，需要特定构成元素的定量测定，以通知操作参数调整，进而获得具有期望的成分或特性的产品。然而，火法冶金工艺固有的苛刻条件，包括高温，使熔融材料的直接成分测量变得困难。这在钢铁工业中尤其如此，其中为1500℃或更高温度的量级的熔融材料流是常见的。

多种方法可用于具有高熔点的熔融材料的成分测量。例如，最简单的方法涉及从熔融材料熔池中采集样品，使样品冷却或淬火，费力地制备样品用于分析，并且最后，使用离线实验室设备分析成分。该方法的一个缺点是样品采集与成分测定之间的时间延迟(从几分钟到几小时)，该时间延迟不可避免地发生。此外，由于该方法的离线性质，熔融材料的实时和/或连续的成分测量是不可能的，并且因此操作员必须根据具体应用来选择离散的时间点进行测量。

为了获得对具有高熔点的熔融材料的更连续的成分测量，可以使用各种间接感测装置。间接感测涉及测量与直接成分测量相比不太复杂地获得的性质，诸如熔融材料的温度、氧活度或废气成分，并且使用已知的材料关系来将这种间接测量的性质往回与熔融材料的成分相关联。间接方法在准确性方面受到限制。例如，一些间接方法，诸如温度测量，仅与受温度严重影响的选定元素或化合物的测量相关。此外，依赖于一些假设(例如热力学平衡的假设)，可能会导致计算成分的误差(例如通过忽略动力学的影响)。

因此，为了提供熔融材料的直接的、实时的和连续的成分测量，可以使用激光诱导击穿光谱(LIBS)。在LIBS的通常配置中，LIBS涉及从远程位置朝向熔融材料的目标点重复发射短的高能量激光脉冲，以烧蚀或蒸发物质来形成等离子体。等离子体发射电磁辐射，经由光谱仪对该电磁辐射进行分析，并且与其他光谱技术一样，该分析通过分析等离子体的光谱特征而与元素的成分和/或浓度相关。使用传统LIBS来执行熔融材料的成分测量的系统的一个缺点是，熔体表面通常在冶金学上不同于主体熔体，并且因此可能无法提供主体熔体的适当代表性的测量。这可能是由于多种原因造成的，诸如在熔体的表面材料与大气之间发生的反应(例如氧化)、或漂浮在熔体的表面上的残留炉渣、原料和其他杂质。

为了解决这个问题，一些LIBS方法涉及将喷枪插入到通常填充有惰性气体的熔体中，并引导激光脉冲穿过喷枪。在将喷枪插入到熔体中时，通常在喷枪中存在刚好足够的压力来平衡熔融材料在测量点处的静压力，同时保持熔体的表面相对静止。在相对静止的表面上的成分测量简化了LIBS测量，但引入了其他冶金问题。主要地，熔融材料(特别是金属)通常是异质的，包括各种小球、夹杂物等。因此，停滞表面的测量仍然可能无法代表主体熔体，尤其是在熔池停滞的情况下。

为此，于2005年6月21日授予卢卡斯等人的、专利号为6,909,505的美国专利描述了“起泡方法”，该方法包括将喷枪的末端插入到熔融材料中(在炉渣下方)，使气体流动通过喷枪以在该喷枪的端部处起泡、进入熔融材料中，并且然后，通过LIBS测量气泡的内表面上的成分。因此，起泡方法提供了用于获得熔融材料的实时的、在线的成分测量的方法。虽然起泡方法引入了其自身的挑战，诸如来自气泡的随机波动引起在检测器处接收到的等离子体发射光的波动，但从冶金学的角度来看，起泡方法被认为是优越的，因为测量表面不断地被来自主体熔体的新材料更新。该起泡方法对于熔融的铝、锌、铅和其他低熔点金属是有效的，该其他低熔点金属通常具有高达1000℃的熔化温度。

用于实时的、连续的LIBS成分测量的现有喷枪，诸如在起泡方法中使用的那些喷枪，在高温下经受严重的不利条件，包括低机械强度、插入到熔体中期间的热冲击、熔融材料和/或炉渣的腐蚀、以及熔融条件下的化学反应性。例如，这种喷枪通常由诸如矾土之类的多孔陶瓷制造，该多孔陶瓷表现出耐腐蚀性和耐热冲击性。然而，由于多孔陶瓷的孔径可以在6nm至500μm之间变化，这些喷枪通常是可渗透的，这是有问题的，特别是在要进行灵敏的LIBS测量的情况下。其他已知的喷枪由熔融石英或SiAlON II制造，这两者都不足以在高温下耐腐蚀和耐热冲击。而其他已知的喷枪需要附加的冷却机构来承受高温，这存在安全隐患并且因此是不期望的。

提供该背景信息是为了揭示申请人认为可能相关的信息。这不一定旨在承认，也不应该被解释为承认，任何前述信息构成现有技术或形成相关领域中的一般公知常识的一部分。

发明内容

下面呈现了本文描述的总体发明构思的简化概述，以提供对本公开内容的一些方面的基本理解。该概述并不是本公开内容的广泛综述。该概述不旨在限制本公开内容的实施例的关键的或重要的元素，或不旨在将它们的范围限定在超出由以下描述和权利要求明确地或隐含地描述的范围之外。

存在对于耐火喷枪组件和耐火喷枪管的需要，该耐火喷枪组件和耐火喷枪管克服已知技术的一些缺点，或者至少提供对已知技术的有用替代方案。因此，本公开内容的一些方面提供了耐火喷枪组件和耐火喷枪管的示例。

根据一个方面，提供了耐火喷枪组件，该耐火喷枪组件与光学传感系统一起使用以光学地探测熔体。耐火喷枪组件包括浸入管和延伸管，该浸入管具有浸入末端，该浸入末端可浸入熔体内，延伸管联接在浸入管的相反端部处，以形成纵向延伸的复合管，在该纵向延伸的复合管中限定了光学路径，该光学路径用于与光学传感系统进行光学对准。纵向延伸的复合管在使用中可注入有惰性气体，以经由浸入末端在熔体内形成浸入后熔体表面，以便在所述浸入后熔体表面暴露于所述惰性气体时，经由所述光学路径光学地探测所述浸入后熔体表面。耐火喷枪组件还包括护罩，该护罩纵向地包围纵向延伸的复合管，以在护罩与纵向延伸的复合管之间限定包围体积。延伸管与浸入管的相反端部的联接部被包围在包围体积内，而浸入末端从护罩纵向地延伸以浸入熔体内。包围体积可注入有惰性气体，以减轻经由联接部对纵向延伸的复合管和浸入后熔体表面的流体污染。

在一个实施例中，护罩同轴地包围纵向延伸的复合管。

在一个实施例中，护罩朝向浸入末端纵向地延伸超出联接部至少一英寸。

在一个实施例中，护罩朝向浸入末端纵向地延伸超出联接部至少两英寸。

在一个实施例中，浸入管和延伸管具有相似的热膨胀系数。

在一个实施例中，浸入管是耐腐蚀和耐热冲击的，以在至少1500℃的温度保持结构完整性，而延伸管由相对更低的耐腐蚀性和耐热冲击性限定。

在一个实施例中，浸入管的相反端部紧密地接收在延伸管的联接端部内，或延伸管的联接端部紧密地接收在浸入管的相反端部内。

在一个实施例中，浸入管包括无孔陶瓷圆柱体。

在一个实施例中，无孔陶瓷圆柱体由材料中的任一种制造：氮化硼；具有至少40％二氧化锆(氧化锆)的氮化硼；氧化锆硅酸盐氮化硼(ZSBN)，其包括在氮化硼和硼硅酸盐玻璃的基质中的大致45％氧化锆。

在一个实施例中，至少浸入管的浸入末端包括陶瓷圆柱体，该陶瓷圆柱体涂覆有绝缘无孔陶瓷层。

在一个实施例中，陶瓷圆柱体包括氧化铝(矾土)。

在一个实施例中，绝缘无孔陶瓷层由以下材料中的任一种制造：氮化硼；具有至少40％氧化锆的氮化硼；或ZSBN，其包括在氮化硼和硼硅酸盐玻璃的基质中的大致45％氧化锆。

在一个实施例中，延伸管包括金属圆柱体，该金属圆柱体由以下金属中的任意一种或多种制造：钼、铬、铱、铌、锇、钨、钽或其合金。

在一个实施例中，延伸管包括无孔陶瓷圆柱体，该无孔陶瓷圆柱体由以下材料中的任意一种或两种制造：SiAlON，或SiAlON II。

在一实施例中，纵向延伸的复合管还包括联接器，该联接器在浸入管和延伸管之间的联接部处，其中，联接器由以下材料中的任意一种或两种制造：硼硅酸盐，或硼酸钙。

在一个实施例中，纵向延伸的复合管还包括联接器，该联接器联接浸入管和延伸管，其中，联接器包括一个或多个套圈，浸入管的端部和延伸管的端部能够被接收在一个或多个套圈中，使得一个或多个套圈形成覆盖联接部的绝缘护套。

在一个实施例中，延伸管可以在两个或更多个热循环中重复使用，而浸入管可以用一个或多个替代浸入管替换。

在一个实施例中，包围体积内的惰性气体被加压，以朝向熔体释放，从而减少熔体表面氧化。

在一个实施例中，惰性气体包括氩气。

在一个实施例中，光学传感系统包括激光诱导击穿光谱(LIBS)系统，光学测量包括LIBS成分测量，并且光学路径终止于光学窗口、与LIBS系统光学对准。

在一个实施例中，熔体包括至少部分熔融的铁、钢、镍、铜、铂或其合金。

根据另一方面，提供了耐火喷枪管，其用于光学地探测熔体，该耐火喷枪管包括：浸入管和延伸管，该浸入管具有浸入末端，该浸入末端可浸入熔体内，延伸管联接在浸入管的相反端部处，以与浸入管形成纵向延伸的复合管，在该纵向延伸的复合管中限定了光学路径；其中，浸入管至少部分地由无孔陶瓷制造，该无孔陶瓷在至少1500℃的温度基本上耐腐蚀和耐热冲击。

在一个实施例中，浸入管可释放地联接到延伸管，以用至少一个替代浸入管替换。

在一个实施例中，无孔陶瓷包括以下材料中的任意一种或多种：氮化硼；具有至少40％二氧化锆(氧化锆)的氮化硼；或氧化锆硅酸盐氮化硼(ZSBN)，其包括在氮化硼和硼硅酸盐玻璃的基质中的大致45％氧化锆。

在一个实施例中，延伸管由金属制造。

在一个实施例中，该金属包括以下金属中的任意一种或多种：钼、铬、铱、铌、锇、钨、钽或其合金。

在一个实施例中，纵向延伸的复合管还包括联接器，该联接器在浸入管和延伸管之间，其中，联接器由以下材料中的任意一种或两种制造：硼硅酸盐，或硼酸钙。

在一个实施例中，浸入管包括氧化铝(矾土)管，该氧化铝(矾土)管至少部分地在浸入末端处涂覆有该无孔陶瓷。

在一个实施例中，熔体包括至少部分熔融的铁、钢、镍、铜、铂或其合金。

在阅读以下通过参考所附附图仅以示例方式给出的具体实施例的非限制性描述后，其他方面、特征和/或优点将变得更加显而易见的。

附图说明

将参考所附附图仅以示例方式提供本公开内容的多个实施例，在附图中：

图1是根据一个实施例的耐火喷枪组件的示意图，其中，环绕复合管的套筒或护罩在一个端部处是敞开的；

图2是根据另一实施例的耐火喷枪组件的侧视图，其中，环绕复合管的套筒或护罩在一个端部处是封闭的；

图3是图2中所示的耐火喷枪组件在如图2中所指示的截面A-A处的纵向剖视图，展现了第一管和第二管之间的联接；

图4是图2和图3中所示的耐火喷枪组件在如图2中所指示的截面D-D处的剖视图；

图5是图2至图4中所示的耐火喷枪组件的放大图，图示了如在图3中所指示的细节部分E和F，并且图5表明了第二管的长度是可变的；

图6是图2至图5中所示的耐火喷枪组件的相应的底部立体图和顶部立体图，示出了复合管，其中复合管的联接部由套管或护罩包围；

图7是对于给定熔体样品在实验第一天获得的校准曲线图，其中利用常规实验室技术(x轴)进行测量，并且利用使用根据另一实施例的耐火喷枪组件的LIBS(y轴)进行测量，图7表明了获得了相当的结果；

图8是对于图7的同一给定熔体样品在第二天获得的校准曲线图，同样地，利用常规实验室技术(x轴)来执行，并且利用使用耐火喷枪组件的LIBS(y轴)来执行，带有一些实验设置修改，图8也表明了获得了相当的结果；和

图9是在另一实验中的对于给定熔体样品的成分测量的图，具体地是成分浓度的图，该成分测量利用常规实验室技术(x轴)来执行，并且利用使用根据其他实施例的耐火喷枪组件的LIBS(y轴)来执行，图9示出了获得了相当的结果。

图中的元件是为了简单和清楚起见而图示的，不一定按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸可以相对于其他元件被强调，以有助于理解当前公开的各种实施例。此外，通常不描绘在商业上可行的实施例中是有用的或必要的、常见但被充分理解的元件，以便促进对当前公开的各种实施例的阻碍较少的观察。

具体实施方式

将参考下面讨论的细节来描述本说明书的各种实施和各个方面。以下描述和附图是对本说明书的说明，并且不应被解释为限制本说明书。描述了许多具体细节，以提供对本说明书的各种实施的全面理解。然而，在一些情况下，没有描述众所周知的或常规的细节，以便提供本说明书的实施的简明讨论。

下面将描述各种设备、装置、系统和工艺以提供本公开内容的实施的示例。下面描述的实施不限制任何要求保护的实施，并且任何要求保护的实施可以涵盖与下面描述的那些工艺或装置不同的工艺或装置。所要求保护的实施不限于具有下面描述的任何一个装置或工艺的所有特征的装置或工艺，或不限于下面描述的多个或所有装置或工艺所共有的特征。下面描述的装置或工艺可能不是任何所要求保护的主题的实施。

此外，阐述了许多具体细节，以便提供对本文描述的实施的全面理解。然而，技术人员将理解，无需这些具体细节也可以实践本文描述的实施。在其他情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程和部件，以免模糊本文描述的实施。这可以包括，例如光学传感系统，诸如常规LIBS系统。

在本说明书中，元件可以被描述为“被配置成”执行一个或多个功能或者“被配置用于”这样的功能。通常，被配置成执行或被配置用于执行一功能的元件能够执行该功能，或者适合于执行该功能，或者适于执行该功能，或者可操作来执行该功能，或者被赋予执行该功能的结构，或者能够以其他方式执行该功能。

应当理解，为了本说明书的目的，“X、Y和Z中的至少一个”和“X、Y和Z中的一个或多个”的语言可以被解释为仅X、仅Y、仅Z、或两个或更多个项目X、Y和Z的任意组合(例如，XYZ、XY、YZ、ZZ等)。类似的逻辑可以应用于在“至少一个……”和“一个或多个……”语言的任何出现中的两个或多个项目。

除非另有定义，本文所使用的所有技术术语和科学术语具有与本公开内容所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。

在整个说明书和权利要求书中，下面的术语采用与本文明确相关联的含义，除非上下文另有明确规定。如本文所使用的短语“在一个实施例中”或“在各种实施例的至少一个实施例中”不一定指代相同的实施例，尽管该短语可以指代相同的实施例。此外，如本文所使用的短语“在另一实施例中”或“在一些实施例中”不一定指代不同的实施例，尽管该短语可以指代不同的实施例。因此，如下所述，在不脱离本文所公开的创造的范围或精神的情况下，可以容易地组合各种实施例。

另外，如本文所使用的，术语“或”是包含性的“或”运算符，并且等同于术语“和/或”，除非上下文另有明确规定。术语“基于”不是排他性的，并且允许基于未描述的附加因素，除非上下文另有明确规定。此外，在整个说明书和权利要求书中，“一种(a)”、“一种(an)”和“该”的含义包括复数提及，除非上下文另有明确规定。“在……中”的含义包括“在……中”和“在……上”。

如本文所使用的术语“包括”将被理解为意指下面的列表是非穷尽性的，并且视情况而定，可以包括或也可以不包括任何其他附加的、合适的项目，例如一个或多个其他的特征、部件、元件和/或步骤。

在一些表述中，术语“喷枪”可以被理解为意指可插入到熔体中的(复合)管，而在其他表述中，该术语可以被理解为意指(复合)管及该(复合)管的套筒或护罩，如上下文可能指示的。在一些上下文中，术语“喷枪”可以是上面提及的解释中的任意一种或两种。

本文所使用的术语“熔体”是指任何熔融材料，包括但不限于熔融金属，并且包括经历火法冶金工艺的熔体和出于测试目的而获取的样品熔体。此外，“熔体”应理解为包括杂质、小球、(内源的和外源的)夹杂物、炉渣等，但是“熔体”也可以包括高纯度的熔体。

为了使已知的LIBS成分测量技术与诸如铁和钢之类的高熔点熔融材料一起使用，根据不同的实施例，本文提出了耐火喷枪组件和耐火喷枪管，以满足一些实施标准。应当理解，实施标准可以基于，仅举几例，例如操作条件或熔体类型而变化，并且因此不同的实施例可以满足一种实施标准或多种不同实施标准。因此，这些实施标准在本文中作为实施标准的非限制性示例提供，其可以基于耐火喷枪管和/或耐火喷枪组件的使用情况而变化。

例如，喷枪可能需要耐高温。纯铁的熔化温度为1537℃。然而，在实践中，由于一些熔炉的温度控制的难度，在铁熔化过程中经常会经历1650℃或更高的温度。在如此高的温度下，机械强度以及耐热冲击性可能成为喷枪的下一个必需条件。喷枪中出现的任何损坏、裂纹或泄漏都可能使空气或气体(例如氧气或氮气)进入喷枪(在此具体是进入管，通过该管进行光学测量)，从而改变灵敏的LIBS系统的成分测量，并可能影响所获得的光谱读数。出于同样的原因，喷枪可能需要抵抗熔融材料(通常是金属)和/或熔融炉渣的腐蚀。出于其他原因，耐腐蚀性可能也是有用的或必需的，该其他原因包括延长喷枪的使用寿命。在上下文中，“腐蚀”应被广义地解释，包括腐蚀、溶解、侵蚀、化学反应性、或可能损坏或毁坏喷枪的任何过程中的任意一种或多种。腐蚀还包括脱气，脱气可能是由于喷枪的一种或多种材料在特定环境中的化学反应性(由于氧化或其他反应)而发生。耐腐蚀性还可以确保喷枪可以被重复使用，以减少与LIBS系统相关联的费用。

由于耐一些熔融金属的喷枪材料通常不能很好地抵抗熔融炉渣的事实，耐腐蚀性的要求可能被进一步复杂化。例如，熔融钢是高度腐蚀性的，但是耐熔融钢的材料(即酸性材料)通常不能很好地抵抗熔融炉渣(该熔融炉渣是碱性材料)。因此，在一些实施例中可能需要在熔融材料和熔融炉渣中都耐腐蚀的合适材料。这种耐腐蚀性可能与喷枪的可浸入的部分特别相关，但也可能与也将被放置在熔炉内并暴露于与喷枪类似的条件的任何套筒或护罩相关。

与耐腐蚀性的要求进一步相关的是喷枪在这种高温下具有化学惰性或至少稳定的潜在要求。

对已知LIBS成分测量技术与高熔点熔融材料一起使用的其他的限制是，主动冷却系统，由于由此引起的安全问题，通常被认为在本领域或科学中是不可接受的或不期望的。因此，可能需要可以与高熔化温度的金属一起使用但不使用冷却系统的喷枪，或者至少为需要冷却的系统提供有用的替代方案。

如本文所描述的实施例提供了耐火喷枪组件和耐火喷枪管的不同示例，该耐火喷枪组件和耐火喷枪管可以与诸如LIBS之类的光学传感系统一起使用，以从具有高熔化温度的金属获得相对准确的成分测量。实际上，这些实施例中的一些可以通过实现上面描述的实施标准中的一个或多个来解决或至少改善常规系统的一些缺点。

参考图1，并且根据一个示例性实施例，现在将描述耐火喷枪组件，该耐火喷枪组件通常使用标记10来表示。耐火喷枪组件10可以与光学传感系统(参见“LIBS”，未详细示出)一起使用，以光学地探测熔体50，并且具体地，以从熔体50获取光学成分测量。耐火喷枪组件10通常包括复合管12，复合管12限定了穿过复合管12的光学路径(该光学路径由虚线指示)。复合管12包括浸入管14(或第一管)，浸入管14(或第一管)具有第一端部(浸入末端)14.1和第二端部(相反的端部)14.2，该第一端部(浸入末端)14.1可浸入或可插入熔体50内或熔体50中，延伸管16(或第二管)联接到该第二端部(相反的端部)14.2以纵向地延伸其长度。因此，浸入管14和延伸管16形成复合管12，复合管12在本文中可互换地称为纵向延伸的复合管。

如图所示，由复合管12限定的光学路径用于与光学传感系统(“LIBS”)进行光学对准。复合管12在使用中还可以注入加压惰性流体，在本实施例中具体为惰性气体，以经由第一端部或浸入末端14.1在熔体50内形成浸入后熔体表面52，以便在所述浸入后熔体表面暴露于所述惰性气体时，经由光学路径光学地探测所述浸入后熔体表面。下面进一步详细地描述该光学路径和插入气体路径。

耐火喷枪组件10还包括护罩18(或套筒)，护罩18在间隔开的位置处至少包围(即环绕)第一浸入管14和延伸管16之间的接合部或联接部，以在复合管12和护罩18之间限定包围体积20(或空隙)。在这种情况下，由护罩18和包围体积包围的接合部或联接部，可以指管14与管16之间的接合部，或者实际上是指形成管14与管16之间的联接部的一个或多个部件。在本实施例中，护罩18纵向地包围复合管12(的至少一部分)，并且浸入末端14.1从护罩18纵向地延伸以浸入熔体50内。在使用中，包围体积20可以在其中注入并且因此接收加压惰性流体，具体为惰性气体(例如氩气)，以减轻经由联接部对复合管12和浸入后熔体表面52的流体污染。例如，如果复合管12中(例如，经由联接部、沿着管14、管16中的一个的长度，或以其他方式)出现泄漏，惰性气体可以从包围体积20进入光学路径，从而防止或减轻光学路径的潜在的外部流体污染。

如所提及的，护罩18纵向地包围复合管12。特别地，如图1所示，护罩18同轴地环绕复合管12，从复合管12的一个端部、沿着延伸管16的长度、并且跨过接合部或联接部延伸。特别地，本实施例中的护罩18延伸超出接合部或联接部至少1英寸或2英寸(或2cm至5cm)，以覆盖浸入管14的第二端部14.2。在这方面，如上所述，附图可能不是按比例绘制的，并且因此护罩18相对于复合管12的比例长度并不旨在是准确的。

在本实施例中，耐火喷枪组件10包括联接部22，联接部22布置在浸入管14和延伸管16之间的接合部处。因此，护罩18覆盖联接部22，并且如果在联接部22处出现泄漏，来自包围体积20的惰性气体可以进入光学路径中。

在本实施例中，浸入管14和延伸管16包括不同长度的管，其中浸入管14比延伸管16更短。这种不同的管长度可能是有利的，例如，在浸入管14比延伸管16更昂贵的情况下，或者在浸入管14比延伸管16暴露于更大的腐蚀或磨损(由于热、与熔体50的反应性、或其他原因)并且需要更频繁的更换的情况下。在该具体示例中，浸入管14的长度大致为5cm，并且延伸管16的长度大致为2m，因此延伸管16的(延伸的)长度减少了浸入管14到达熔体50所需的长度。可以使用许多替代的、合适长度的浸入管14和延伸管16，并且其他实施例可以提供相同或相似长度的管。

延伸管16具有的热膨胀系数与浸入管14相似。如技术人员已知的，热膨胀系数又可以反映相对于温度的变形值，并且具有低热膨胀系数的材料(由于更大的结合强度)具有低变形值。因此，在上下文中，具有相似热膨胀系数的材料，可以包括具有相似结合结构的任意两种或更多种材料，或者替代地，可以包括具有不同结合结构但具有相似膨胀和/或变形性质的任意两种或更多种材料。此外，在上下文中，具有低热膨胀系数的材料可以包括在特定温度(例如超过1500℃的温度)下落在热膨胀范围的下端的任何材料。在该具体实施例中，浸入管14和延伸管16由具有低热膨胀系数的一种耐火材料或多种不同耐火材料制造。因此，这些一种耐火材料或多种不同耐火材料还表现出低变形值，从而确保了较小的膨胀压力施加在浸入管14与延伸管16之间的接合部上以及由此施加在联接部22上。

浸入管14和延伸管16可以由一种耐火材料或多种不同耐火材料制造，这些耐火材料能够承受至少1500℃，而不会导致机械强度的显著损失，或不会腐蚀或不会以其他方式退化，并且因此至少在预定时间段(例如，单个热熔化循环，或至少两个熔化循环)保持可用。多种不同的耐火材料和/或材料组合可以适合于不同的实施例，包括但不限于无孔陶瓷和具有高熔点的金属。有效地，通过由能够承受至少1500℃的一种耐火材料或多种不同耐火材料制造的浸入管14和/或延伸管16，耐火喷枪组件10能够用于具有高熔化温度的熔体中。然而，在本实施例中，仅浸入管14需要能够承受至少1500℃，由于浸入管14至少部分地可插入到熔体50中(实际上，被浸入的仅是浸入末端14.1)。在浸入管14由多于一个部件组成的实施例中，仅待被插入到熔体中的部件可能需要能够承受至少1500℃。这可以包括例如仅浸入末端14.1。

在本实施例中，浸入管14和延伸管16都由耐腐蚀和耐热冲击的一种或多种耐火材料制造。这种性质使得耐火喷枪组件10能够在具有腐蚀性金属的应用中和/或在需要极热和/或重复热循环的应用中使用。在上下文中的术语“腐蚀”再次可以被广义地解释，如上面所提供的。腐蚀可以包括，例如在浸入管14和延伸管16中的微裂纹的形成和/或传播。在其他示例中，腐蚀可以包括一种或多种耐火材料的氧化。浸入管14在插入到熔体50中的过程中可能经历热冲击，而延伸管16在被带入到熔体50的附近和/或在处于其中容纳熔体50的熔炉内时可能经历热冲击(虽然延伸管16通常不被插入到熔体50中，如图所示)。将耐火喷枪组件10从通常在大气温度和大气压力下的外部环境移动到熔炉内部和/或移动到处于高于1500℃的温度的熔体50内，可能导致浸入管14和延伸管16中的一者或两者经历热冲击。为了保持耐火喷枪组件10的机械稳定性和/或化学稳定性，可能需要浸入管14和延伸管16都能够耐热冲击。

浸入管14和延伸管16的一种或多种耐火材料可以具有不同的耐腐蚀性质和耐热冲击性质。特别地，与由于浸入管14的长度而通常与熔体50间隔开(并且未插入到熔体50中)的延伸管16相比，在浸入末端14.1处至少部分地可插入到熔体50中的浸入管14可以具有更高的耐腐蚀性和耐热冲击性。浸入管14的一种或多种耐火材料可以足够耐腐蚀和耐热冲击，从而可插入到温度超过1500℃的熔体中。另一方面，延伸管16的一种或多种耐火材料可以足够耐腐蚀和耐热冲击，以承受熔体50正上方的温度(即，没有插入到1500℃的熔体50中)，通常至少部分地位于使用中的熔炉内部。

在该具体实施例中，浸入管14的第二端部14.2将延伸管16的第一端部16.1紧密地接收在第二端部14.2内。浸入管14和延伸管16具有相应的外径和内径以实现这种紧密配合。可以形成过盈配合的这种紧密配合，可以形成联接部22的部分，并且可以至少部分地密封浸入管114和延伸管16之间的接合处。在其他实施例中，浸入管14的第二端部14.2可以被紧密地接收在延伸管16的第一端部16.1内。在又一实施例中，浸入管14和延伸管16可以具有相似的直径，其中相应管的端部彼此齐平地邻接并且联接部22将这些端部接合。实际上，在不偏离本公开内容的一般本质和范围的情况下，可以设想复合管12的各种联接。

现在转向浸入管14(该浸入管14有时称为“浸入探针”)，如图所示，浸入管14的浸入末端14.1(在第一端部处)至少部分地可插入到熔体50中。浸入管14具有的长度可以使护罩18和联接部22远离由熔体50和/或耐火喷枪组件10在使用中插入其中的熔炉引起或造成的温度暴露。特别地，护罩18和联接部22均不插入到熔体50中，也不以任何方式与熔体50接触。有利地，通过确保护罩18和联接部22保持远离熔体50，与浸入管14相比并且特别是与浸入末端14.1相比，这些部件可以具有较低的耐火性、较低的耐腐蚀性和/或较低的耐热冲击性。

在本实施例中，浸入管14包括无孔陶瓷圆柱体，其中浸入末端14.1限定在浸入管14的下端部处。无孔陶瓷通常表现出低的热膨胀系数，在高温下具有良好的机械强度，并且耐腐蚀和耐热冲击。无孔陶瓷还具有通常不可渗透的潜在优点。尽管在本实施例中，浸入管14的横截面是圆形的，但是应当理解，对于其他实施例，可以设想浸入管14的各种其他形状(例如，正方形、三角形、椭圆形、多边形)和/或尺寸。无孔陶瓷圆柱体14的更大的厚度将提供更大的耐腐蚀性，而更小的厚度将提供更小的耐腐蚀性，并且因此无孔陶瓷圆柱体14的厚度可以基于耐火喷枪组件10的具体预期应用来选择。在本实施例中，无孔陶瓷圆柱体14具有大致2mm至3mm的厚度、具有大致20mm的内径和大致25mm至30mm的外径，特别地外径为24mm至26mm。无孔陶瓷圆柱体14的外径为，使得该无孔陶瓷圆柱体14能够与延伸管16配合，特别地，无孔陶瓷圆柱体14紧密地配合在延伸管16的第一端部16.1上，如上面所描述的。

在本实施例中，无孔陶瓷圆柱体14包括氧化锆硅酸盐氮化硼(ZSBN)，该氧化锆硅酸盐氮化硼(ZSBN)包括在氮化硼和硼硅酸盐玻璃的基质中的45％二氧化锆(氧化锆)。ZSBN在超过1500℃的温度下是耐腐蚀的和耐热冲击的。特别地，ZSBN中氧化锆、氮化硼和硼硅酸盐玻璃的组合可以表现出优于一种或多种单独组分本身的性质和/或特性，具体地涉及增加的耐腐蚀性和耐热冲击性。特别地，在本实施例中，ZSBN将氧化锆的耐腐蚀性与氮化硼的耐热冲击性相结合，从而制作了具有低热膨胀系数、可以承受1500℃且耐腐蚀和耐冲击的耐火材料。

然而，如上面所提及的，具有如所描述的低热膨胀系数的任何合适的材料都可以提供用于浸入管14的ZSBN的可行替代方案，该材料包括例如无孔陶瓷。在其他实施例中，无孔陶瓷圆柱体14可以包括例如氮化硼、具有至少40％二氧化锆(氧化锆)的氮化硼、或包括不同百分比的氧化锆和/或不同的基质成分的ZSBN。

本实施例中的浸入管14的ZSBN成分可以至少部分地优于现有技术，因为对于一般的无孔陶瓷，可以说是常规用于制造可插入熔融材料中的喷枪的多孔陶瓷的明显替代品，在较高温度下通常失去结构完整性并熔化。例如，SiAlON和SiAlON II可以是在高达大致1000℃至1200℃的范围内可行的无孔陶瓷，然而，暴露于超过此范围的温度可能导致喷枪失去结构完整性并熔化。常规使用的其他合成材料可能无法承受重复的热循环。例如，熔融石英似乎可以承受更高的温度，但经过测试，熔融石英在高温下只能承受一次热循环，而且只能持续几分钟。而其他常规使用的材料在如此高的温度下可能无法提供足够的耐腐蚀性。例如，碳化硅和石墨似乎具有合适的耐热冲击性，但缺乏耐腐蚀性，从而在几分钟内溶解在熔融钢中。氧化锆和氧化镁本身表现出耐腐蚀性，但具有较差的耐热冲击性，从而通常导致喷枪在使用中出现裂纹或其他损坏。矾土本身也是类似的，具有耐腐蚀性，但不具有耐热冲击性。然而，本实施例的ZSBN可以具有低的热膨胀系数，从而允许浸入管14在高温下保持结构完整性，并且还耐腐蚀和耐热冲击，该高温特别地包括高于1500℃的温度。

在本公开内容的另一具体实施例(未示出)中，浸入管14包括陶瓷圆柱体，该陶瓷圆柱体至少在陶瓷圆柱体的待被插入熔体50中的端部上涂覆有绝缘无孔陶瓷层。在本实施例中，绝缘无孔陶瓷层可以用于使陶瓷圆柱体隔热，从而减少陶瓷圆柱体在被插入到熔体中时所经历的热冲击，并保持陶瓷圆柱体的结构完整性。在本实施例中，绝缘无孔陶瓷层沿着陶瓷圆柱体的长度延伸几英寸。在一个实施例中，陶瓷圆柱体由氧化铝(矾土)制造，并且绝缘无孔陶瓷层包括氧化锆硅酸盐氮化硼(ZSBN)，该氧化锆硅酸盐氮化硼(ZSBN)包括在氮化硼和硼硅酸盐玻璃的基质中的45％二氧化锆(氧化锆)。然而，绝缘无孔陶瓷层可以包括一种或多种其它耐火无孔陶瓷，该一种或多种其它耐火无孔陶瓷能够承受至少1500℃，具体地在这种温度下耐腐蚀和耐热冲击，该一种或多种其它耐火无孔陶瓷包括例如氮化硼、具有至少40％二氧化锆(氧化锆)的氮化硼或包括不同成分的ZSBN。与上面描述的特定实施例相比，该替代实施例的一个优点可能是需要更少的能够承受1500℃并且足够耐腐蚀和耐热冲击的材料。特别地，与整个管相比，仅需要陶瓷圆柱体上的绝缘无孔陶瓷层。在合适的无孔陶瓷材料是昂贵的的情况下，利用无孔陶瓷材料涂覆另一管可能更经济可行。陶瓷圆柱体通常在外部表面上涂覆有绝缘无孔陶瓷层，以防止在来自熔体的材料飞溅物到达陶瓷圆柱体时对该陶瓷圆柱体的腐蚀。在浸入管的构造过程中，可以使用进一步的技术来改进绝缘无孔陶瓷层到陶瓷圆柱体的粘附，诸如通过网状结合等，这旨在完全落入本公开内容的一般范围和本质内。还应当理解，在其他实施例中，绝缘无孔陶瓷层可以简单地涂覆浸入末端14.1。

返回到本实施例，继续参考图1，联接部22是可拆卸的，并且浸入管14可以与一个或多个替代浸入管(未示出)互换。在本实施例中，一个或多个替代浸入管具有与浸入管14相同的成分并且包括ZSBN管。在其他实施例中，取决于例如预期的应用，一个或多个替代浸入管的成分与浸入管14相似或不同。浸入管14和一个或多个替代浸入管可以包括具有可变长度的管，从而提供可选的浸入管14长度用于不同的预期应用等，该可变长度的管可以通过联接部22联接到延伸管16。

现在转向延伸管16(有时称为“浸入喷枪”或“喷枪延长器”)，延伸管16足够耐腐蚀，从而可在涉及超过1500℃的温度的两个或更多个热循环中重复使用。如上面所提供的，延伸管16具有的热膨胀系数与浸入管14相似。由于该示例中的浸入管14包括ZSBN，因此延伸管16具有与ZSBN的低热膨胀系数相似的低热膨胀系数。在本实施例中，延伸管16包括金属圆柱体，该金属圆柱体是无孔的，从而在使用中防止任何气体进入光学路径。实际上，金属的无孔性又有助于延伸管16的耐腐蚀性。大多数金属还具有固有的耐热冲击性。

应当理解，虽然在本实施例中，延伸管16的横截面是圆形的，但是对于其他实施例，可以设想延伸管16的各种其他形状(例如，正方形、三角形、椭圆形、多边形)和/或尺寸。此外，延伸管16的形状和/或尺寸不需要与浸入管14匹配。金属圆柱体16的更大的厚度将提供更大的耐腐蚀性，更小的厚度将提供更小的耐腐蚀性，并且因此金属圆柱体16的厚度可以基于耐火喷枪组件10的具体预期应用来选择。在本实施例中，金属圆柱体16具有大致2mm至3mm的厚度，具有24mm至26mm的内径以及28mm至32mm的外径，金属圆柱体16可以与浸入管14配合，紧密地配合在浸入管14的第二端部14.2内部，如上面所描述的。

在本实施例中，金属圆柱体16具体包括钼。钼(Mo)是相对稳定的，其具有的熔点为2622℃。在其他实施例中，金属圆柱体16可以包括其他合适的金属，包括例如铬、铱、铌、锇、钨、钽、或任何前述金属的合适合金、或钼的合适合金。在又一些实施例中，延伸管16包括无孔陶瓷圆柱体，该无孔陶瓷圆柱体由例如SiAlON和SiAlON II中的任意一种或两种制造。在又一些实施例中，延伸管16可以包括涂覆有无孔陶瓷等的金属圆柱体。

现在转向联接部22，在本实施例中，联接部22由耐火材料制造。如上面所指出的，联接部22可以不需要类似于浸入管14的耐热性，然而，在本实施例中，联接部22能够承受熔炉内部的热量。特别地，该示例中的联接部22由硼硅酸盐或硼酸钙制造。

在该具体实施例中，如图1所示，联接部22包括管连接件，该管连接件以套圈的形式布置在浸入管14和延伸管16之间。套圈22包括内螺纹表面(未示出)，该内螺纹表面接合浸入管14和延伸管16上的互补的外螺纹表面(未示出)。因此，在本实施例中，浸入管14和延伸管16(该浸入管14和延伸管16紧密地配合在一起)在相对的侧部上被接收在套圈22内部，使得套圈22形成覆盖浸入管14和延伸管16之间的接合部的绝缘套管或绝缘护套。有利地，该布置至少部分地密封接合部，从而防止任何空气污染物进入复合管12的光学路径，并防止潜在地改变主体熔体的代表性表面和/或由光学传感系统(“LIBS”)进行的光学测量。因此，复合管12可以被描述为基本上不可渗透的，或者换句话讲，是基本上绝缘的。在一些实施例中，联接部22可以包括一个或多个密封件，以进一步密封套圈与浸入管14和延伸管16中的一者或两者之间的接合部。

如上面所提供的，在本实施例中，联接部22(具体地，套圈)限定了浸入管14和延伸管16之间的可拆卸联接。有利地，这种可拆卸的联接部22允许在浸入管14已被腐蚀或磨损的情况下，用来自一个或多个替代浸入管(未示出)的第一替换管来替换浸入管14，并且继而用来自一个或多个替代浸入管的第二替换管来替换第一替换管。因此，在本实施例中，耐火喷枪组件10提供用于两轮或更多轮热循环的可重复使用的组件。

在耐火喷枪10的其他实施例中，这里未示出，多个堆叠的套圈可以形成管连接件22，以起到接合浸入管14和延伸管16并形成绝缘套管的类似功能。在其他实施例中，同样这里未示出，联接部22可以包括呈陶瓷基结合剂形式的结合剂，该结合剂例如由硼硅酸盐或硼酸钙中的任一种组成，这旨在完全落入本公开内容的一般范围和本质内。在提供结合剂作为联接部22的情况下，浸入管14牢固地附接到延伸管16并且不能被更换(或者只能通过附加的结合剂溶解步骤来更换)。在其他实施例中，联接部22可以包括一个或多个紧固件。一个或多个紧固件可以包括螺母和键中的一者或两者，或类似的紧固装置。在一些实施例中，除了一个或多个套圈之外，联接部22还可以包括紧固件(螺母或键)，以在浸入管14和延伸管16之间提供牢固的联接。联接部22的各种其他部件和/或配置在其他实施例中是可行的，并且旨在落入本公开内容的本质和范围内。尽管在一些实施例中联接部22可以在接合部处形成至少部分密封，但是联接部22不需要在浸入管14和延伸管16之间形成密封的联接(或不可渗透的密封)，因为其他互补特征可以考虑这一点。

现在转向光学路径，在本实施例中，光学路径提供了穿过复合管12的无障碍的路径，在使用时，光学传感系统(“LIBS”)的光学传感装置可以通过该路径从溶体50进行光学探测或以其他方式获得光学测量。在本实施例中，如图1所示，光学路径还限定了气体通道或气体流动路径，该气体通道或气体流动路径在使用中允许惰性气体流动通过复合管12，用于在浸入管14的第一端部14.1处释放到熔体50中，以形成气泡52，光学测量可以通过光学传感系统从该气泡52测得。即，可以经由复合管注入惰性气体，以在熔体内形成浸入后熔体表面(例如，气泡52的内表面)，使得熔体50的光学探测在暴露于注入的惰性气体的情况下与该浸入后熔体表面隔离。即，可以从由惰性气体在熔体50中形成的气泡52的内浸入后熔体表面进行光学测量，从而更准确地反映熔体50的成分。如上面所提及的，起泡进入熔体50中的气体可以是惰性气体，诸如氩气，惰性气体可以不与熔体50反应或不污染熔体50。氩气还可以操作为从光学路径中移除污染颗粒物质，从而维持准确的光学测量。在本实施例中，如图所示，氩气借助于布置在耐火喷枪组件10的顶端部处的入口17进入气体通道。该入口17可连接到上游加压惰性流体源(未示出)。在一些实施例中，这里未示出，耐火喷枪组件10可以包括用于控制诸如氩气之类的惰性气体流动进入由复合管12限定的气体通道中的装置。特别地，一些实施例可以包括用于维持气体通道中相对一致的压力的装置。这种装置可以包括压力阀等。

现在转向护罩18，在本实施例中，护罩18借助于2个或3个螺钉连接到复合管12(但是设想到用于至少在一个端部处将护罩18连接到复合管的各种装置)。有利地，在使用中，如果复合管12(无论是浸入管14、延伸管16还是联接部22)发生破裂、裂纹或其他损坏，引起密封的泄漏或破损，则包围体积20中的惰性气体可以由于压力差(类似于文丘里效应)而穿过复合管12进入，并且进入复合管12中的光学路径。因此，在延伸管16包括金属并且浸入管14包括ZSBN的本实施例中，如下文进一步描述的，包围体积20中的环绕联接部22的加压惰性气体可以补偿金属和ZSBN的自然膨胀上的任何差异，从而避免对复合管12的光学路径的任何污染，通过该光学路径获得光学测量。

应当理解，由包围体积20中的加压惰性气体产生的至少部分密封可以减少用于密封接合部的对联接部22的任何要求。特别地，虽然联接部22可以至少部分地密封接合部，但是包围体积20中的加压惰性气体可以通过在外部施加正压来补充这一点，使得在联接部22没有形成密封的情况下，或者在联接部22中发生任何泄漏的情况下，包围体积20中的加压惰性气体将穿过联接部22进入(或被吸收)到光学路径中，以防止光学路径的空气污染(空气污染可能污染主体熔体的代表性表面)。因此可以是，除了联接部22之外，护罩18和使用中的、包围体积20中的加压惰性气体可以为复合管12形成辅助密封装置。

在本实施例中，如图1所示，护罩18是圆柱形本体，该圆柱形本体包围或封装复合管12，具体地如所提及的包围或封装延伸管16、联接部22和浸入管14的上部分14.2。在本实施例中，护罩18具有大致40mm至50mm的内径。护罩18由一种或多种耐火材料制造，但是由于护罩18在通常的使用中可能不被插入到熔体50中，所以护罩18不需要类似于浸入管14的耐腐蚀性和/或耐热冲击性。如图所示，浸入管14延伸超出护罩18的下边缘，使得在使用中，护罩18以间隔开的位置位于熔体50上方。

如所描述的，包围体积20形成在复合管12和护罩18之间。因此，包围体积20的体积取决于复合管12和护罩18各自的体积。护罩18围绕复合管12同轴地对准，从而在护罩18和复合管12之间限定包围体积20。值得注意的是，在一些实施例中，包围体积20可能需要足够地定形状和定尺寸为，在惰性气体被接收在包围体积20中的情况下至少在联接部22上施加正压。本实施例中的耐火喷枪组件10包括入口24，入口24布置在护罩18中，加压惰性气体通过该入口24可以接收到包围体积20中。入口24可连接到上游加压惰性气体源(未示出)。本实施例的耐火喷枪组件10还包括出口26，出口26布置在护罩18中，具体地布置在护罩18的下端部处，加压惰性气体通过该出口26从包围体积20释放到外部环境(耐火喷枪组件10的外部)。因此，在本实施例中，包围体积20具体地可以被认为是空隙。经由出口26从包围体积20释放的任何加压惰性气体可以沉降或下沉到熔体50的上表面，从而进一步降低熔体50的上暴露层的氧化可能性。在一些实施例中，降低氧化可能性可以进一步改善利用LIBS执行的光学探测的准确性。

在该具体实施例中，如上面所提及的，加压惰性流体包括气体，具体地为氩气(Ar)，并且上游加压惰性流体源包括加压氩气源。因此，如本实施例所示，耐火喷枪组件10包括两个含氩气通道或氩气流动路径，一个含氩气通道穿过光学路径并且起泡进入熔体50中，另一个含氩气通道密封浸入管14和延伸管16之间的接合部。尽管在本实施例中在两个通道或路径中都使用氩气，但是应当理解，在其他实施例中任何惰性流体(以及每个通道中可能不同的流体)都是可行的。还应当理解的是，氩气比空气重，并且因此在离开出口26时预计会沉降，如上所述。其他相对较重的惰性气体也可适合于此目的。此外，氩气具有低热导率，并且因此与例如空气相比是更好的绝缘体。其他相对绝缘的单原子气体，或者甚至气体的组合，也可以适合于该目的。

本实施例的一个优点可以包括耐火喷枪组件10不需要任何冷却机构或冷却流体来承受超过1500℃的温度。复合管12和护罩18两者都可以由耐火材料制造，其中至少浸入管14或者最少浸入末端14.1能够承受超过1500℃的温度。因此，加压惰性气体，在本实施例中为氩气，不需要被冷却来使耐火喷枪组件10冷却。尽管如此，应当理解，在一些实施例中，加压氩气可以提供相对低水平的冷却，但是对于耐火喷枪组件10的操作来说不一定是必需的。

现在转向光学传感系统，在本实施例中，光学传感系统包括激光诱导击穿光谱(LIBS)系统，如图1中所指示的。更具体地，耐火喷枪组件10可以在光学窗口处机械地连接到LIBS系统，以从熔体50获得呈LIBS成分测量形式的光学测量。LIBS系统可以包括例如激光源、光学窗口、检测装置以及至少一个光谱仪，该激光源用于发射短的强激光脉冲(例如具有主动Q开关的闪光灯泵浦或二极管泵浦的固态激光源)，通过该光学窗口发射激光，该检测装置(例如，线阵相机或二维相机，或增强型电荷耦合器件相机)与激光器位于光学窗口的同一侧，该至少一个光谱仪用于从检测到的辐射中提取光谱信息。形成与LIBS系统的这种机械连接的一部分的任何部件也可以耐热，并且甚至可以是能够承受超过1500℃的温度。能够形成这种机械连接的一部分的部件可以包括例如套环、紧固件、密封件等。

技术人员通常会认识到LIBS系统的灵敏度，并且因此会认识到借助于联接部22和具有加压惰性气体(具体地，氩气)的包围体积20两者来确保复合管12的光学路径不被任何空气污染所呈现的优点，在使用中出现任何裂纹、泄漏或其他情况的情况下，该加压惰性气体可以进入复合管12的光学路径。

在使用中，在将浸入管14插入到熔体50中之前，耐火喷枪组件10可能需要预热，以例如防止热冲击。在本实施例中，通过将浸入管14定位在熔炉内的熔体50正上方的位置处(通常仅在上方几毫米的位置处)，并且在将浸入管14的第一端部14.1(具体地，浸入末端)缓慢插入到熔体50中以便开始起泡并获得LIBS成分测量之前，将耐火喷枪组件10保持在该位置处持续预定的时间段，来预热耐火喷枪组件10。耐火喷枪组件10的该预热可以在激活耐火喷枪组件10所连接到的LIBS系统之前发生。

对熔体50(具体地，在气泡52的浸入后熔体表面处)进行的LIBS成分测量可以包括例如元素的成分和/或浓度，该元素的成分和/或浓度可以作为光谱特征呈现给操作员，或以其他方式进一步处理以提供百分比、水平等形式的元素的成分和/或浓度。成分测量可以通知操作员操作条件是否正常以产生期望的结果(例如，参考熔体的成分和/或浓度)或者是否需要对诸如温度之类的一种或多种操作条件进行调整。LIBS成分测量还可以包括来自熔体50中的一种或多种夹杂物(未示出)的成分测量。夹杂物通常包括外源夹杂物和内源夹杂物，在该示例中，外源夹杂物可能源自例如熔渣，内源夹杂物在熔化过程中产生。特别地，夹杂物可以包括氧化铁、氧化铜或氧化镍、或任何其他不溶于熔体50的固体金属互化物组分。这种夹杂物还可以包括非金属夹杂物。从熔体50中的一种或多种夹杂物获得LIBS成分测量可以至少部分地指示熔体50的纯度或清洁度。值得注意的是，在本实施例中，如果需要的话，不仅可以通过耐火喷枪组件10结合LIBS系统来识别夹杂物的存在，而且还可以识别夹杂物的具体成分。识别夹杂物的成分可以提供熔化过程的信息以减少夹杂物，例如通过将熔体50暴露于特定温度。

在本实施例中，熔体50包括至少部分熔融的金属。例如，至少部分熔融的金属可以是铁、钢、镍、铜、铂及其合金中的一种或多种。耐火喷枪组件10的具体应用被设想在钢铁工业中，其中需要超过1500℃的熔化温度。例如，耐火喷枪组件10可以用于炼钢二次冶金中。然而，如技术人员在参考本公开内容后将理解的，耐火喷枪组件10可以用于从具有高熔化温度的任何金属获得LIBS成分测量。耐火喷枪组件10可以特别用于例如熔融的黑色金属，该熔融的黑色金属易于氧化，进而可能影响灵敏的LIBS测量。然而，如所指示的，在使用中，仅浸入管14的端部或末端被浸入熔体50中，该端部或末端通常在到达熔融金属之前接触熔融炉渣。

在本实施例中，LIBS系统还包括附加的光谱仪，该附加的光谱仪布置成监测熔体50处(具体地，气泡52的浸入后熔体表面处)的氧气谱线(作为光谱轮廓的一部分)。在一些实施例中，氧气谱线将指示熔体50中的氧化物形成，具体地指示在熔体50中的气泡52的内表面处的氧化物形成。氧气(O₂)浓度的信息可以与通知操作员潜在氧化发生(该潜在氧化发生可能影响LIBS系统的准确性)相关，从而允许操作员采取步骤来防止熔体50的氧化，同时获得LIBS成分测量。另外，在适用的情况下，氧气浓度的信息可以与通知操作员在热循环期间或在热循环之后熔体50中预期的熔体性质相关。

在本实施例中，例如，LIBS系统可以具体地使用247.8nm谱线来测量钢中的碳(C)浓度，这对于实现合金钢和铸铁的期望性质是重要的。如技术人员所知，钢中包括的碳的范围可以从小于0.001％(或10μg/g)的质量分数至大于2％的质量分数，并且在低水平处的光谱化学测定是困难的，特别是因为最灵敏的线位于真空紫外(VUV)波长范围中，从而需要适合这些波长的检测系统以及真空条件或惰性气体条件，以避免强烈的辐射吸收。如上面所描述的，耐火喷枪组件10的浸入管14直接插入到熔体50中，从而使熔体表面与检测之间的距离最小化，并且如所描述的，复合管12填充有氩气，以起泡进入熔体50中，从而使熔体表面的氧化最小化。有利地，使用247.8nm线，而不是例如193nm线，可以允许使用长光纤。特别地，在原子光谱中已知的是，可以通过监测193.1nm或247.8nm处的碳线来完成通过原子发射光谱的碳检测。然而，247.8nm受到铁线的干扰，而虽然193nm不受干扰，但193nm在LIBS中通过光纤的传输受到吸收。为了使用247.8nm，可以利用与247.8处的碳线具有相同的激发水平的另一铁线。可以将碳线247.8nm从干扰线抽离，允许通过光纤使用它，而不是依赖193nm碳线。

如上面所提及的，耐火喷枪组件10的具体应用被设想在钢铁工业中。例如，耐火喷枪组件10可以用于炼钢二次冶金中，诸如用于钢包冶金设施(LMF)和真空脱气机(VD)中。由于耐火喷枪组件10可以承受这些工艺中所需的温度，因此实时的、连续的成分测量允许更好地分析合金和熔剂(flux)使用的趋势，并且因此，在批次可能被清理之前，可以随着时间的推移产生显著的节省，同时还消除了采集和分析每个样品所需的任何周转时间。为了说明这一点，考虑周期时间为40分钟的典型批次，其中在做出下一个工艺决定之前需要4分钟来采集和分析样品。在这种情况下，当可以利用联接到LIBS的耐火喷枪组件10进行实时的、连续的成分测量时，生产率增长可以高达10％。联接到LIBS的耐火喷枪组件10可能在VD中是特别有用的，VD通常不能在真空下进行物理采样。在另一示例中，耐火喷枪组件10可以用于高炉炼铁，具体地用于高炉出铁沟中的热金属或生铁的成分测量。这里，可以通过减少热金属生产的平均热金属硅(Si)来实现节省。这些用途和优点可适用于复合管12本身以及耐火喷枪组件10和本文描述的其他实施。

现在参考图2至图6，并且根据其他的示例性实施例，现在将描述通常使用标记200表示的耐火喷枪组件。本实施例中的耐火喷枪组件200大部分类似于图1中的示例性实施例，并且因此为了简洁起见，在可能的情况下将省略共同的特征。在本实施例中，耐火喷枪组件200包括复合管108(图3中最佳示出)，该复合管108在1500℃或更高的温度下基本上耐腐蚀和耐热冲击。复合管108限定了穿过复合管108的光学路径110，并且复合管108包括浸入管102(或第一管)，浸入管102(或第一管)具有第一端部102.1和第二端部(与第一端部相反)，该第一端部102.1可插入到熔体中，该第二端部与延伸管104(或第二管)联接以纵向地延伸其长度，并且复合管108还包括联接部106，联接部106布置在浸入管102和延伸管104之间的接合部处以至少部分地密封接合部。

耐火喷枪组件200还包括护罩202(或套筒)，护罩202在间隔开的位置处至少环绕浸入管102和延伸管104之间的接合部，以在复合管108和护罩202之间限定包围体积204(或空隙)，在使用中，该包围体积204(或空隙)在其中接收加压惰性流体，使得如果复合管108中出现泄漏，所述加压惰性流体可以从所述包围体积204进入光学路径110，从而防止所述光学路径110的污染，从而维持一致的测量。在本实施例中，护罩202仍然被示出为覆盖延伸管104、联接部106、和浸入管102的第二端部。在一些实施例中，这里未示出，护罩202还可以包括一个或多个密封件，例如在护罩202和浸入管102之间，以形成气密密封。类似于图1所示的实施例，该组件可以至少部分地密封浸入管102和延伸管104之间的接合部，通常覆盖联接部106下方的浸入管102的至少一英寸。然而，设想了其他实施例，其中，护罩202不完全包围或覆盖联接部106或浸入管102，其中，期望联接部106保持足够的密封。

在本实施例中，浸入管102和延伸管104具有相似的热膨胀系数。浸入管102完全由呈氧化锆硅酸盐氮化硼(ZSBN)形式的无孔陶瓷制造，该氧化锆硅酸盐氮化硼(ZSBN)包括在氮化硼和硼硅酸盐玻璃的基质中的大致45％氧化锆，并且延伸管104(延伸管104具有的长度大于浸入管)包括由钼制造的金属圆柱体。在图2至图6所示的该具体实施例中，浸入管102和延伸管104具有相似的直径，其中相应的管102、104的端部彼此齐平地邻接。耐火喷枪组件10可以在浸入管102和延伸管104之间的该接合部处包括一个或多个密封件。

在本实施例中，复合管108还包括联接器106，联接器106布置在所述浸入管102和所述延伸管104之间的接合部处、呈管连接件的形式，浸入管102和延伸管104的相应的端部接收到该管连接件中，以围绕所述接合部形成绝缘护套。管连接件106由硼硅酸盐或硼酸钙制造。

在本实施例中，进入光学路径110的入口用附图标记206指示，在本实施例中，该入口是氩气被注入到耐火喷枪组件200中的地方。然而，在本实施例中，然而，护罩202在靠近浸入管102的端部处被封闭或密封，使得包围体积204具有固定的或限定的体积。如图所示，耐火喷枪组件200还包括出口，该出口用附图标记208指示。在本实施例中，出口208包括单向压力阀，以从包围体积204释放氩气，从而在包围体积204内维持恒定的预定压力。

在本实施例中，附图标记300广泛地指用于将耐火喷枪组件200连接到LIBS系统的机械联接部。应当理解，机械联接部300以及实际上耐火喷枪组件200的被指示符“E”包围的部分，是可变的，并且可以取决于例如耐火喷枪组件200将联接到的具体LIBS系统。

现在转向图7至图9，这些图表图示了使用常规实验室技术(“实验室分析”)和使用根据另一实施例的联接到LIBS系统的耐火喷枪组件从熔体进行的成分测量的相当性。用于这些实验的耐火喷枪组件与在先前图中所图示的实施例具有相似性，但不完全相同。

图7和图8示出了在用于上面描述的炼铁应用的实验室规模实验装置中的两天的测试结果，具体地通过测量生铁中的硅(Si)或锰(Mn)来展示实用性。实验装置包括用于容纳熔融生铁的感应熔炉，和根据一个实施例的、联接到LIBS系统的、经由起重机定位在感应熔炉上方的耐火喷枪组件10。LIBS系统的探针包括Q开关Nd:YAG脉冲激光器，其在1064nm波长下提供每个脉冲300mJ能量。LIBS系统的光纤将允许收集由等离子体发出的辐射，从而使用商业上可获得的光谱仪进行远程分析。在这种情况下，使用配备3600线/mm光栅和增强型电荷耦合器件(CCD)相机的、55cm焦距的Czerny-Turner光谱仪在288.16nm处测量Si I和在293.31nm处测量Mn II。此外，探针含有定制的真空紫外(VUV)光谱仪，用于在193.09nm处测量碳。随着波长降低到大致200nm以下，辐射越来越多地被空气中的氧气和被光纤阻挡。因此，安装了能直接观察等离子体的光谱仪来测量那些波长。

在该实验中，过程涉及在感应熔炉中熔化大致35kg生铁的初始装料。熔化的热金属含有大致0.15wt％Si和0.01wt％Mn的初始浓度。将熔融装料升温至1480℃至1530℃之间(经由熔池温度测量来测量)。然后利用起重机使耐火喷枪组件10降低，具体地使浸入管的端部或末端降低，并定位在熔体上方大致2”处持续几分钟以进行预热(没有使用其他预热方法)。预热后，将浸入管的端部或末端插入到熔体中，激活LIBS系统的探针，使氩气流动通过复合管以起泡进入熔体中，并且以每秒2个激光脉冲的频率(2Hz)从内气泡表面进行至少10分钟的成分测量。在此之后，将浸入管从熔池中移除。熔池样品被采集用于常规实验室成分分析，具体地用于最佳发射光谱分析(OES)，并进行温度测量以确保恒定的熔池温度。随后，进行硫化铁(II)(FeSi)和铁锰(FeMn)的熔池添加，以增加感兴趣的元素的浓度，并花费一些时间以使添加物在熔体中均匀化。重复该过程多次(通常至少添加6次)，并在最高温度下的大致2小时运行时间后终止，以确保足够的炉衬完整性和安全性。

如所提及的，图7和图8具体地示出了两天的测试的结果作为校准曲线。在两个图中，如在该两个图上所指示的，上虚线反映Si/Fe信号，而下虚线反映Mn/Fe信号。水平轴反映了利用常规取样技术测定的熔体中元素Si和Mn的浓度(wt％)，如所描述的。竖向轴反映了利用联接到LIBS系统的耐火喷枪组件直接测定的元素Si和Mn的浓度，表示为在特征谱线处测量的光子计数的比率。根据已知的归一化过程，在两个选定的Si和Mn谱线处测量的光子计数除以在对应的Fe谱线处测量的光子计数。在图7和图8中，虚线对应于数据的二阶多项式最小二乘拟合。误差棒的竖向高度对应于2个标准偏差(使用每个数据点100个光谱/50秒测量的平均值)。结果对应于Si和Mn测量的测量精度分别为±0.008％和±0.013％。

技术人员将理解，校准曲线一旦建立，就是LIBS技术的基础。对于一组给定的参考条件(LIBS系统配置、光学几何结构、近似熔体化学和温度等)，建立的校准曲线可以用于使用由系统在任意点测量的光子计数来确定任意系统的化学成分。仔细对比这两天的校准曲线，示出了这两天的校准曲线稍微偏移。这是预料之中的，因为在这两天之间对实验装置进行了修改。特别地，在第一天(图7)，使用了测量29英寸(73.7厘米)长的耐火喷枪组件，而在第二天(图8)，使用了测量24英寸(61.0厘米)长的耐火喷枪组件。在其他条件保持不变的情况下，更短的耐火喷枪组件将LIBS激光器的激光脉冲聚焦到更小的区域，并且因此可能改变所获得的等离子体温度和相对光子发射强度。此外，在两个测量日之间，气泡表面上的激光焦点被设置在稍微不同的点处。技术人员将理解，对于商业系统，这些参数将保持恒定，或借助于多个校准曲线以其他方式考虑(在改变这些参数提供了设计益处的情况下)。尽管有这种变化，图7和图8图示了利用常规采样技术进行的测量与利用本公开内容的耐火喷枪组件和LIBS系统在线进行的测量之间的直接关系的校准曲线趋势。

图9是对于给定样品的成分测量的图，具体地是成分浓度的测量的图，该测量利用常规实验室技术(水平轴)和利用使用根据一个实施例的耐火喷枪组件的LIBS(竖向轴)来执行，再次示出了获得了相当的结果。在该具体实验装置中，熔体是铜-镍锍。如图例所指示的，不同的标记反映了对铜-镍锍的不同元素进行的成分测量，具体地包括铜(Cu)——圆形、镍(Ni)——三角形、铁(Fe)——方形、钴(Co)——加号(+)和硫(S)——菱形。水平轴反映了利用常规实验室技术测定的铜-镍锍熔体的浓度，具体地，通过从铜-镍锍熔体采集测试样品、制备测试样品、以及然后进行实验室分析来测定。竖向轴反映了利用联接到LIBS系统的耐火喷枪组件直接测定的铜-镍锍的浓度，因此是实时的并且提供了连续的测量。如所图示的，趋势反映了利用常规采样进行的测量与利用耐火喷枪组件和LIBS系统实时进行的测量之间的直接关系。然而，利用耐火喷枪组件和LIBS系统进行的测量是实时的，从而通过减少分析时间来提高效率以获得相同的结果。减少分析时间进而可以降低与分析相关联的能源成本，特别是与维持熔炉中的温度相关的能源成本。此外，通过由本公开内容可获得的对于高温冶金工艺的分析时间的总体减少，温室气体排放可以被减少。

因此，图7至图9图示了，耐火喷枪组件的实施例至少提供了用于获得成分测量的常规实验室技术的合适的替代方案。此外，如技术人员参考本公开内容后将理解的，耐火喷枪组件的实施例可以在极热中使用并且可以不遭受任何显著的空气污染(保留了熔体主体的代表性表面)，这将产生不同于常规实验室技术的结果。

本公开内容的另一方面(未示出)提供了耐火喷枪管，该耐火喷枪管包括具有第一端部的管，该第一端部至少部分地包括无孔陶瓷，无孔陶瓷在1500℃或更高的温度下基本上耐腐蚀和耐热冲击，因此所述第一端部可插入到处于1500℃或更高的温度的熔体中。在不同的实施例中，该无孔陶瓷包括以下物质中的任意一种或多种：氮化硼；具有至少40％二氧化锆(氧化锆)的氮化硼；或氧化锆硅酸盐氮化硼(ZSBN)，其包括在氮化硼和硼硅酸盐玻璃的基质中的大致45％氧化锆。耐火喷枪管可以被接收到护罩或套筒中，使得管的第一端部从护罩或套筒突出，以提供如上面所描述的耐火喷枪组件。

因此，在一些实施例中，可以提供适合与高温熔融材料一起使用的耐火喷枪组件和耐火喷枪管。在一些实施例中，可以提供能够承受1500℃或更高的温度的耐火喷枪组件和耐火喷枪管。耐火喷枪组件和耐火喷枪管可以是足够耐热的，从而不需要主动冷却系统，提高了操作期间的安全性。耐火喷枪组件和耐火喷枪管的实施例能够在钢铁工业中使用，和/或在温度控制困难的熔炉中使用。在一些实施例中，可以提供以下耐火喷枪组件和耐火喷枪管，该耐火喷枪组件和耐火喷枪管是不可渗透的并且具有足够的机械强度，以避免在高温下的使用期间形成损坏、裂纹或泄漏。此外，在一些实施例中，耐火喷枪组件和耐火喷枪管可以耐热冲击，以及耐熔融金属和/或熔融炉渣的腐蚀。在一些实施例中，耐火喷枪组件和耐火喷枪管可以在高温下基本上化学稳定。例如，耐火喷枪组件和耐火喷枪管在高温下可能不会氧化。有利地，除了上面提及的优点之外，耐火喷枪组件和耐火喷枪管在一些实施例中是可重复使用的，并且可以在多于一个的热循环中被重复地使用。该可重复使用性可以减少与LIBS系统和/或金属加工或监测相关联的费用。

设想了本文所公开的耐火喷枪组件和耐火喷枪管的其他实施例，其中，耐火喷枪组件或耐火喷枪管被提供为耐火喷枪套件(未示出)的一部分。一个示例性套件可以包括浸入管、可拆卸的联接部和多个可变长度延伸管。另一示例性套件可以包括多个浸入管、可拆卸的联接部和多用途延伸管。套件在此可以包括或可以不包括如本文在不同实施例中所公开的护罩或套筒。

应当理解，本文所公开的耐火喷枪组件和耐火喷枪管的各种实施例可以形成诸如LIBS系统之类的更大的光学传感或探测系统的一部分。在一个实施例中，可以提供有可操作以在高操作温度下测量熔体的构成元素的LIBS系统，该LIBS系统包括以下部件中的任何一个或多个：耐火喷枪组件，该耐火喷枪组件可浸入熔体中(该耐火喷枪组件具有类似于上面描述的任何实施例的特征)；激光源，该激光源用于发射短的强激光脉冲；光学窗口，激光通过该光学窗口发射到耐火喷枪组件的光学路径中；检测装置，该检测装置与激光器位于光学窗口的同一侧；以及至少一个光谱仪，该至少一个光谱仪用于从检测到的辐射中提取光谱信息(在一些实施例中，多个光谱仪用于提取不同的光谱信息)。这种更广泛的LIBS系统被设想为形成本公开内容的其他方面。

本公开内容的其他实施例还可以涉及光学地探测或测量熔体的构成元素的方法(未示出)。在一个实施例中，可以提供探测熔体的构成元素的方法，该方法包括以下主要步骤：

·提供耐火喷枪组件，该耐火喷枪组件包括复合管和护罩，该护罩至少部分地包围复合管，复合管包括浸入管、延伸管以及可选地位于浸入管和延伸管之间的联接器；

·预热耐火喷枪组件，使得至少浸入管的浸入末端被预热；

·将浸入管的浸入末端插入到熔体中，同时在复合管和护罩之间注入惰性气体。

在该方法的一些实施例中，还可以将惰性气体注入通过复合管以在浸入末端处起泡，以形成用于探测的浸入后熔体表面。在一些实施例中，该方法可以包括在浸入管表现出腐蚀、破裂或其他磨损之后，用替换浸入管替换该浸入管的步骤，延伸管通常可以在一个或多个热循环中重复使用。

所有上面提及的优点进一步总结为提供了在高温下获得熔融金属(该熔融金属是未氧化的)的实时在线的和直接的(或原位)成分测量的方法，而没有用于这种高熔点金属的常规采样技术所引入的时间延迟和误差。

本公开内容的实施例呈现出优于现有技术的各种优点。本文阐述的优点并不旨在提供详尽的列出，而仅仅是说明所想到的优点中的至少一些优点。技术人员可以想到本公开内容的其他优点和/或应用，这旨在完全落入本公开内容的一般范围和本质内。

虽然本公开内容出于说明性目的描述了各种实施例，但是这样的描述并不旨在限于这样的实施例。相反，在不脱离实施例、在所附权利要求中限定的一般范围的情况下，本文描述和图示的申请人教导涵盖各种替代方案、修改和等同物。除了工艺本身所必需的或所固有的范围之外，本公开内容中所描述的方法或工艺的步骤或阶段不旨在或不暗示特定的次序。在许多情况下，在不改变所描述的方法的目的、效果或重要性的情况下，可以改变工艺步骤的次序。

如本文示出和详细描述的信息完全能够实现本公开内容的上面描述的目的、本公开内容的当前优选的实施例，并且因此代表本公开内容广泛设想的主题。本公开内容的范围完全涵盖对技术人员来说可能变得显而易见的其他实施例，并且因此本公开内容的范围仅受所附权利要求书限制，其中，以单数形式对元件进行的任何提及，除非明确说明，并不旨在意味着“一个且仅有一个”，而是“一个或多个”。如本领域普通技术人员所认为的、对于上面描述的优选实施例和附加实施例的元件的所有结构和功能等同物都旨在被本权利要求涵盖。此外，对于解决本公开内容所寻求解决的每个问题的系统或方法不存在任何要求，以使其涵盖在本权利要求中。此外，对于公众来说，本公开内容中的元件、部件或方法步骤不旨在是专用的，无论权利要求中是否明确记载了该元件、部件或方法步骤。然而，在不脱离如所附权利要求中阐述的本公开内容的精神和范围的情况下，可以在形式、材料、工件和制造材料细节上进行各种改变和修改，这对于本领域普通技术人员来说是显而易见的，并且也被本公开内容所涵盖。

Claims (29)

1.一种耐火喷枪组件，所述耐火喷枪组件用于与光学传感系统一起使用以光学地探测熔体，所述耐火喷枪组件包括：

浸入管和延伸管，所述浸入管具有浸入末端，所述浸入末端可浸入所述熔体内，所述延伸管联接在所述浸入管的相反端部处，以形成纵向延伸的复合管，在所述纵向延伸的复合管中限定了光学路径，所述光学路径用于与所述光学传感系统光学对准，其中，所述纵向延伸的复合管在使用中可注入有惰性气体，以经由所述浸入末端在所述熔体内形成浸入后熔体表面，以便在所述浸入后熔体表面暴露于所述惰性气体时，经由所述光学路径光学地探测所述浸入后熔体表面；以及

护罩，所述护罩纵向地包围所述纵向延伸的复合管，以在所述护罩与所述纵向延伸的复合管之间限定包围体积，其中，所述延伸管与所述浸入管的所述相反端部的联接部被包围在所述包围体积内，而所述浸入末端从所述护罩纵向地延伸以浸入所述熔体内，其中，所述包围体积可注入有所述惰性气体，以减轻经由所述联接部对所述纵向延伸的复合管和所述浸入后熔体表面的流体污染。

2.根据权利要求1所述的耐火喷枪组件，其中，所述护罩同轴地包围所述纵向延伸的复合管。

3.根据权利要求1或2所述的耐火喷枪组件，其中，所述护罩朝向所述浸入末端纵向地延伸超出所述联接部至少一英寸。

4.根据权利要求3所述的耐火喷枪组件，其中，所述护罩朝向所述浸入末端纵向地延伸超出所述联接部至少两英寸。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的耐火喷枪组件，其中，所述浸入管和所述延伸管具有相似的热膨胀系数。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的耐火喷枪组件，其中，所述浸入管是耐腐蚀和耐热冲击的，以在至少1500℃的温度保持结构完整性，而所述延伸管由相对更低的耐腐蚀性和耐热冲击性限定。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的耐火喷枪组件，其中，所述浸入管的所述相反端部紧密地接收在所述延伸管的联接端部内，或所述延伸管的联接端部紧密地接收在所述浸入管的所述相反端部内。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的耐火喷枪组件，其中，所述浸入管包括无孔陶瓷圆柱体。

9.根据权利要求8所述的耐火喷枪组件，其中，所述无孔陶瓷圆柱体由以下材料中的任一种制造：氮化硼；具有至少40％二氧化锆(氧化锆)的氮化硼；或氧化锆硅酸盐氮化硼(ZSBN)，其包括在氮化硼和硼硅酸盐玻璃的基质中的大致45％氧化锆。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的耐火喷枪组件，其中，至少所述浸入管的所述浸入末端包括陶瓷圆柱体，所述陶瓷圆柱体涂覆有绝缘无孔陶瓷层。

11.根据权利要求10所述的耐火喷枪组件，其中，所述陶瓷圆柱体包括氧化铝(矾土)。

12.根据权利要求10或11所述的耐火喷枪组件，其中，所述绝缘无孔陶瓷层由以下材料中的任一种制造：氮化硼；具有至少40％氧化锆的氮化硼；或ZSBN，其包括在氮化硼和硼硅酸盐玻璃的基质中的大致45％氧化锆。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的耐火喷枪组件，其中，所述延伸管包括金属圆柱体，所述金属圆柱体由以下金属中的任意一种或多种制造：钼、铬、铱、铌、锇、钨、钽或其合金。

14.根据权利要求1至12中任一项所述的耐火喷枪组件，其中，所述延伸管包括无孔陶瓷圆柱体，所述无孔陶瓷圆柱体由以下材料中的任意一种或两种制造：SiAlON，或SiAlONII。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的耐火喷枪组件，其中，所述纵向延伸的复合管还包括联接器，所述联接器在所述浸入管和所述延伸管之间的所述联接部处，其中，所述联接器由以下材料中的任意一种或两种制造：硼硅酸盐，或硼酸钙。

16.根据权利要求1至14中任一项所述的耐火喷枪组件，其中，所述纵向延伸的复合管还包括联接器，所述联接器在所述浸入管和所述延伸管之间的所述联接部处，其中，所述联接器包括一个或多个套圈，所述浸入管的端部和所述延伸管的端部能够被接收在所述一个或多个套圈中，使得所述一个或多个套圈形成覆盖所述联接部的绝缘护套。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的耐火喷枪组件，其中，所述延伸管能够在两个或更多个热循环中重复使用，而所述浸入管能够用一个或多个替代浸入管替换。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的耐火喷枪组件，其中，所述包围体积内的所述惰性气体被加压，以朝向所述熔体释放，从而减少熔体表面氧化。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的耐火喷枪组件，其中，所述惰性气体包括氩气。

20.根据权利要求1至19中任一项所述的耐火喷枪组件，其中，所述光学传感系统包括激光诱导击穿光谱(LIBS)系统，光学测量包括LIBS成分测量，并且所述光学路径终止于光学窗口、与所述LIBS系统光学对准。

21.根据权利要求1至20中任一项所述的耐火喷枪组件，其中，所述熔体包括至少部分熔融的铁、钢、镍、铜、铂或其合金。

22.一种耐火喷枪管，所述耐火喷枪管用于光学地探测熔体，所述耐火喷枪管包括：

浸入管和延伸管，所述浸入管具有浸入末端，所述浸入末端可浸入所述熔体内，所述延伸管联接在所述浸入管的相反端部处，以形成纵向延伸的复合管，在所述纵向延伸的复合管中限定了光学路径；

其中，所述浸入管至少部分地由无孔陶瓷制造，所述无孔陶瓷在至少1500℃的温度基本上耐腐蚀和耐热冲击。

23.根据权利要求22所述的耐火喷枪管，其中，所述浸入管可释放地联接到所述延伸管，以被至少一个替代浸入管替换。

24.根据权利要求22或23所述的耐火喷枪管，其中，所述无孔陶瓷包括以下材料中的任意一种或多种：氮化硼；具有至少40％二氧化锆(氧化锆)的氮化硼；或氧化锆硅酸盐氮化硼(ZSBN)，其包括在氮化硼和硼硅酸盐玻璃的基质中的大致45％氧化锆。

25.根据权利要求22至24中任一项所述的耐火喷枪管，其中，所述延伸管由金属制造。

26.根据权利要求25所述的耐火喷枪管，其中，所述金属包括以下金属中的任意一种或多种：钼、铬、铱、铌、锇、钨、钽或其合金。

27.根据权利要求22至26中任一项所述的耐火喷枪管，其中，所述纵向延伸的复合管还包括联接器，所述联接器在所述浸入管和所述延伸管之间，其中，所述联接器由以下材料中的任意一种或两种制造：硼硅酸盐，或硼酸钙。

28.根据权利要求22至27中任一项所述的耐火喷枪管，其中，所述浸入管包括氧化铝(矾土)管，所述氧化铝(矾土)管至少部分地在所述浸入末端处涂覆有所述无孔陶瓷。

29.根据权利要求22至28中任一项所述的耐火喷枪管，其中，所述熔体包括至少部分熔融的铁、钢、镍、铜、铂或其合金。