ES2950398T3 - Muestreador de análisis directo - Google Patents
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Abstract
Un muestreador para tomar muestras de un baño de metal fundido, particularmente un baño de acero fundido, incluye un conjunto de cámara de muestra que tiene una placa de cubierta y una carcasa. La carcasa tiene una primera y una segunda aberturas para un conducto de entrada y un acoplador de gas, respectivamente. La primera cara de la vivienda incluye una zona de distribución, una zona de análisis y una zona de ventilación. La profundidad de la zona de análisis es superior a 1,5 mm y inferior a 3 mm. La placa de cubierta y la carcasa se ensamblan para formar una cavidad de muestra. En un primer plano se encuentra una superficie de análisis de una muestra de acero solidificada formada dentro de la cavidad de muestra. En la dirección del flujo del acero fundido, no hay aumentos en la dimensión del ancho de la cavidad de la muestra y aumenta la relación entre la longitud y la profundidad de la cavidad de la muestra. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Muestreador de análisis directo
Campo técnico
La invención se refiere a una muestra solidificada de metal fundido, particularmente acero fundido, que puede analizarse directamente en un espectrómetro de emisión óptica.
Antecedentes
Durante el procesamiento de metales en su estado fundido, es necesario obtener una muestra representativa del metal fundido en diversas etapas del proceso, por ejemplo, para el análisis o evaluación de la composición química o la estructura metalográfica de la muestra de metal. En la técnica se conocen diferentes métodos para analizar metales fundidos (particularmente acero) durante la fabricación y procesamiento adicional. Por ejemplo, la patente alemana n.° DE 3344944 describe un método para analizar acero durante su fabricación y procesamiento adicional. El método se caracteriza por las siguientes etapas que se llevan a cabo de forma consecutiva: (1) almacenar una lanza de muestreo y preseleccionar automáticamente el tipo de muestra; (2) recoger una muestra de acero fundido durante la fase de soplado en un transformador o un horno eléctrico de un soporte de control; (3) desempaquetar la lanza de muestreo y desechar sus partes de cartón y cerámica en una máquina de desembalaje; (4) comparar la masa de la muestra con un valor especificado con el fin de una detección temprana de fallas; (5) pasar la muestra a través de una sección de enfriamiento suministrada con agua, aire, gas inerte y hielo seco; (6) transportar la muestra con la ayuda de un cartucho por medio de una sección transportadora de tubo neumático que tiene una estación de envío y recepción automática; (7) preparar la muestra para análisis espectral en una máquina automática de pulido de muestra; (8) detectar fallas en las muestras de acero pulido y documentación de los defectos; (9) transferir la muestra de acero a la etapa de Petri de un espectrómetro usando un manipulador; (10) analizar la muestra en el espectrómetro; y (11) comunicar los datos analíticos al soporte de control. En un molino de acero típico, algunas de las etapas anteriores son manuales y otras robóticas. Sin embargo, todo el proceso analítico requiere mucho tiempo y es intensivo en cuanto al trabajo.
Los dispositivos de muestreo convencionales (p. ej., la lanza de muestreo de la patente alemana núm. DE 3344944) para extraer muestras de un baño de metal fundido también se conocen de patentes publicadas y solicitud de patente. Otros dispositivos de muestreo convencionales, que no son el objeto de una solicitud de patente o patente, son conocidos, por ejemplo, debido a su disponibilidad en el mercado. Estos muestreadores o dispositivos de muestreo convencionales generalmente proporcionan un cupón o disco de metal sólido para su uso en análisis espectrográfico y metalográfico.
La forma y las dimensiones geométricas de las probetas de metal solidificadas obtenidas mediante dichos dispositivos de toma de muestras en ocasiones serán específicas del tipo de metal o necesidad metalográfica. Sin embargo, una categoría general de muestras que se obtienen por dispositivos de inmersión es muestras que tienen una forma de disco u ovalada y un diámetro o longitud larga de 28-40 mm. Con mayor frecuencia, tales muestras tienen un diámetro o longitud larga de aproximadamente 32 mm y un espesor de 4-12 mm. Algunos muestreadores, comúnmente conocidos como muestreadores tipo lollipop, tales como, por ejemplo, descritos en FR-2-406-822 A1, que describe el preámbulo de la reivindicación 1, puede producir una muestra de forma diferente, que varía de redonda a ovalada o más larga, según los requisitos del usuario, pero la mayoría de las muestras todavía tienen un diámetro o longitud larga de aproximadamente 32 mm.
Otros muestreadores, comúnmente conocidos como muestreadores de doble espesor, combinan dos espesores dentro de la misma muestra. Para el análisis de las muestras de doble espesor, la sección de 12 mm es la porción que se analiza espectralmente. Se ha descubierto que una muestra solidificada de este espesor requiere un pulido superficial de 0,8 a 5 mm para lograr una superficie de análisis que esté exenta de segregación metálica y no metálica. Eliminar la necesidad de preparación de superficie aceleraría el tiempo de análisis y sería económicamente favorable. Sin embargo, esto solo se podía lograr mediante un llenado uniforme de la cavidad de muestra con metal fundido y enfriamiento rápido de la muestra de metal fundido, de tal manera que toda la sección de muestra se congela uniformemente.
Los dispositivos de toma de muestras típicos incluyen una cámara de muestra o cavidad de molde configurada para llenarse con metal fundido tras la inmersión del dispositivo de toma de muestras en el baño de metal fundido. Los moldes que configuran la cavidad de molde o la cámara de toma de muestras son típicamente una disposición de tipo concha de dos partes o un anillo cubierto en sus lados superior e inferior por placas planas. La patente US-3.646.816 describe este tipo de muestreador por inmersión dilatable, en donde ambas superficies planas de una muestra en forma de disco se forman mediante placas de enfriamiento para lograr una congelación más rápida y un par de superficies más lisas que requieren menos limpieza antes del análisis. Otras patentes de la técnica anterior, tal como la patente US-4.211.117, se refieren a un concepto similar, mientras que la patente US-4.401.389 y 5.415.052 proporcionan ejemplos de esta muestra metalúrgica que se combinan con otros sensores, uno de los cuales podría ser un sensor de medición de temperatura.
Históricamente, en todo pero un número limitado de circunstancias, la muestra de metal solidificada obtenida en una ubicación de proceso metalúrgico se transporta físicamente a un laboratorio químico remoto, donde la composición de la muestra de metal solidificada frecuentemente se determina usando un equipo de espectroscopía de emisión de chispas
eléctricas de arco. Los sistemas de espectroscopia de emisión óptica (o “OES” , por sus siglas en inglés) generalmente son los sistemas más efectivos para determinar la composición química de una muestra de metal y para controlar el procesamiento de metales fundidos debido a sus tiempos de análisis rápidos y precisión inherente. Después, los resultados de este análisis se devuelven a la ubicación de proceso metalúrgico donde los operadores de tratamiento utilizan esos resultados para tomar decisiones con respecto al procesamiento adicional. En términos generales, el procedimiento de análisis OES comienza con la muestra de metal conductor que se coloca con su superficie de análisis hacia abajo en una región predeterminada de la etapa del instrumento OES, especialmente, un espectrómetro de emisión óptica. Más particularmente, la muestra se coloca para abarcar y cerrar la abertura de análisis del espectrómetro y un ánodo casi colinda con la superficie de análisis de la muestra. Una vez que se logra el posicionamiento deseado de la muestra y la proximidad del ánodo y la superficie de análisis, se descarga una chispa entre el ánodo y la muestra de metal conductor que se conecta eléctricamente a la etapa de espectrómetro. En la mayoría de los casos, esa conexión es realizada por fuerza gravitacional en combinación con una carga pequeña. La abertura de análisis en el espectrómetro de emisión óptica es típicamente aproximadamente 12 mm de ancho. Esta distancia evita un arco de chispa entre el ánodo y el alojamiento del instrumento. El detector óptico recibe la luz emitida desde el material excavado de la superficie de muestra. La cámara de chispa, formada en parte por el espacio entre el ánodo y la muestra de metal, se purga continuamente con argón u otro gas inerte para evitar la entrada de aire que conduciría a valores de análisis erróneos.
Para colocarse plana sobre la abertura de análisis del espectrómetro, la muestra de metal no puede tener ninguna extensión y la superficie de análisis de la muestra de metal debe ser lisa (es decir, de que no puede haber partes del alojamiento de la muestra que rompan el plano de la superficie de análisis). La muestra debe abarcar la abertura de análisis del espectrómetro y tener una planicidad suficiente para facilitar la purga de gas inerte de la cámara de chispas y presentar una superficie de muestra contigua hacia el ánodo.
Se ha demostrado que cuando se colocan tales equipos analíticos en un entorno de fábrica, cerca de la ubicación del proceso metalúrgico, se obtienen resultados más oportunos y puede obtenerse un ahorro significativo de costes eliminando los esfuerzos de transporte y manipulación. Existen varios problemas asociados con proporcionar una muestra metalúrgica para estos tipos de sistemas analíticos locales, así como algunas soluciones de la técnica anterior para estos problemas. Por ejemplo, se ha descubierto que exponer la superficie metálica caliente de la solidificación o la muestra solidificada a la atmósfera dará como resultado rápidamente la formación de óxidos sobre su superficie, que deben retirarse posteriormente mediante triturado mecánico para que la muestra sea analizada por OES. Una solución a este problema ha sido retirar el calor del metal solidificante para llevar la muestra de metal a una temperatura cercana a la temperatura ambiente antes de retirarla de la cámara de muestra.
Los muestreadores de análisis directo (DA, por sus siglas en inglés) que son un tipo recientemente desarrollado de muestreadores por inmersión en metal fundido, que producen muestras DA. Las muestras DA no requieren ningún tipo de preparación superficial antes de su análisis y, por lo tanto, pueden resultar en un beneficio económico significativo tanto en términos de disponibilidad de resultados químicos oportunos como de ahorro en tiempo de laboratorio utilizando el método de análisis OES.
La patente US-9.128.013 describe un dispositivo de muestreo para recuperar una muestra fría rápida de un proceso de conversión para fabricar acero que está previsto para un análisis local. El dispositivo de muestreo incluye una cámara de muestra formada por al menos dos partes, donde la relación especificada de la masa de masa fundida absorbida en la cavidad de muestra a la masa del ensamblaje de cámara de muestra permite un enfriamiento rápido del material fundido que llena la cavidad de muestra. Cuando esta cámara de muestra se retira de la sonda de medición, exponiendo de esta manera la superficie de la muestra a la atmósfera, la masa fundida ya se ha enfriado lo suficiente para que la oxidación se evite en la mayor medida posible y, por lo tanto, el tratamiento posterior de la superficie de la muestra es innecesario.
Un muestreador tipo DA similar se conoce a partir de la publicación de solicitud de patente US-2014/318276. Un extremo de la cavidad de muestra de este muestreador tipo DA se conecta al baño de metal fundido durante la inmersión del muestreador a través de un conducto de entrada, mientras que un extremo opuesto de la cavidad de muestra está en comunicación con un dispositivo de acoplamiento. Durante la inmersión, pero antes del llenado de la cavidad de la muestra con el metal fundido, la cavidad de la muestra se purga con un gas inerte para evitar el llenado temprano y la oxidación del material muestreado. El conducto de entrada se dispone perpendicular a la superficie plana de la cavidad de muestra. La ventilación de la cavidad de muestra se dispone debajo de la superficie de análisis de la cavidad de muestra con respecto a la dirección de inmersión.
El dispositivo de muestreo descrito anteriormente está destinado a usarse en procesos de fabricación de acero, específicamente en una aplicación de transformador. Las muestras de acero y las temperaturas del baño de acero se miden desde el transformador inclinado después de la interrupción del soplado o por medio de un equipo especial denominado sublanza, según la publicación de solicitud de patente US-2014/318276. En este último caso, el transformador puede permanecer vertical y el proceso de soplado puede continuar, por lo tanto, ahorrando tiempo. El proceso de fabricación de acero con oxígeno tiene como objetivo lograr valores de criterio de valoración precisos para el peso, la temperatura y la composición del acero. La concentración de carbono, fósforo y azufre y, en algunos casos, elementos especiales perjudiciales para las propiedades finales del acero se monitorea para su contenido en el acero para que esté dentro de las ventanas objetivo de la composición. Un muestreador tipo DA de análisis rápido puede proporcionar la confirmación de la composición en mucho menos tiempo que un dispositivo de
muestreo convencional, ya que el procedimiento analítico se reduce para desmoldear la muestra solidificada, transferir la muestra a un espectrómetro y colocar la muestra en una etapa de OES para su análisis.
En aplicaciones del transformador, el contenido de oxígeno del acero se considera alto. En particular, al final del proceso de soplado con oxígeno, el contenido de oxígeno del acero es típicamente del orden de 500-1000 ppm. Una muestra tomada de este baño enfriaría y expulsaría el monóxido de carbono cuando la temperatura decreciente del acero (es decir, durante el enfriamiento) excede la solubilidad en oxígeno para esa temperatura y su contenido de carbono. Estas burbujas de gas provocan una superficie irregular y una esponja hueca como una muestra estructurada. Para evitar este problema durante el enfriamiento, los muestreadores de la técnica anterior, tales como los descritos en las patentes US-4.037.478 y 4.120.204, se proporcionan un desoxidante, más comúnmente aluminio y zirconio. Sin embargo, se ha demostrado que un muestreador DA de llenado rápido con una sección transversal pequeña y una cámara de muestra de enfriamiento rápido produce una distribución deficiente del desoxidante a medida que disminuye la sección de la muestra, estableciendo, por lo tanto, una limitación para la reducción del volumen de la muestra.
Por lo tanto, existe la necesidad de proporcionar un medio para mezclar materiales desoxidantes en muestras de enfriamiento rápido para obtener una distribución mejorada.
También, las muestras producidas mediante dispositivos de toma de muestras convencionales tienen un diámetro de al menos 32 mm en una dirección paralela a la abertura del espectrómetro y un espesor de 4-12 mm en una dirección perpendicular a la abertura del espectrómetro. Tales dimensiones pueden manejarse fácilmente mediante un equipo de preparación previa al análisis que tritura mecánicamente la superficie de análisis de la muestra de metal para limpiar óxidos de la superficie y proporcionar la topografía plana requerida. Esta geometría también es conveniente para manipuladores robóticos que hacen avanzar la muestra de preparación a través del análisis y eliminar para esperar la siguiente muestra. El equipo robótico en un laboratorio de acero típico es difícil de modificar para aceptar geometrías de muestra radicalmente diferentes.
Sin embargo, el volumen de muestra de la técnica anterior se sobredimensiona a partir del volumen mínimo de metal requerido para llegar al área de superficie analizada mínima necesaria. Por lo tanto, los volúmenes de muestra de los dispositivos de la técnica anterior excluyen la solidificación rápida de la muestra de metal fundido, que es necesario para obtener una superficie libre de óxido. Como tal, los dispositivos convencionales no pueden analizarse de manera fiable por OES sin preparación de la superficie. Usando placas de enfriamiento masivo y alojamientos de muestreadores para forzar una muestra de metal de gran volumen para bajar la temperatura después de la recuperación se vuelve poco práctico para el desmoldeo rápido y no son rentables para su uso como dispositivos de muestreo por inmersión.
Por tanto, sería beneficioso proporcionar un muestreador tipo DA que produzca muestras sin preparación de acero desoxidado de un transformador u otro recipiente de procesamiento que sea capaz de enfriarse rápidamente según sea necesario para obtener una superficie de análisis que sea libre de segregación de metales y no metálicos que pueda ser analizado por OES.
También sería beneficioso proporcionar un muestreador tipo DA, particularmente uno que sea adaptable para su uso en el muestreo de acero fundido, que produce una muestra tipo DA capaz de analizarse en el equipo OES existente, mejorando de esta manera la velocidad y precisión del análisis.
También sería beneficioso proporcionar un dispositivo de inmersión de metal fundido para recuperar muestras libres de preparación de un recipiente de procesamiento de metal fundido que sea capaz de una conexión rápida con un aparato de purga de gas inerte asistido neumático y exhibe una captación de metal de presión reducida. En particular, sería beneficioso proporcionar un dispositivo de inmersión de metal fundido para producir una muestra de metal fundido que se obtiene fácilmente y se retira rápidamente del alojamiento del dispositivo de inmersión, se desmoldea desde la cámara de muestra, y se analiza directamente en el OES sin enfriamiento o preparación adicional, y que por lo tanto es rentable.
Resumen
La invención se refiere a un muestreador enfriado rápido que se llena con metal fundido en la dirección de inmersión paralela al eje longitudinal y que produce una muestra metalúrgica analizada localmente. Esta configuración, como se describe en mayor detalle en la presente descripción, proporciona la mayor utilidad en los espectrógrafos de emisión óptica existentes que, en la actualidad, requieren una superficie analizable para tener ciertas dimensiones, y también proporciona una geometría óptima que se ajusta a los tubos portadores mencionados anteriormente para retirar y desmoldear la muestra de metal con un esfuerzo mínimo.
Según la invención, se proporciona un muestreador para tomar muestras de un baño de metal fundido según la reivindicación 1.
Se proporcionan especificaciones adicionales en las reivindicaciones dependientes.
Breve descripción de los dibujos
El resumen anterior, así como la siguiente descripción detallada de realizaciones preferidas de la invención, se entenderán mejor cuando se leen junto con los dibujos adjuntos. A título ilustrativo, se muestran en los dibujos las realizaciones que se prefieren. Sin embargo, debe entenderse que el dispositivo y el método no se limitan a las disposiciones e instrumentos precisos mostrados.
La Figura 1 es una vista lateral en elevación de una sonda de muestreo por inmersión orientada en la dirección de inmersión según una realización de la invención;
la Figura 2 es una vista en planta superior de la sonda de muestreo por inmersión de la Figura 1;
la Figura 3 es una vista lateral en elevación de la sonda de muestreo por inmersión de la Figura 1 provista de un conector de gas para conectarse a un soporte de sonda que contiene una línea neumática;
la Figura 4 es una vista frontal en alzado del alojamiento de una cámara de muestra de dos partes de la sonda de muestreo por inmersión de la Figura 1;
la Figura 4A es una vista en planta inferior del alojamiento de la cámara de muestra mostrado en la Figura 4;
la Figura 5 es una vista frontal en alzado de la placa de cubierta de la cámara de muestra de dos partes de la sonda de muestreo por inmersión de la Figura 1;
la Figura 5A es una vista en planta inferior de la placa de cubierta de la cámara de muestra mostrada en la Figura 5; la Figura 6 es una vista en corte transversal lateral de la sonda de muestreo por inmersión de la Figura 3 tomada a lo largo de un plano paralelo a un eje longitudinal de la cavidad de muestra;
la Figura 7 es una vista frontal del alojamiento de la cámara de muestra que contiene una muestra de metal solidificada en ella y adecuada para el análisis OES sin preparación;
la Figura 7A es una vista lateral del alojamiento de la cámara de muestra mostrada en la Figura 7;
la Figura 8 es una vista frontal en elevación del alojamiento de una cámara de muestra de dos partes según otra realización de la invención;
la Figura 8 es una vista en planta inferior del alojamiento de la cámara de muestra mostrado en la Figura 8;
la Figura 9 es una vista frontal en alzado de la placa de cubierta configurada para ensamblarse con el alojamiento de la cámara de muestra de las Figuras 8-8A;
la Figura 9A es una vista en planta inferior de la placa de cubierta de la cámara de muestra mostrado en la Figura 9; la Figura 10 es una vista en corte transversal lateral de la sonda de muestreo por inmersión que incluye un desoxidante, según otra realización de la invención, tomada a lo largo de un plano paralelo a un eje longitudinal de la cavidad de muestra; la Figura 11 es una vista en sección transversal de la cavidad de muestra del alojamiento de la cámara de muestra de la Figura 4 tomada a lo largo de un plano perpendicular a un eje longitudinal de la cavidad de muestra; y la Figura 12 es una vista en sección transversal, no a escala, de la cavidad de muestra del alojamiento de la cámara de muestra de la Figura 4 tomada a lo largo de un plano paralelo a un eje longitudinal de la cavidad de muestra. Descripción detallada
La invención se refiere a una sonda de muestreo por inmersión para producir una muestra de tira solidificada de acero solidificado para el análisis directo por OES.
En la Figura 1, se muestra una sonda 10 de muestreo por inmersión, y más particularmente una sonda 10 de muestreo de metal fundido. Con la máxima preferencia, la sonda 10 es adecuado para la inmersión en acero fundido y la toma de muestras de este. La sonda 10 comprende un cabezal 5 de medición. El cabezal 5 de medición está hecho preferiblemente de arena de sílice unida a resina. Sin embargo, los expertos en la técnica entenderán que el cabezal 5 de medición puede estar hecho de cualquier material conocido por ser adecuado para formar un cuerpo para sumergirse en metal fundido. El cabezal 5 de medición está soportado sobre un tubo portador 1. Preferiblemente, el tubo portador 1 es un tubo portador de papel. En uso, un soporte de sonda o lanza (no se muestra) se inserta preferiblemente en el volumen interior del tubo portador 1 para proporcionar la acción mecánica necesaria para sumergirse el cabezal 5 de medición por debajo de la superficie de un baño de metal fundido (no se muestra) en la dirección I de inmersión.
El cabezal 5 de medición comprende una cámara 3 de muestra para la recolección y recuperación de una muestra de metal fundido. Los expertos en la técnica entenderán que, aunque la cámara 3 de muestra se describe en la presente descripción en términos de la sonda 10 de muestreo por inmersión, la cámara 3 de muestra puede utilizarse con cualquier tipo de dispositivo de muestreo de metal fundido. Por lo tanto, el ensamblaje y la configuración de la cámara 3 de muestra descritas en la presente descripción es aplicable a cualquier tipo de dispositivo de muestreo de metal fundido, no solo a la sonda 10 de muestreo por inmersión.
Preferiblemente, la cámara 3 de muestra es una cámara de muestreo de dos partes. Más particularmente, con referencia a la Figura 2, la cámara 3 de muestra se compone de un alojamiento 30 y una placa 32 de cubierta. El alojamiento 30 se forma preferiblemente por uno o más materiales que son buenos conductores térmicos y eléctricos, tales como, aunque no de forma limitativa, aluminio, cobre y otros metales que tienen propiedades de conductividad térmica y eléctrica similares para su acoplamiento eléctrico a la muestra de metal recuperada. Preferiblemente, el alojamiento 30 está fabricado de aluminio. La masa de la placa 32 de cierre representa preferiblemente de 10 a 20 % de la masa total de la cámara 3 de muestra. El alojamiento 30 puede estar marcado por un método indestructible con medios de identificación.
Las dos partes 30, 32 de la cámara 3 de muestra pueden mantenerse unidos preferiblemente por una abrazadera 4 (también denominada un gancho) con una fuerza de compresión suficiente para resistir una tendencia de las dos partes 30, 32 de la cámara 3 de muestra a separarse debido a la fuerza del metal fundido que entra y llena la cámara 3 de muestra. La abrazadera 4 es preferiblemente una abrazadera de metal. Sin embargo, los expertos en la técnica entenderán que la abrazadera 4 puede estar hecha de otro material adecuado que sea capaz de inmersión en metal fundido y proporciona la fuerza compresiva requerida.
En la Figura 1, el cabezal 5 de medición tiene un primer extremo 12 y un segundo extremo 14 opuesto. El primer extremo 12 del cabezal 5 de medición corresponde a un extremo de inmersión. El segundo extremo 14 del cabezal 5 de medición se configura para orientarse hacia el soporte de lanza o sonda. La cámara 3 de muestra tiene un primer extremo 16 y un segundo extremo 18 opuesto. El primer extremo 16 de la cámara 3 de muestra corresponde a un extremo de inmersión. Los expertos en la técnica entenderán que la frase “extremo de inmersión” significa el extremo del cuerpo que se sumerge primero en metal fundido en la dirección l de inmersión.
La cámara 3 de muestra incluye una cavidad de muestra configurada para recibir metal fundido, como se describe con mayor detalle en la presente descripción. La cavidad de muestra se extiende desde cerca del primer extremo 16 hacia el segundo extremo 18 de la cámara 3 de muestra a lo largo de un eje longitudinal X (ver la Figura 4).
El primer extremo 16 de la cámara 3 de muestra preferiblemente se acopla o proporciona de cualquier otra manera con un conducto 7 de entrada. Más particularmente, el primer extremo 16 del alojamiento 30 de muestra tiene una primera abertura 20 para recibir el conducto 7 de entrada (ver la Figura 4). La primera abertura 20 y, por lo tanto, el conducto 7 de entrada preferiblemente se alinean con la cámara 3 de muestra, y más particularmente la cavidad de la muestra. El conducto 7 de entrada permite el flujo de metal fundido desde el baño de metal fundido a la cámara 3 de muestra. Por lo tanto, el metal fundido se introduce en la cavidad de muestra de la cámara 3 de muestra en la dirección de inmersión en paralelo al eje longitudinal X de la cavidad de muestra. El conducto 7 de entrada preferiblemente se hace de un material de cuarzo, más preferiblemente un material de cuarzo fundido. Sin embargo, se entenderá que el conducto 7 de entrada puede estar hecho de cualquier otro material adecuado, que incluye, pero no se limita a, un material cerámico.
El conducto 7 de entrada tiene un primer extremo (no se muestra) y un segundo extremo 22 opuesto (ver las Figuras 4-4A). En una realización, el conducto 7 de entrada se asegura dentro del cabezal 5 de medición con un casquillo 6 (ver la Figura 1). El casquillo 6 preferiblemente se hace de un material de cemento. El segundo extremo 22 del conducto 7 de entrada se adhiere o acopla dentro de la cámara 3 de muestra mediante un adhesivo 27 de manera sustancialmente hermético a gases. Más particularmente, el segundo extremo 22 del conducto 7 de entrada se coloca completamente dentro de la primera abertura 20 del alojamiento 30 de la cámara 3 de muestra y se adhiere al mismo por el adhesivo 27 para lograr una junta sustancialmente hermética a gases. “ Sustancialmente hermético” significa que el sello o junta puede ser completamente hermético a gases o hermético a gases en gran medida. En particular, con respecto a la unión del conducto 7 de entrada y el acoplador 2 de gas (descrito en la presente descripción), las juntas formadas son preferiblemente herméticas a gases en la medida en que la cavidad de muestra es capaz de ser presurizada por encima del nivel de presión a la profundidad de inmersión.
En las Figuras 1 y 3, el primer extremo del conducto 7 de entrada corresponde a un extremo de inmersión. El primer extremo no es visible en las Figuras 1 y 3, porque está cubierto por un primer tapón 8 de protección. Más particularmente, el primer tapón 8 de protección se acopla al primer extremo del conducto 7 de entrada de una manera sustancialmente hermética a gases por el adhesivo 11. El primer tapón de protección está hecho preferiblemente de metal, y más preferiblemente acero. El primer tapón 8 de protección puede incluir una abertura (no se muestra) (p. ej., un orificio de 1 mm de diámetro) para asegurar que la cavidad de muestra pueda purgarse suficientemente y que todo el aire atrapado pueda salir del mismo. Un segundo tapón 9 de protección, a su vez, cubierto (y más específicamente abarca) el primer tapón 8 de protección. El segundo tapón 9 de protección se acopla al primer extremo 12 del cabezal 5 de medición. Preferiblemente, el tapón 9 de protección está hecho de metal, y más preferiblemente acero. En una realización, el segundo tapón 9 de protección se protege además con una cubierta de papel (no se muestra).
En las Figuras 1-2 y 4, el segundo extremo 18 del alojamiento 30 de muestra incluye una segunda abertura 33 para recibir un acoplador 2, y más particularmente un acoplador 2 de gas. Por lo tanto, la segunda abertura 33 es un puerto de gas que preferiblemente está completamente contenido dentro del alojamiento 30. El acoplador 2 se sella al alojamiento 30 dentro del puerto 33 de gas en el segundo extremo 18 de la cámara de muestra mediante un adhesivo 26 para lograr una junta sustancialmente hermética a gases. Por lo tanto, un extremo del acoplador 2 se coloca completamente dentro del cuerpo del alojamiento 30 de la cámara 3 de muestra.
El acoplador 2 se configura para coincidir con un conducto (no se muestra), y más particularmente un conducto de gas. Más particularmente, un primer extremo del conducto de gas se acopla al acoplador 2 y un segundo extremo opuesto del conducto de gas se acopla a un sistema neumático (no se muestra). El sistema neumático suministra preferiblemente un gas inerte a la cámara 3 de muestra a través del conducto de gas para purgar y presurizar la cámara 3 de muestra. Los ejemplos del gas inerte que puede usarse para purgar y presurizar la cámara 3 de muestra incluyen, aunque no de forma limitativa, nitrógeno o argón. Preferiblemente, el gas inerte (p. ej., nitrógeno o argón) está a una presión de 2 bar. El sistema neumático también facilita la eliminación de los gases de escape de la cámara 3 de muestra a través del conducto de gas. Cuando un sistema neumático está en comunicación con la cámara 3 de muestreo de la sonda 10 a través del acoplador 2, hay un trayecto de gas continuo desde el extremo de inmersión del conducto 7 de entrada hasta la cámara 3 de muestreo (es decir, a lo largo del eje longitudinal X) que está sustancialmente libre de fugas, pero la cámara 3 de muestra se desmonta fácilmente para acceder a la muestra.
En la Figura 3, en una realización, el acoplador 2 está provisto de un conector 23 de gas configurado para coincidir con un receptáculo correspondiente en el soporte de sonda. Más particularmente, el conector 23 de gas es un ensamblaje de conector del tipo de empujar/tirar e incluye un anillo tórico 24 para sellar el gas a una superficie de unión en el soporte de la sonda.
En uso, el cabezal 5 de medición se sumerge en un baño de metal fundido y la cámara 3 de muestra se purga y se presuriza por el gas inerte que se suministra por el sistema neumático y que se desplaza desde el acoplador 2 hacia el conducto 7 de entrada a lo largo del eje longitudinal X. Después de que el cabezal 5 de medición se sumerge por debajo de la superficie del baño de metal fundido, el segundo tapón 9 de protección y la cubierta de papel (si está presente) se funden debido al calor del metal fundido, exponiendo de esta manera el primer tapón 8 de protección al metal fundido. Posteriormente, el primer tapón 8 de protección también se funde, colocando de esta manera la cámara 3 de muestra en comunicación fluida con el baño de metal fundido a través del conducto 7 de entrada. Más particularmente, una vez que el segundo tapón 8 de protección se funde, la presión del gas inerte sale de la cámara 3 de muestra a través del conducto 7 de entrada abierto (es decir, a través del primer extremo del conducto 7 de entrada) hasta que el sistema neumático se invierte desde un modo de purga a un modo de escape o vacío. Después, el metal fundido entra en la cámara 3 de muestra a través del conducto 7 de entrada, particularmente desde el primer extremo hasta el segundo extremo 22 y posteriormente en la cavidad de muestra de la cámara 3 de muestra, mientras que el gas sale de la cámara 3 de muestra a través del acoplador 2. El gas se expulsa preferiblemente por la presión ferroestática natural del metal fundido, pero también puede agotarse por un ligero vacío aplicado al conducto de gas por un equipo remoto.
Las Figuras 4-6 muestran la cámara 3 de muestra de dos partes de la sonda 10 con mayor detalle. El alojamiento 30 de la cámara 3 de muestra tiene un primer lado o cara 40 y un segundo lado o cara 42 opuestas (ver las Figuras 4A y 6). La primera cara 40 es una cara de análisis, lo que significa que es el lado geométrico del alojamiento 30 en el que se recolecta la muestra y que, por lo tanto, se configura para colocarse hacia abajo sobre la etapa del espectrógrafo de emisión óptica durante el análisis. La dirección hacia abajo, en este caso, es una dirección hacia la fuente de chispa de un sistema OES. La primera cara 40 se extiende entre el extremo de inmersión y el extremo opuesto del alojamiento 30. Más particularmente, la primera cara 40 se extiende en un primer plano AF desde el primer extremo 16 hacia el segundo extremo 18 de la cámara 3 de muestra. En el segundo extremo 18 de la cámara 3 de muestra, se proporciona un puerto 33 de gas que preferiblemente está completamente contenido dentro del alojamiento 30. El puerto 33 de gas recibe el acoplador 2 (como se muestra en la Figura 1 o 3) que, como se describe en la presente descripción, se sella al alojamiento 30 de una manera sustancialmente hermética a gases por el adhesivo 26 (ver la Figura 3).
En las Figuras 4 y 6, las porciones de la primera cara 40 se giran para formar diferentes regiones o zonas de la cámara 3 de muestra para la ventilación y la recolección de metal fundido. Más particularmente, la primera cara 40 del alojamiento 30 incluye diversas depresiones que forman colectivamente la cavidad de muestra de la cámara 3 de muestra, de la siguiente manera: una primera región 34 próxima al primer extremo 16 de la cámara 3 de muestra y en comunicación directa con el conducto 7 de entrada, una segunda región 35 que recubre la primera región 34, una tercera región 36 adyacente a la segunda región 35. La primera cara 40 también incluye una depresión adicional en forma de una cuarta región 38 próxima al segundo extremo 18 de la cámara 3 de muestra y en comunicación directa con el puerto 33 de gas. El puerto 33 de gas (y, por lo tanto, el acoplador 2) y el conducto 7 de entrada se ubican en el alojamiento 30, de tal manera que están en comunicación directa y alineados con la cavidad de muestra de la cámara 3 de muestra. Más particularmente, el puerto 33 de gas y el conducto 7 de entrada se extienden preferiblemente paralelos a la cavidad de muestra de la cámara 3 de muestra, y más preferiblemente el puerto 33 de gas y el conducto 7 de entrada se extienden a lo largo de un eje longitudinal X común de la cavidad de muestra de la cámara 3 de muestra.
En la Figura 6, la cuarta región 38 es un volumen de conexión definido por una hendidura o depresión formada en la primera cara 40 del alojamiento 30 de la cámara 3 de muestra. Por lo tanto, el volumen 38 de conexión tiene un extremo abierto 38a
en la primera cara 40. El volumen 38 de conexión está en comunicación de gas con el puerto 33 de gas. A medida que el metal fundido generalmente se solidifica en la tercera región 36, como se describe en la presente descripción, el volumen 38 de conexión generalmente no se considera parte de la cavidad del alojamiento de muestra para recibir metal fundido.
La tercera región 36 es una zona de ventilación que está en comunicación de gas con el volumen 38 de conexión. La zona 36 de ventilación está definida por una hendidura o depresión formada en la primera cara 40 del alojamiento 30. Por lo tanto, la zona 36 de ventilación tiene un extremo abierto 36a en la primera cara 40 y un extremo 36b inferior cerrado opuesto. Una línea central de la zona 36 de ventilación se alinea preferiblemente con la segunda región 35 y el acoplador 2 de gas.
La segunda región 35 es una zona de análisis. La zona 35 de análisis está definida por una hendidura alargada o depresión formada en la primera cara 40 del alojamiento 30. Por lo tanto, la zona 35 de análisis tiene un extremo abierto 35a en la primera cara 40 y un extremo 35b inferior parcialmente cerrado opuesto. Más particularmente, el límite físico del extremo 35b inferior cerrado solo se extiende a través de una porción de la longitud de la zona 35 de análisis.
En una realización, los extremos opuestos (es decir, el extremo delantero y el extremo posterior en términos de la dirección I de inmersión) de la zona 35 de análisis son redondeados para facilitar el mecanizado. Sin embargo, los expertos en la técnica entenderán que los extremos pueden tener cualquier forma.
Una porción de la zona 35 de análisis se superpone a la primera región 34 de la cámara 3 de muestra. Más particularmente, el extremo delantero de la zona 35 de análisis (es decir, el extremo delantero de la zona 35 de análisis próximo al extremo 16 de inmersión de la cámara 3 de muestra) se superpone y está en comunicación directa con la primera región 34 (ver la Figura 6). Por lo tanto, la porción de la zona 35 de análisis que se superpone a la primera región 34 no está físicamente limitada por el extremo 35b inferior cerrado. La primera región 34 es una zona de distribución que está en comunicación directa con el conducto 7 de entrada. Más particularmente, el metal fundido se introduce directamente en la zona 34 de distribución desde el segundo extremo 22 del conducto 7 de entrada. Como tal, el conducto 7 de entrada se ubica para estar en comunicación de flujo directo con la zona 34 de distribución en una dirección paralela al eje longitudinal X.
De nuevo, no hay una delineación física entre la zona 35 de análisis y la zona 34 de distribución. Sin embargo, estas se consideran zonas separadas en términos de las dimensiones prescritas para la práctica de la invención. En particular, el límite imaginario entre la zona 35 de análisis y la zona 34 de distribución, como se indica mediante una línea discontinua 35c en la Figura 6, es esencialmente una extensión del extremo 35b inferior cerrado, lo que significa que el límite 35c entre la zona 35 de análisis y la zona 34 de distribución se encuentra en el mismo que el extremo 35b inferior cerrado. Se prefiere que la zona 35 de análisis sea de una profundidad uniforme que cubre la zona 34 de distribución, como se describe con mayor detalle en la presente descripción.
Colectivamente, el volumen 38 de conexión, la zona 36 de ventilación, la zona 35 de análisis y la zona 34 de distribución forman el volumen hueco de la cámara 3 de muestra. La zona 36 de ventilación, la zona 35 de análisis y la zona 34 de distribución comprenden colectivamente la cavidad que recibe el metal fundido, lo que significa la cavidad de muestra en la que se introduce el metal fundido (y más particularmente acero fundido) a lo largo del eje longitudinal X, se recolecta posteriormente se solidifica para formar una muestra S de metal solidificada, y finalmente se analiza directamente. La zona 36 de ventilación, la zona 35 de análisis y la zona 34 de distribución son regiones contiguas.
En las Figuras 4 y 6, la primera cara 40 del alojamiento 30 incluye una porción elevada 39 que abarca las depresiones del volumen 38 de conexión, la zona 36 de ventilación, la zona 35 de análisis y la zona 34 de distribución. Más particularmente, la porción elevada, denominada en la presente descripción, la arista 39, rodea periféricamente el volumen colectivo del volumen 38 de conexión, la zona 36 de ventilación, la zona 35 de análisis y la zona 34 de distribución. El borde superior o distal 39a de la arista 39 está preferiblemente a una altura de 0,2 mm a 0,5 mm, y más preferiblemente 0,3 mm, con respecto al resto de la primera cara 40 (es decir, con respecto al primer plano AF). Por lo tanto, el borde distal 39a de la arista periférica 39 se encuentra en un segundo plano AP que está separado del primer plano AF de la primera cara 40. El segundo plano AP se denomina en la presente descripción plano de análisis. Cuando la cámara 3 de muestra se llena con metal, la superficie analizable AS de la muestra de metal solidificada AS se encuentra en el plano de análisis AP, como se describe en la presente descripción con mayor detalle.
En las Figuras 5-5A, la placa 32 de cubierta no necesita estar formada del mismo material que el alojamiento 30. A diferencia del alojamiento 30, la placa 32 de cubierta no tiene que estar formada por un material que sea un buen conductor eléctrico. Por ejemplo, la placa 32 de cubierta puede estar formada por sílice fundida o un material cerámico refractario. Preferiblemente, sin embargo, la placa 32 de cubierta se forma del mismo material que el alojamiento 30.
Preferiblemente, para fines prácticos de ensamblaje, la placa 32 de cubierta tiene aproximadamente el mismo ancho y longitud que el alojamiento 30. Sin embargo, se entenderá que la placa 32 de cubierta no está limitada a tales dimensiones, y puede tener un ancho y longitud mayor o menor que la del alojamiento 30.
La placa 32 de cubierta tiene un primer lado o cara 44 y un segundo lado o cara 46 opuesta. La placa 32 de cubierta tiene preferiblemente un espesor entre 1 mm y 5 mm que se extiende desde la primera cara 44 hasta la segunda cara 46. La primera cara 44 de la placa 32 de cubierta se configura para orientarse hacia el alojamiento 30, y más particularmente la primera cara 40 del alojamiento 30, en la configuración ensamblada de la cámara 3 de muestra.
Se proporciona un miembro 31 de sellado en la primera cara 44 de la placa 32 de cubierta para colocarse entre el alojamiento 30 y la placa 32 de cubierta en la configuración ensamblada de la cámara 3 de muestra. El miembro 31 de sellado es preferiblemente un miembro de sellado de gas. Más particularmente, el miembro 31 de sellado es una junta. La junta 31 preferiblemente se dimensiona para abarcar o rodear la arista 39 en la configuración ensamblada de la cámara 3 de muestra. La junta 31 puede tener cualquier forma. Preferiblemente, sin embargo, la junta 31 se forma en la misma forma que la arista 39 de la primera cara 40 del alojamiento 30.
En una realización, la junta 31 se forma preferiblemente de silicona o cualquier polímero similar. Los expertos en la técnica entenderán que la junta 31 puede estar formada por cualquier material que proporcionaría un sello hermético a gases entre la placa 32 de cubierta y el alojamiento 30. Después de que el material de la junta 31 se aplica a la primera cara 44 de la placa 32 de cubierta, la junta 31 se deja secar antes de que la placa 32 de cubierta se monte con el alojamiento 30 y se asegure entre sí mediante la abrazadera 4, asegurando por lo tanto que la junta 31 no se adhiera al alojamiento 30.
Los expertos en la técnica entenderán que la junta 31 puede formarse alternativamente como un anillo tórico o un material de junta plana sin abandonar el ámbito de la invención. Por ejemplo, en otra realización, la junta 31 es una lámina de plástico aplicada como una junta plana preferiblemente que tiene un espesor de 0,04 a 0,1 mm. Por ejemplo, la junta plana puede estar formada por la cinta protectora de superficie, el Producto núm. 4011 a, fabricado por 3M™.
En la configuración ensamblada de la cámara 3 de muestra, como se muestra en la Figura 6, la placa 32 de cubierta y el alojamiento 30 se ensamblan para formar la cavidad de muestra que incluye la zona 34 de distribución, la zona 35 de análisis y la zona 36 de ventilación. Preferiblemente, la placa 32 de cubierta descansa sobre la arista 39 del alojamiento 30 (es decir, en el plano de análisis AP) y la junta 31 entra en contacto con la primera cara 40 del alojamiento 30 de tal manera que la junta 31 rodea o abarca la arista 39. Más particularmente, en la configuración ensamblada de la cámara 3 de muestra, la placa 32 de cubierta se asienta preferiblemente a ras contra la arista 39 en el plano de análisis AP y se sella a la primera superficie 40 del alojamiento 30 en un ajuste de tipo junta debido al sello de la junta 31 contra la primera superficie 40. Sin embargo, se entenderá que la placa 32 de cubierta y el alojamiento 30 pueden ensamblarse juntas a lo largo de un plano que se extiende por encima de la arista 39 y el plano de análisis AP.
Por lo tanto, la placa 32 de cubierta cierra la cavidad de muestra de la cámara 3 de muestra. De nuevo, la cavidad de muestra de la cámara 3 de muestra es el volumen en el que se introduce metal caliente a lo largo del eje longitudinal X desde el conducto 7 de entrada, se recolecta y posteriormente se enfría con rapidez para formar la muestra S de metal solidificado. Como tal, solo hay dos aberturas formadas en la cámara 3 de muestra ensamblada, especialmente, la primera abertura 20 en comunicación con el conducto 7 de entrada y la abertura del puerto 33 de gas en comunicación con el acoplador 2. La superficie de análisis de la muestra S de metal solidificada alojada con la cavidad de muestra se encuentra en el plano de análisis AP. Además, la primera abertura 20 y el conducto 7 de entrada asociado y el puerto 33 de gas y el acoplador 2 asociado están separados y no intersecan el plano de análisis AP.
A continuación, en la memoria, una longitud L de cada zona 34, 35, 36 se describe en términos de una dimensión paralela y alineada con el eje longitudinal X de la cavidad de muestra, un ancho W de cada región 34, 35, 36 se describe en términos de una dimensión perpendicular al eje longitudinal X; y una profundidad D de cada zona 34, 35, 36 se describe en términos de una dimensión perpendicular al eje longitudinal X y perpendicular a la dimensión de ancho. Más particularmente, una profundidad de cada zona 34, 35, 36 se mide desde un punto a lo largo del plano de análisis AP hasta el extremo inferior o límite de cada zona 34, 35, 36, porque la cavidad de muestra de la cámara 3 de muestra está limitada en un extremo por las zonas 34, 35, 36 y en el otro extremo por la placa 32 de cubierta que se encuentra en el plano de análisis.
Las dimensiones de longitud L, ancho W y profundidad D se muestran más claramente en la Figura 4, Figura 6 y Figura 11. La dimensión de área en sección transversal, descrita en la presente descripción, es equivalente a una dimensión de ancho W multiplicada por una dimensión de profundidad D (ver la Figura 11).
La zona 35 de análisis tiene un ancho Wa de entre 8 y 12 mm, preferiblemente 10 mm. La longitud La de la zona 35 de análisis, que se extiende desde el extremo delantero hasta el extremo posterior (el extremo posterior de la zona de análisis correspondiente al extremo delantero de la zona 36 de ventilación) es 25 a 35 mm, preferiblemente 30 mm. La profundidad Da de la zona 35 de análisis se extiende desde un punto a lo largo del plano de análisis AP hasta el extremo 35b inferior cerrado y el límite 35c (es decir, la base de la depresión). La profundidad Da de la zona 35 de análisis es mayor que 1,5 mm y menor que 3, preferiblemente 2 mm. Si la profundidad Da de la zona 35 de análisis es 1,5 mm o menor, después la muestra S de acero solidificada resultante no sería homogénea según se requiera. Es decir, de 1,5 mm a 3 mm de profundidad Da de la zona 35 de análisis es un aspecto crítico de la invención.
En una realización, el ancho Wa de la zona 35 de análisis aumenta gradualmente desde cerca del extremo 16 de inmersión hacia el extremo opuesto 18 para una distancia correspondiente a la porción que cubre la zona 34 de distribución. Al alcanzar un ancho máximo Wa, el ancho Wa de la zona 35 de análisis se estrecha ligeramente a lo largo del eje longitudinal X, de tal manera que el área en sección transversal de la zona 35 de análisis (es decir, el área en sección transversal de la zona 35 de análisis tomada a lo largo del plano perpendicular al eje longitudinal X como se muestra en la Figura 10) está en un máximo donde la zona 34 de distribución termina y se estrecha ligeramente hacia la zona 36 de ventilación. Más particularmente, las paredes que definen el ancho de la zona 35 de análisis (es decir, las paredes que se extienden perpendicularmente a la primera cara 40) se estrechan ligeramente en la dirección del eje longitudinal X, de tal manera que
el ancho de la zona 35 de análisis es mayor en el extremo de la zona 34 de distribución y disminuye en la dirección del eje longitudinal X hacia la zona 36 de ventilación. Como tal, la zona 35 de análisis puede acomodar el encogimiento del metal caliente solidificante sin un esfuerzo indebido en la sección transversal delgada de la muestra S de metal solidificada.
El área en sección transversal del conducto 7 de entrada, que es la sección transversal del conducto 7 de entrada tomada a lo largo del plano perpendicular al eje longitudinal X como se muestra en la Figura 11, depende del área de sección transversal de la zona 35 de análisis y de la zona 34 de distribución. El área en sección transversal del conducto 7 de entrada está entre 0,5 y 2 veces el área en sección transversal de la zona 35 de análisis. Más particularmente, la relación del conducto 7 de entrada a la zona 35 de análisis es mayor que 0,5 y menor que 2. El área en sección transversal del conducto 7 de entrada está entre 0,20 y 0,70 veces el área en sección transversal más grande que la zona 34 de distribución y, por lo tanto, reduce la velocidad de entrada requerida para la mezcla de metales, que incluyen la incorporación de cualquier desoxidante. Más preferiblemente, el área en sección transversal del conducto 7 de entrada es 0,55 veces el área de sección transversal más grande que la zona 34 de distribución. Si el área en sección transversal del conducto 7 de entrada es demasiado pequeña (es decir, menor que 0,5 veces el área en sección transversal que la zona 35 de análisis y/o menor que 0,20 veces el área en sección transversal más grande que la zona 34 de distribución), después no hay suficiente desaceleración del metal fundido que fluye para lograr una mezcla óptima de desoxidantes y reducir el flujo turbulento, y existe un relleno deficiente. Si el área en sección transversal del conducto 7 de entrada es demasiado grande (es decir, mayor que 2 veces el área en sección transversal de la zona 35 de análisis y/o mayor que 0,70 veces el área en sección transversal más grande que la zona 34 de distribución), después la zona 34 de distribución, cuando se llena, añade calor sensible a la muestra de metal fundido que debe retirarse con más masa de alojamiento 30, moviéndose por lo tanto más de una solución económica.
La zona 34 de distribución, como se describió anteriormente, se encuentra debajo de la zona 35 de análisis y, por lo tanto, no influye en la longitud total La de la zona 35 de análisis. El volumen de la zona 34 de distribución está limitado por la zona 35 de análisis, y más particularmente por el límite 35c, en su extremo superior, así como por sus paredes laterales opuestas 34a, 34b y su superficie 34c inferior (ver la Figura 11). Las paredes laterales 34a, 34b son sustancialmente perpendiculares al plano de análisis AP. El ancho Wd de la zona 34 de distribución (es decir, la distancia que abarca las paredes laterales 34a, 34b) también no supera preferiblemente el ancho Wa de la zona 35 de análisis y es preferiblemente no menor que el diámetro interno del conducto 7 de entrada. Preferiblemente, el ancho Wd de la zona 34 de distribución es igual al diámetro interior del conducto 7 de entrada. Una primera porción de la superficie 34c inferior (es decir, la superficie opuesta a la zona 35 de análisis) de la zona de distribución 34 se extiende en un plano horizontal paralelo al eje longitudinal X. Una segunda porción de la superficie 34c inferior está en ángulo, y más particularmente se extiende hacia arriba en un ángulo a, e interseca con el extremo 35b inferior cerrado de la zona 35 de análisis en un ángulo a entre 40° y 90°, preferiblemente 60°. La zona 35 de distribución termina en esta intersección. Como tal, la profundidad de la zona 34 de distribución disminuye en la dirección de flujo del metal fundido desde el conducto 7 de entrada hacia el acoplador 2 de gas.
La profundidad Dv de la zona 36 de ventilación varía entre aproximadamente 0,1 y 1 mm, la longitud Lv de la zona 36 de ventilación es aproximadamente 5 mm, y el ancho Wv de la zona 36 de ventilación es preferiblemente igual o menor que el ancho WA de la zona 35 de análisis. La profundidad DV de la zona 36 de ventilación está en su máximo en el extremo más cerca del extremo 16 de inmersión de la cámara 3 de muestra. Es decir, la profundidad Dv de la zona 36 de ventilación disminuye ligeramente desde la dirección I de inmersión hacia el volumen 38 de conexión. Más particularmente, se prefiere una reducción gradual de la profundidad Dv de la zona 36 de ventilación desde el extremo posterior de la zona 35 de análisis hasta el extremo de la zona 36 de ventilación de 1 mm a 0,2 mm.
No hay aumentos en el ancho de la cavidad de muestra desde el extremo de la zona de distribución al acoplador 2 de gas, o aumenta en las dimensiones de profundidad de la cavidad de muestra en la dirección de flujo del acero fundido desde el conducto 7 de entrada hacia el acoplador 2 de gas, de tal manera que el encogimiento de metal durante la solidificación puede moverse libremente hacia el conducto 7 de entrada.
El área en sección transversal de la zona de análisis 35 (es decir, el ancho Wa de la zona 35 de análisis multiplicado por la profundidad DA de la zona 35 de análisis) está entre 2,5 y 10 veces el área en sección transversal de la zona 36 de ventilación (es decir, el ancho Wv de la zona 36 de ventilación multiplicada por la profundidad Dv de la zona 36 de ventilación). Por lo tanto, el área en sección transversal máxima de la zona 36 de ventilación está entre 2 y 8 mm2.
Las Figuras 8-9A muestran una cámara de muestra alternativa que es esencialmente la misma que la cámara 3 de muestra, excepto por ciertas diferencias en las configuraciones del alojamiento 60 y la placa 62 de cubierta, como se describe a continuación en la memoria. El alojamiento 60 incluye un volumen 68 de conexión, una zona 66 de ventilación, una zona 65 de análisis y una zona 64 de distribución que son las mismas que el volumen 38 de conexión, una zona 36 de ventilación, una zona 35 de análisis y una zona 34 de distribución, respectivamente, del alojamiento 30. El alojamiento 60 también está provisto de un puerto 63 de gas en un extremo, similar al puerto 33 de gas de la cámara 3 de muestra, y un conducto 67 de entrada, similar al conducto 7 de entrada de la cámara 3 de muestra. El alojamiento 60 también tiene un primer lado o cara 70 que es una cara de análisis y que se extiende en un primer plano AF, y una segunda cara 72 opuesta. A diferencia del alojamiento 30, el alojamiento 60 no incluye una arista elevada (es decir, la arista elevada 39 del alojamiento 30). En las Figuras 9-9A, la placa 62 de cubierta tiene una primera cara 74 configurada para orientarse hacia el alojamiento 60 en la configuración ensamblada de la cámara de muestra. Se proporciona una junta en la primera cara 74 de la placa 62 de cubierta para colocarse entre el alojamiento 60 y la placa 62 de cubierta en la configuración ensamblada de la cámara de
muestra. A diferencia de la placa 32 de cubierta de la cámara 3 de muestra, la placa 62 de cubierta incluye además una porción central elevada 69 que se extiende desde su primera cara 74. La porción 69 central elevada tiene una altura entre 0,2 mm y 0,5 mm, preferiblemente 0,3 mm. La junta 61 rodea o abarca la porción 69 central elevada.
En la configuración ensamblada de la cámara de muestra, la porción 69 central elevada de la placa 62 de cubierta se asienta a ras contra el alojamiento 60, con una junta 61 para sellar a la primera cara 70 del alojamiento 60. Por lo tanto, la placa 62 de cubierta cierra el volumen abierto de la cámara de muestreo se limita desde el material del alojamiento 60 para formar el volumen 68 de conexión, una zona 66 de ventilación, una zona 65 de análisis y una zona 64 de distribución. En esta realización, el plano de análisis es igual al plano AF de la cara de análisis.
En la Figura 10, se muestra una realización alternativa de la cámara 3, 3' de muestra, que incluye además un desoxidante en forma de una tira 71. Diversos números de referencia utilizados para describir la cámara 3 de muestra mostrada en la Figura 6 se repiten en la Figura 10, pero no se repiten en la presente descripción con respecto a la discusión de la Figura 10, ya que identifican los mismos componentes ya descritos con respecto a la Figura 6. El oxidante es preferiblemente aluminio, pero alternativamente puede ser zirconio, titanio u otros tales desoxidantes tales conocidos en la técnica. El ancho y el espesor de la tira 71 de desoxidante son aproximadamente 2 mm y 0,1 mm, respectivamente. La tira 71 de desoxidante se ancla al conducto 7 de entrada en su segundo extremo 22 opuesto a la dirección de inmersión I por una flexión 73 sobre el segundo extremo 22 del conducto 7 de entrada, resistiendo de esta manera la fuerza del gas de purga para inyectar la tira 71 de desoxidante metálico en el baño fundido. La longitud de la tira 71 de desoxidante metálico es preferiblemente tan larga como la longitud del conducto 7 de entrada que está encerrada por el cabezal 5 de medición. Una porción 72 de la tira 71 de desoxidante metálico ubicada en el conducto 7 de entrada está preferiblemente torcida por al menos 90° para colocar su ancho perpendicular al conducto 7 de entrada de pared.
La recuperación de una muestra de metal fundido, preferiblemente una muestra de acero fundido, de la invención adecuada para el análisis usando un OES del baño de metal fundido se logra mediante el siguiente procedimiento. La sonda 10 se acopla neumáticamente al soporte de sonda con el elemento 23 de empuje simple y despegable. El conector 23 se acopla directamente a la cámara de muestreo 3 por el acoplador 2 o a una distancia unida por una línea neumática. El cierre del circuito de gas proporciona una ligera sobrepresión de gas de purga inerte. Usando el soporte de sonda para una ventaja mecánica, la sonda 10 se sumerge en un baño de metal fundido y permanece en una distancia predeterminada debajo de la superficie metálica durante una duración especificada. Durante esta inmersión, el tapón protector 9 del cabezal 5 de medición que se diseña para resistir la destrucción mientras pasa a través de la escoria que flota sobre la superficie metálica, se funde, exponiendo, por lo tanto, el tapón 8 protector más pequeño del conducto 7 de entrada. Como el primer tapón 4 de protección también se funde posteriormente, la sobrepresión de gas inerte se libera y el gas de purga inerte fluye desde el soporte de sonda a través del conector de gas 23 (si está presente) y el acoplador 2 al volumen 38 de conexión, la zona 36 de ventilación, la zona 35 de análisis, la zona 34 de distribución que se encuentra debajo de la zona 35 de análisis y el volumen interno 7a del conducto de entrada. El conector 23 de gas (si está presente) y el acoplador 2 se adhieren al alojamiento 30 de una manera sustancialmente hermética a gases mediante el adhesivo 26 y el conducto 7 de entrada se adhiere al alojamiento 30 de una manera sustancialmente hermética a gases por el adhesivo 27. Más particularmente, el segundo extremo 22 del conducto 7 de entrada está completamente contenido dentro del alojamiento 30 y adherido en su interior a una manera sustancialmente hermética a gases por el adhesivo 27.
Este gas de purga retira la atmósfera ambiental potencialmente oxidante dentro de la cámara 3 de muestreo y continúa fluyendo durante unos pocos segundos que permiten los restos del segundo tapón protector 9 y cualquier escoria que se haya arrastrado hacia abajo acoplado al cabezal 5 de medición que se va a enjuagar. Después, las válvulas neumáticas se cambian momentáneamente desde la purga al escape, de tal manera que la dirección del gas de purga se invierte para retirar la sobrepresión, particularmente permitiendo que el exceso de presión dentro de la cámara 3 de muestra para agotar por la ruta inversa como se mencionó anteriormente y salir de la cámara 3 de muestra. Con esto, el metal fundido del baño de metal fundido (no se muestra) entra y llena el conducto 7 de entrada y desemboca desde el volumen 7a del conducto 7 de entrada hacia la zona 34 de distribución de la cámara 3 de muestra. Después, el metal fundido se alimenta a la zona 35 de análisis que se superpone a la zona 34 de distribución y llena la zona 35 de análisis. Una porción del metal fundido continuará fluyendo hacia el acoplador 2 en el segundo extremo de la cámara 3 de muestra, rellenando de esta manera al menos parcial o incluso completamente la zona 36 de ventilación estrecha. El soporte de sonda ahora se mueve en la dirección opuesta retirando la cámara de muestra llena del baño fundido. Un experto en la técnica reconocerá que la descripción básica del soporte de sonda y las válvulas neumáticas e interruptores necesarios para llevar a cabo el muestreo asistido neumáticamente son conocidos en la técnica y no parte de la presente invención.
El pequeño tamaño del acero fundido recuperado se enfría por el alojamiento 30 y la placa 32 de cubierta, incluso cuando la sonda de medición se retira del recipiente de fabricación de acero. La velocidad de extracción de calor de la muestra fundida enfría el metal fundido de temperaturas tan altas como 1750 0C a 100 0C o temperatura ambiente en un minuto, lo que elimina esencialmente todo el enfriamiento externo requerido en el muestreo convencional y permite el desmoldeo inmediato sin el potencial de oxidación superficial que normalmente se produciría cuando se expone una superficie metálica caliente a una atmósfera que contiene oxígeno.
El ligero estrechamiento en la zona 36 de ventilación promueve el enfriamiento del metal fundido antes de que alcance el acoplador 2 de gas y asegura que la muestra de metal solidificada pueda encogerse hacia la zona 35 de
análisis. Más particularmente, el metal fundido que llena la zona 36 de ventilación se congela en la zona 36 de ventilación totalmente antes de alcanzar el volumen 38 de conexión.
El enfriamiento rápido del metal fundido recogido en la cámara 3 de muestra se logra en gran medida debido a la relación entre la masa de la cámara 3 de muestra (es decir, la masa de la placa 32 de cubierta más la masa del alojamiento 30) y el volumen del metal fundido recogido que se convierte en una masa. En el caso de acero fundido, que tiene una densidad fundida aproximada de 7 g/cm3, la relación de la masa de la cámara 3 de muestra a la masa del acero fundido recogido dentro de la cámara 3 de muestra (calculada basado en el volumen recogido en el mismo) está preferiblemente en el intervalo de 9 a 12, más preferiblemente 10, para asegurar una superficie de análisis libre de óxido AS.
Por lo tanto, aunque los vacíos internos de la zona 35 de análisis, la zona 36 de ventilación y la zona 34 de distribución deben satisfacer criterios dimensionales específicos, las dimensiones totales de la cámara 3 de muestra (compuestas por la placa 2 de cubierta y el alojamiento 30) también deben satisfacer ciertos criterios para lograr la relación de masa deseada de la masa de la cámara 3 de muestra a la masa del metal fundido recogido dentro de la cámara 3 de muestra. Un experto en la técnica entendería que el ancho, profundidad y/o longitud general del alojamiento 30 o placa 32 de cubierta pueden ajustarse según sea necesario para aumentar o disminuir la masa del alojamiento 30, sin cambiar los vacíos internos necesarios para crear la cavidad de muestra.
En particular, una vez que se hacen los diámetros para los diámetros exteriores tanto del segundo extremo 22 del conducto 7 de entrada como del acoplador 2 de gas, de tal manera que ambos están completamente contenidos dentro del alojamiento de la muestra, una o más dimensiones del alojamiento 30 pueden ajustarse fácilmente para cumplir con el requisito de relación de masa para que la masa de la cámara 3 de muestra (donde la placa 32 de cubierta representa de 10 a 20 % de la masa de la cámara 3 de muestra) que va entre 9 y 12 veces, preferiblemente 10 veces, la masa S de la muestra de metal.
Preferiblemente, el metal fundido se congela en la zona 35 de análisis contra la placa 32 de cubierta, y más particularmente contra la primera superficie 44 de la placa 32 de cubierta, formando de esta manera la superficie de análisis AS de la muestra S que es la superficie configurada para colocarse hacia abajo sobre la etapa del espectrógrafo de emisión óptica durante el análisis de la muestra S. La superficie de análisis AS se extiende en el plano donde la primera cara 44 de la placa 32 de cubierta contacta directamente con la superficie formada por la arista 39 (es decir, el plano de análisis AP). Por ejemplo, en la realización de las Figuras 1-7A, la superficie de análisis AS se extiende en el mismo plano que la arista 39 del alojamiento 30, concretamente el plano de análisis AP. Más particularmente, tanto la superficie de análisis como el AS de la muestra S de metal solidificada y la arista 39 metálica circundante extienden el plano de análisis AP para ayudar a cerrar la abertura del OES. En la realización de las Figuras 8-8A, analizada en mayor detalle en la presente descripción, la superficie de análisis AS se extendería en el plano donde la porción central elevada 69 de la placa 62 de cubierta se asienta a ras contra la primera cara 70 del alojamiento 60.
Cuando el metal fundido se congela en la cámara 3 de muestra como tal, la muestra S de metal solidificada se forma inseparablemente del alojamiento 30. El cabezal 5 de medición se fractura fácilmente permitiendo la extracción de la cámara 3 de muestreo del tubo portador 1 en la dirección I de inmersión hacia adelante. El gancho 4 que sostiene la cámara de muestra 3 de dos partes se retira. A diferencia de los dispositivos de muestreo convencionales, la muestra S permanece acoplada al alojamiento 30 de muestra. Por lo tanto, el término “ muestra” , cuando se refiere en la presente descripción a la probeta de metal suministrada al OES, se refiere a la combinación inseparable de la muestra solidificada recuperada y el alojamiento 30 de muestra.
Después, la muestra S se suministra al OES mediante medios convencionales y se analiza directamente por el OES sin preparación superficial. El enfriamiento rápido de la muestra S evita la oxidación superficial normalmente encontrada durante la etapa de desmoldeo. Esto elimina la necesidad de triturado mecánico y facilita el análisis rápido de la muestra S e informando la química al proceso de metal esperando estos resultados. Debido a que el conducto 7 de entrada y el puerto 33 de gas (así como el acoplador 2 de gas) se sitúan dentro del alojamiento 30 separados, y más particularmente a continuación, el plano de análisis (así como por debajo de la cara 40 de análisis), en lugar de montar ambos lados como se encuentra normalmente en moldes de concha de la técnica anterior donde estos componentes se encuentran a lo largo de la línea de separación de moldes, no es necesario retirar el conducto 7 de entrada y el acoplador 2 de gas del alojamiento 30, para obtener una superficie libre de óxido, permitiendo por lo tanto la creación de una muestra de metal solidificada que pueda colocarse directamente en una OES sin preparación (es decir, análisis sin preparación). Es decir, ninguna parte del conducto 7 de entrada y el puerto 33 de gas/acoplador 2 de gas interseca con el plano de análisis AP, de tal manera que el conducto 7 de entrada y el puerto 33 de gas/acoplador 2 de gas no interfieren con el plano de análisis AP.
La inseparabilidad de la muestra S y el alojamiento 30 da como resultado una extensión del alojamiento 30 a cada lado del metal solidificado (es decir, por el borde 39) a lo largo del plano de análisis proporciona múltiples mejoras sobre la técnica anterior. Las muestras convencionales de la técnica anterior cubren completamente la abertura de análisis de OES y, por lo tanto, tienen un tamaño de muestra que tiene más material que el que se necesita para una muestra de metal aceptable. Durante el OES, la chispa no debe saltar al material de borde de la etapa de muestra de OES, por lo que esta abertura es intencionada más bastante grande como se describió anteriormente. El gas inerte se purga en la cámara de chispa durante el análisis, de manera que no puede tolerarse fugas entre la muestra S que se va a analizar y la etapa del espectrómetro.
La invención utiliza la inseparabilidad de la muestra S y el alojamiento 30 para proporcionar también una porción de la superficie del alojamiento 30 para cubrir la abertura de análisis. El alojamiento 30 de muestreador que se extiende perpendicular al eje de alargamiento permite que una zona de análisis sea solo ligeramente mayor que el área de combustión de la chispa OES. Debido a esta extensión del plano de análisis AP por el alojamiento 30 de muestreador, el volumen del metal fundido relleno de la zona 35 de análisis del alojamiento 30 de muestreador puede ser mucho más pequeño. Este volumen reducido se traduce en una entrada de calor reducida, de manera que juntos el calor del metal fundido que llena la zona 34 de distribución, la zona 35 de análisis y la zona 36 de ventilación es sustancialmente menor que los dispositivos de la técnica anterior y, por lo tanto, se pueden enfriar rápidamente para lograr una muestra de metal no segregada.
En las Figuras 7-7A, se muestra una cámara 3 de muestra desmontada. Más particularmente, las Figuras 7-7A muestran el alojamiento 30 que contiene una muestra S de metal cerrada contenida inseparablemente contenida en el mismo con la placa 32 de cubierta no mostrada como se ha desmontado del alojamiento 30. El alojamiento 30 que contiene la muestra S de metal solidificada, en la forma mostrada en las Figuras 7-7a , puede usarse para análisis directo por OES. La superficie de análisis AS comprende la superficie de la porción 55 de la muestra S formada en la zona 35 de análisis que se asienta por encima de la zona 34 de distribución de llenado de metal. La porción 56 restante de la muestra S que se extiende desde y contigua a la porción 55 de la zona de análisis está compuesta por metal que ha fluido y solidificado dentro de la zona 36 de ventilación y, como última reabsorción, posiblemente el volumen 38 de conexión. Preferiblemente, sin embargo, para asegurar que la relación de longitud a profundidad (L/D) deseada de todos los segmentos de la cavidad de muestra se cumpla, como se describe con mayor detalle en la presente descripción, no fluye acero fundido al volumen 38 de conexión. La porción 56 restante de la muestra S puede incluir, por tanto, irregularidades, tales como la estructura 58 irregular, que no influyen en el análisis de OES posterior. La superficie de análisis AS se encuentra en el plano de análisis AP y no hay partes o materiales adherentes extraños que pueden romper el plano de análisis AP.
Las diversas zonas 34, 35, 36 de la cámara 3 de muestra, como se describió anteriormente, corresponden a diferentes porciones de la muestra S de metal solidificada formada en la cámara 3 de muestra. Como tal, las dimensiones de la zona 36 de ventilación, la zona 35 de análisis y la zona 34 de distribución corresponden a las dimensiones de diversas porciones de la muestra S de metal solidificada formada en el mismo. Por ejemplo, una profundidad de cada una de las zonas 36, 35, 34 corresponde a un espesor de una porción correspondiente de la muestra S de metal solidificada. En particular, la relación de la longitud L a la profundidad D (L/D) de cada zona 34, 35, 36 (y, por lo tanto, la relación correspondiente de los diversos segmentos de la muestra S) es un parámetro crítico de la invención. En particular, la zona 34 de distribución, la zona 35 de análisis y la zona 36 de ventilación se estructuran preferiblemente como una pluralidad de segmentos contiguos que se extienden desde cerca del extremo 16 de inmersión hasta cerca del extremo 18 opuesto. Cada segmento tiene una relación de longitud a profundidad (L/D). Las relaciones LID de los segmentos aumentan sucesivamente a medida que aumenta la distancia desde la primera abertura 20. Es decir, la relación LID de un segmento es mayor que la relación LID de un segmento anterior adyacente de igual longitud en una dirección desde el extremo 16 de inmersión hacia el extremo 18 opuesto. Esto significa que el espesor de la muestra S resultante disminuye en esta misma dirección desde un segmento hasta la siguiente (es decir, en la dirección de flujo).
Con todas las geometrías básicas de las diversas zonas 34, 35, 36 de la cámara 3 de muestra que se calculan como se describió anteriormente, y usando una selección económica de los parámetros de diseño, puede satisfacerse el parámetro crítico de la relación de LID, sabiendo que en cada sección transversal de cualquiera de las zonas o segmentos mencionados anteriormente, el alojamiento 30 de cámara de muestra facilita la solidificación de la muestra S de metal sin variaciones (particularmente aumentos) en la dimensión de profundidad D de la cavidad de muestra en la dirección a lo largo del eje longitudinal X comenzando desde el conducto 7 de entrada y que se extiende al acoplador 2 de gas, así como en la dimensión de espesor de la muestra S en la misma dirección.
Para evitar la formación de fisuras en la muestra S durante la solidificación y enfriamiento hasta temperatura ambiente, una suma de la relación LID de todos los segmentos de la cavidad de muestra, como se describe con mayor detalle en la presente descripción, a lo largo de la longitud total de la cavidad de muestra (es decir, la longitud L a de la zona 35 de análisis más la longitud Lv de la zona 36 de ventilación), dividida por la profundidad D de los segmentos correspondientes (es decir, la relación L/D) debe ser mayor que 25. Es decir, la suma de la relación LID de cada uno de los segmentos individuales de la cavidad de muestra debe ser mayor que 25. La relación LID de segmentos individuales puede seleccionarse como segmentos igualmente separados o agrupaciones convencionales siempre que se considere la longitud total L de la cavidad de muestra. En el segmento 34, donde el espesor de la muestra cambia, es decir, la profundidad de la cavidad cambia dentro del segmento D se toma como la suma de la mayor profundidad en una dirección desde el extremo de inmersión del segmento más la profundidad más grande en el extremo opuesto al extremo de inmersión del segmento dividido por 2. Este cálculo puede usarse para todos los segmentos que muestran variación de profundidad en la longitud. Preferiblemente, la relación LID de cada segmento individual aumenta en una dirección desde el extremo de inmersión y el conducto 7 de entrada hacia el acoplador 2 de gas (es decir, la profundidad de la cavidad de muestra y correspondientemente el espesor de la muestra S disminuye).
Para explicar mejor la relación de LID, la Figura 12 muestra la pluralidad de segmentos de la cavidad de muestra que incluyen la zona 34 de distribución, la zona 35 de análisis y la zona 36 de ventilación. Para el cálculo de una relación de LID total, la cavidad de muestra (y, por lo tanto, también la muestra S) puede segmentarse como sigue, pero puede segmentarse de otra manera.
Un primer segmento S1 de la zona de distribución de la cavidad de muestra comprende una primera porción de la zona 35 de análisis y una primera porción de la zona 34 de distribución subyacente. El primer segmento S1 tiene una longitud Ls que se extiende desde el primer extremo 80 de la zona 35 de análisis y la zona 34 de distribución próxima al conducto 7 de entrada a un primer punto intermedio 84. El primer punto intermedio 84 corresponde a un punto en el alojamiento 30 justo antes de que la superficie 34c inferior de la zona 34 de distribución comience a inclinarse hacia arriba hacia la zona 36 de ventilación. Generalmente, la longitud Ls, del primer segmento S1 es igual o menor que el diámetro, y más particularmente el diámetro interno, del conducto 7 de entrada. Sin embargo, pueden elegirse otros diámetros, más preferiblemente, la longitud Ls, del primer segmento S1 igual al radio del conducto 7 de entrada. La profundidad del primer segmento S1 es la suma de las profundidades de las porciones correspondientes de la zona 35 de análisis y la zona 34 de distribución en la que se formó el primer segmento S1. La profundidad de la zona 34 de distribución correspondiente al primer segmento S1 se mide desde el límite 35c hasta la superficie 34c inferior orientada horizontalmente, y es igual al diámetro calculado del conducto 7 de entrada más 1 mm.
El segundo segmento S2 de la zona de distribución de la cavidad de muestra comprende una segunda porción de la zona 35 de análisis y una segunda porción de la zona 34 de distribución subyacente. El segundo segmento S2 tiene una longitud Ls2 extendiéndose desde el primer segmento S1, y más particularmente el primer punto intermedio 84, a un segundo punto intermedio 86 que corresponde a un punto en el alojamiento 30 en el que la superficie 34c inferior interseca con el extremo 35b inferior de la zona 35 de análisis. Debido a que generalmente se conoce el ángulo de intersección (p. ej., el ángulo es preferiblemente 60°), puede calcularse la longitud Ls2 del segundo segmento S2. La profundidad del segundo segmento S2 se define, como anteriormente, por la mayor profundidad en la dirección del extremo de inmersión y la mayor profundidad del extremo opuesto al extremo de inmersión de las porciones correspondientes de la zona 35 de análisis y la zona 34 de distribución, ambas divididas por 2.
El tercer segmento S3 de la cavidad de muestra comprende la porción restante de la zona 35 de análisis, y tiene una longitud Ls3 extendiéndose desde el segundo punto intermedio 86 hasta un tercer punto intermedio 88 que corresponde al extremo de la zona 35 de análisis y al comienzo de la zona 36 de ventilación del alojamiento 30. La longitud Ls3 del tercer segmento S3 generalmente puede calcularse fácilmente ya que se conoce la longitud total de la zona 35 de análisis. El tercer segmento S3 tiene una profundidad igual a la profundidad de la porción correspondiente de la zona 35 de análisis.
El cuarto segmento S4 de la cavidad de muestra comprende la zona 36 de ventilación. La profundidad de la zona 36 de ventilación se ha elegido para facilitar el mecanizado, aunque puede elegirse una otra profundidad igualmente válida dentro del intervalo de este parámetro.
Para crear un alojamiento 30 de muestra que solidificará el acero fundido a una muestra libre de fisuras de alta homogeneidad según la invención, los siguientes ejemplos proporcionan configuraciones ilustrativas según la invención, pero se entenderá que muchas otras configuraciones son posibles dentro del alcance de la invención.
Ejemplo 1
Un alojamiento 30 de muestra de aluminio se mecaniza según las Figuras 1-6. La zona 35 de análisis tiene una profundidad DA uniforme de 2 mm por encima de la zona 34 de distribución. El área de superficie de la zona 35 de análisis, para el Ejemplo 1, se determina a partir del número de puntos de análisis deseados para el análisis OES. Puede proporcionarse más área de superficie, sin embargo, son comunes de 2 a 4 puntos de análisis, siendo preferibles 4 puntos de análisis. Dado que el punto típico de análisis OES puede estar entre 6-8 mm y se prefiere que no se solape puntos, la longitud LA de la zona 35 de análisis se elige para que sea de 25 mm para acomodar 3 puntos de análisis. Se entenderá que el número de puntos seleccionados no cambia la invención, ya que un experto en la técnica puede seleccionar más puntos, mientras se entiende que aumentar la longitud de la muestra S y, por lo tanto, todos los componentes de la cámara 3 de muestra están limitados solo por una consideración práctica para el tamaño del espectrógrafo. También, a medida que aumenta el tamaño de la cámara 3 de muestra, aumentan los costes de material, lo que se aleja de la provisión de una solución económica. También pueden seleccionarse puntos de análisis menos, pero normalmente 2 puntos son el mínimo.
El ancho Wa de la zona 35 de análisis se selecciona similarmente para que sea de 10 mm con una ligera disminución de la sección transversal, de tal manera que el área de sección transversal máxima (es decir, ancho de tiempo de profundidad) sea hacia la dirección de inmersión I. Por lo tanto, el área en sección transversal más grande de la zona 35 de análisis, que está situada en la dirección de inmersión I y más particularmente próxima al conducto 7 de entrada, es 20 mm2 (es decir, profundidad de 2 mm multiplicada por ancho de 10 mm). Debido a que el área en sección transversal del conducto 7 de entrada está entre 0,5 y 2 veces el área en sección transversal de la zona 35 de análisis, el área de sección transversal del conducto 7 de entrada de este ejemplo puede estar entre 10 y 40 mm2. El conducto 7 de entrada es un tubo de cuarzo. Por lo tanto, el diámetro interior del conducto 7 de entrada está entre 3,5 y 7,1 mm. Para este ejemplo, el conducto 7 de entrada tiene un diámetro interior de 4 mm (es decir, un área de sección transversal de 12,6 mm2). Debido a que el área en sección transversal del conducto 7de entrada está entre 0,20 y 0,70 veces el área en sección transversal más grande que la zona 34 de distribución, el área en sección transversal de la zona 34 de distribución puede estar entre aproximadamente 18 y 63 mm2. La segunda porción de la superficie 34c inferior de la zona 34 de distribución interseca el extremo 35b inferior de la zona 35 de análisis en un ángulo de 60°.
El área en sección transversal de la zona 36 de ventilación, en el área más grande, es 2 mm2. Dado que el ancho de la zona 35 de análisis es 10 mm, la profundidad media Dv de la zona 36 de ventilación es 0,2 mm.
La porción de análisis de una muestra S creada usando el alojamiento 30 del Ejemplo 1 tiene por tanto una longitud de 25 mm y un espesor de 2 mm (es decir, correspondiente a las dimensiones de la zona 35 de análisis). La relación LID se calcula primero para la zona 34 de distribución. La zona 34 de distribución tiene una primera profundidad desde el límite 35c de la zona 35 de análisis a la superficie 34c inferior horizontal que la zona 34 de distribución que es igual al diámetro interior del conducto 7 de entrada calculado (es decir, 4 mm) más 1 mm. Esta profundidad continúa desde el segundo extremo 22 del conducto 7 de entrada hasta una distancia igual al diámetro interior del conducto 7 de entrada (es decir, 4 mm). La L/D1 del primer segmento S1 es la longitud Ls, del primer segmento S1, que es 4 mm, dividido por la profundidad general del primer segmento S1, que es la profundidad de 2 mm más 1 mm más el diámetro interno del conducto de entrada de 4 mm, que es igual a 4/7 o 0,57.
El fondo de la zona de distribución ahora está inclinado, preferiblemente a 60 grados hasta que interseca con la parte inferior de la zona de análisis. Conociendo que el ángulo de intersección entre la superficie 34c inferior de la zona 34 de distribución y el extremo 35 inferior de la zona de análisis es 60°, la porción inclinada del segundo segmento S2 intersecará la parte inferior de la zona de análisis una distancia de 2,9 mm después del punto 84. Por lo tanto, L/D2 del segundo segmento S2 es la longitud Ls2 del segundo segmento, que es 2,9 mm, dividido por la profundidad total del segundo segmento S2, que es la mayor profundidad a lo largo de 84, igual a 7 más la profundidad más grande a lo largo de 86 que es igual a 2, ambos divididos por 2 o 9/2 para la profundidad de S2, y LID del segmento S2 es igual a 2,9/4,5 o 0,64.
El tercer segmento S3 tiene una profundidad igual a la profundidad de la zona de análisis 35 (es decir, 2 mm) y una longitud Ls3 correspondiente la longitud restante para el 25 mm calculado original de la superficie longitudinal de la zona 35 de análisis (es decir, 25 mm-6,9 mm = 18,1 mm). La L/D3 del tercer segmento S3 es, por lo tanto, 9,05.
El cuarto segmento S4 para calcular para diseñar este alojamiento 30 de muestra corresponde a la zona 36 de ventilación. La longitud del cuarto segmento S4 (es decir, la longitud de la zona 36 de ventilación) es desconocida y se determina por su conformidad con la regla de que la suma de LID de todos los segmentos es mayor que 25. Por ejemplo, si la zona de ventilación tiene 2 mm de longitud con una profundidad de 0,2 mm, esto daría como resultado un valor L/D4 de 10 y, por lo tanto, una suma de la relación LID de todos los segmentos de la muestra S (es decir, 0,57 0,64 9,05 10) serían 20,3. Como esta suma no es mayor que 25, está claro que una longitud de la zona de 36 ventilación de 2 mm no sería aceptable para este ejemplo. Más bien, en un mínimo, es necesaria una longitud de 3 mm para la zona 36 de ventilación para lograr un L/D total>25 En este ejemplo, la longitud de la zona de ventilación 36 se eligió para que fuera 5 mm y, como tal, la suma (L/D) = 35,3 que está aproximadamente en el intervalo medio de todas las posibilidades económicas (es decir, 25<suma (L/D)<50).
Como tal, se muestra que la longitud de cada segmento puede ser tan pequeña como medible y aún proporcionar la salida necesaria. Se prefieren segmentos más pequeños para que el diseñador se conforme a los criterios de que ninguna LID de segmento individual pueda disminuir en valor en la dirección desde el conducto 7 de entrada al acoplador 2 de gas.
Teniendo en cuenta la relación de masa requerida de entre 9 y 12, la cámara 3 de muestra de este ejemplo tiene un alojamiento 30 de una masa de aproximadamente 56 g y una placa de cubierta con una masa de aproximadamente 9,4 g, para la recuperación y enfriamiento de una muestra de acero 6 g (es decir, relación de masa de 10,9).
El ejemplo 1 representa una realización particularmente preferida de la invención.
Ejemplo 2
Un alojamiento 30 de muestra de aluminio se mecaniza según las Figuras 1-6. La zona 35 de análisis tiene una profundidad Da uniforme de 2 mm por encima de la zona 34 de distribución. La longitud La de la zona 35 de análisis se elige para que sea de 32 mm para acomodar 4 puntos de análisis.
El ancho Wa de la zona 35 de análisis se selecciona similarmente para que sea de 10 mm con una ligera disminución de la sección transversal, de tal manera que el área de sección transversal máxima (es decir, ancho de tiempo de profundidad) sea hacia la dirección de inmersión I. Por lo tanto, el área en sección transversal más grande de la zona 35 de análisis, que está situada en la dirección de inmersión I y más particularmente próxima al conducto 7 de entrada, es 20 mm2 (es decir, profundidad de 2 mm multiplicada por ancho de 10 mm). Debido a que el área en sección transversal del conducto 7 de entrada está entre 0,5 y 2 veces el área en sección transversal de la zona 35 de análisis, el área de sección transversal del conducto 7 de entrada puede estar entre 10 y 40 mm2. El conducto 7 de entrada es un tubo de cuarzo. Por lo tanto, el diámetro interior del conducto 7 de entrada está entre 3,5 y 7,1 mm. Para este ejemplo, el conducto 7 de entrada tiene un diámetro interior de 5 mm (es decir, un área de sección transversal de 19,6 mm2). Debido a que el área en sección transversal del conducto 7de entrada está entre 0,20 y 0,70 veces el área en sección transversal más grande que la zona 34 de distribución, el área en sección transversal de la zona 34 de distribución puede estar entre aproximadamente 28 y 98 mm2. La segunda porción de la superficie 34c inferior de la zona 34 de distribución interseca el extremo 35b inferior de la zona 35 de análisis en un ángulo de 60°.
El área en sección transversal de la zona 36 de ventilación, en el área más grande, es 1 mm2. Dado que el ancho de la zona 35 de análisis es 10 mm, la profundidad media Dv de la zona 36 de ventilación es 0,2 mm.
La porción de análisis de una muestra S creada usando el alojamiento 30 del Ejemplo 1 tiene por tanto una longitud de 32 mm y un espesor de 2 mm (es decir, correspondiente a las dimensiones de la zona 35 de análisis). La relación LID se calcula primero para la zona 34 de distribución. La zona 34 de distribución tiene una primera profundidad desde el límite 35c de la zona 35 de análisis a la superficie 34c inferior horizontal que la zona 34 de distribución que es igual al diámetro interior del conducto 7 de entrada calculado (es decir, 5 mm) más 1 mm. Esta profundidad continúa desde el segundo extremo 22 del conducto 7 de entrada hasta una distancia igual al diámetro interior del conducto 7 de entrada (es decir, 5 mm). La L/D1 del primer segmento S1 es la longitud Ls, del primer segmento S1, que es 5 mm, dividido por la profundidad general del primer segmento S1, que es la profundidad de 2 mm más 1 mm más el diámetro interno del conducto de entrada de 5 mm, que es igual a 5/8 o 0,625.
El fondo de la zona de distribución ahora está inclinado, preferiblemente a 60 grados hasta que interseca con la parte inferior de la zona de análisis. Conociendo que el ángulo de intersección entre la superficie 34c inferior de la zona 34 de distribución y el extremo 35 inferior de la zona de análisis es 60°, la porción inclinada del segundo segmento S2 intersecará la parte inferior de la zona de análisis una distancia de 3,5 mm después del punto 84. Por lo tanto, L/D2 del segundo segmento S2 es la longitud Ls2 del segundo segmento, que es 3,5 mm, dividido por la mayor profundidad en 84 que es 8 mm más la profundidad total más pequeña en 86 que es 2 mm ambos dividido por 2 es igual a 5 mm. El LID de S2 es igual a 3,5/5 o 0,7.
El tercer segmento S3 tiene una profundidad igual a la profundidad de la zona de análisis 35 (es decir, 2 mm) y una longitud Ls3 correspondiente la longitud restante para el 32 mm calculado original de la superficie longitudinal de la zona 35 de análisis (es decir, 32 mm-8,5 mm = 23,5 mm). La L/D3 del tercer segmento S3 es, por lo tanto, 11,75.
El cuarto segmento S4 para calcular para diseñar este alojamiento 30 de muestra corresponde a la zona 36 de ventilación. La longitud del cuarto segmento S4 (es decir, la longitud de la zona 36 de ventilación) es desconocida y se determina por su conformidad con la regla de que la suma de LID de todos los segmentos es mayor que 25. Por ejemplo, si la zona de ventilación tiene 2 mm de longitud con una profundidad de 0,2 mm, esto daría como resultado un valor L/D4 de 10 y, por lo tanto, una suma de la relación LID de todos los segmentos de la muestra S (es decir, 0,625 0,7 11,75 10) serían 23,07. Como esta suma no es mayor que 25, está claro que una longitud de la zona de 36 ventilación de 2 mm no sería aceptable para este ejemplo. En este ejemplo, la longitud de la zona de ventilación 36 se eligió para que fuera de 5 mm y, como tal, la suma (L/D) = 48 que está en el extremo superior del intervalo medio de todas las posibilidades económicas (es decir, 25<suma (L/D)<50).
Como tal, se muestra que la longitud de cada segmento puede ser tan pequeña como medible y aún proporcionar la salida necesaria. Se prefieren segmentos más pequeños para que el diseñador se conforme a los criterios de que ninguna LID de segmento individual pueda disminuir en valor en la dirección desde el conducto 7 de entrada al acoplador 2 de gas.
Un experto en la técnica puede comprender a partir de los ejemplos anteriores que todas las dimensiones de la muestra de metal S pueden calcularse, por lo tanto, basado en las dimensiones del alojamiento 30.
La sonda 10, y particularmente la cámara 3 de muestra, podrían usarse en todas las aplicaciones de muestreo donde se emplean dispositivos de muestreo convencionales normales de la técnica anterior. La ventaja de la presente invención se entiende mejor a la luz de los procesos de acero que son muy rápidos y el sobretratamiento del metal y/o procesamiento excesivo de un calor puede resultar en un alto gasto adicional en términos de tiempo y materiales que podrían haber sido evitados por una química metálica fácilmente disponible en la ubicación del proceso.
La invención proporciona una solución a las deficiencias de la técnica anterior proporcionando una muestra solidificada de acero que cumple los siguientes requisitos:
- una muestra de metal que se analiza en un espectrómetro de emisión óptica,
- una muestra de metal sólido sin porosidad de gas y atrapamiento de escoria,
- una superficie de análisis plana y recuperada sin líneas de flujo de fluido que fijan la distancia desde la superficie hasta el ánodo del OES,
- una superficie de muestra libre de oxidación,
- una muestra de metal homogénea de un espesor máximo perpendicular al plano de análisis para eliminar áreas de metal y segregación no metálica,
- una superficie analítica de muestra que abarca aproximadamente 10 mm x 30 mm y, por lo tanto, proporciona suficiente área superficial para obtener al menos 2, preferiblemente 4 chispas, y
- una superficie de muestra que se encuentra en el mismo plano que el alojamiento de muestra en la que se enfrió el metal muestreado, de tal manera que el plano de la superficie analítica de muestra se extiende sin interrupción en ambas direcciones de superficie por el alojamiento 30 de muestra (concretamente la arista 39) con una variación menor que 0,1 mm.
Claims (18)
1. Un muestreador para tomar muestras para un baño de metal fundido, particularmente un baño de acero fundido, comprendiendo el muestreador:
- un tubo portador (1) que tiene un extremo de inmersión (16);
- un ensamblaje de cámara de muestra dispuesto en el extremo (16) de inmersión del tubo portador (1), el ensamblaje de cámara de muestra que comprende una placa (32) de cubierta y un alojamiento (30),
en donde el alojamiento (30) incluye:
- un extremo (16) de inmersión que tiene una primera abertura (20) para un conducto (7) de entrada y un extremo (18) opuesto que tiene una segunda abertura (33) para un acoplador (2) de gas; y - una primera cara (40) que se extiende entre el extremo (16) de inmersión y el extremo (18) opuesto, la primera cara (40) que tiene una primera depresión próxima al extremo (16) y una segunda depresión, la primera depresión que está una zona (35) de análisis y la segunda depresión que es una zona (36) de ventilación, una porción de la zona (35) de análisis que superpone una zona (34) de distribución que está en comunicación de flujo directo con la primera abertura (20) y configurada para recibir el acero fundido desde el conducto (7) de entrada,
- en donde una profundidad de la zona (35) de análisis es mayor que 1,5 mm y menor que 3 mm,
- en donde la placa (32) de cubierta y el alojamiento (30) se configuran para ensamblarse juntas para formar una cavidad de muestra, en donde la cavidad de muestra se extiende desde el extremo (16) de inmersión hacia el extremo opuesto (18) del alojamiento a lo largo de un eje longitudinal X e incluye la zona (34) de distribución, la zona (35) de análisis y la zona (36) de ventilación, de tal manera que una superficie de análisis de una muestra de acero solidificada formada dentro de la cavidad de muestra se encuentra en un primer plano, y
- en donde las primera y segunda aberturas (20, 33) están separadas del primer plano,
caracterizado porque un área en sección transversal del conducto (7) de entrada tomada a lo largo del plano perpendicular al eje longitudinal X está entre 0,5 y 2 veces de un área en sección transversal de la zona (35) de análisis y entre 0,20 y 0,70 veces de un área en sección transversal de la zona (34) de distribución.
2. El muestreador según la reivindicación anterior, caracterizado porque la cavidad de muestra y las primera y segunda aberturas (20, 33) se alinean a lo largo de un eje longitudinal común.
3. El muestreador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la zona (35) de análisis, la zona (34) de distribución y la zona (36) de ventilación se estructuran como una pluralidad de segmentos contiguos, cada segmento que tiene una relación de longitud a profundidad, una suma de las relaciones de longitud a profundidad de la pluralidad de segmentos siendo mayor que 25.
4. El muestreador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la zona (34) de distribución, la zona (35) de análisis y la zona (36) de ventilación se estructuran como una pluralidad de segmentos contiguos, cada segmento que tiene una relación de longitud a profundidad, las relaciones de longitud a profundidad de los segmentos aumentan sucesivamente a medida que aumenta la distancia desde la primera abertura (20).
5. El muestreador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque no hay aumentos en una dimensión de ancho de al menos una porción de la zona (35) de análisis en una dirección de flujo del acero fundido que se extiende desde el extremo de la zona (34) de distribución hacia la segunda abertura (33).
6. El muestreador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque una longitud total de la zona (35) de análisis y la zona (36) de ventilación está entre 20 y 50 mm, preferiblemente 30 mm de largo.
7. El muestreador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la zona (35) de análisis tiene una profundidad uniforme por encima de la zona (34) de distribución.
8. El muestreador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque un área de sección transversal de la zona (35) de análisis se estrecha gradualmente en la dirección de flujo del acero fundido.
9. El muestreador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque un área de sección transversal de la zona (36) de ventilación se estrecha gradualmente en la dirección de flujo del acero fundido.
10. El muestreador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque una relación de una masa de la cámara de muestra con una masa del metal recibida dentro del volumen de recogida de muestras es 9 a 12, preferiblemente 10.
11. El muestreador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la placa (32) de cubierta representa de 10 a 20 por ciento de la masa de la cámara de muestra.
12. El muestreador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque una superficie inferior de la zona (34) de distribución interseca un extremo inferior cerrado de la zona (35) de análisis en un ángulo entre 40 y 90°, preferiblemente 60°.
13. El muestreador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la placa de cubierta (32) incluye un miembro de sellado configurado para proporcionar un sello sustancialmente hermético a gases entre la placa (32) de cubierta y el alojamiento (30).
14. El muestreador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la placa (32) de cubierta se asegura al alojamiento (30) mediante una abrazadera de metal para formar la cámara de muestra.
15. El muestreador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las aberturas primera y segunda (20, 33) son las únicas aberturas formadas en la cavidad de muestra, un extremo del conducto (7) de entrada siendo asegurado dentro de la primera abertura (20) y un extremo del acoplador (2) de gas siendo asegurado dentro de la segunda abertura (33).
16. El muestreador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el conducto (7) de entrada, la zona (34) de distribución, la zona (35) de análisis, la zona (36) de ventilación y el acoplador (2) de gas se disponen secuencialmente en este orden en la dirección de flujo del acero fundido.
17. El muestreador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la primera cara (40) del alojamiento (30) incluye una arista que sobresale del mismo y que rodea la zona (36) de ventilación, la zona (35) de análisis y la zona de distribución.
18. El muestreador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cuando la placa (32) de cubierta y el alojamiento (30) se ensamblan juntas, la placa (32) de cubierta se asienta a ras contra la arista del alojamiento (30) a lo largo del primer plano.
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