MX2011006193A - Sondas de medicion para medir y tomar muestras con una masa fundida de metal. - Google Patents

Abstract

La invención trata sobre una sonda de medición para medir y tomar muestras en una masa fundida de metal, que tiene un cabezal medidor colocado en una lanza, en donde el cabezal medidor porta al menos un sensor de temperatura y una cámara de muestras, en donde la cámara de muestras está rodeada, al menos de manera parcial, por el cabezal medidor e incluye un ducto de entrada que se extiende a lo largo del cabezal medidor, en donde el ducto de entrada incluye una sección interior que se extiende en el cabezal medidor y que tiene una longitud L y un diámetro mínimo D al menos en un sitio en dicha sección interior, y consta de una proporción L/ D2 que es menor a 0.6 mm-1.

Description

SONDAS DE MEDICIÓN PARA MEDIR Y TOMAR MUESTRAS CON UNA MASA FUNDIDA DE METAL La invención trata sobre sondas de medición para medir y tomar muestras con una masa fundida de metal, que tiene un cabezal medidor colocada en una lanza, en donde el cabezal medidor lleva al menos un sensor de temperatura y una cámara para muestras, en donde la cámara para muestras está rodeada por el cabezal medidor e incluye un ducto de entrada hecho de un tubo de cristal de cuarzo que se extiende a lo largo del cabezal medidor.

Las sondas de medición de este tipo se conocen en principio y se usan, entre otros usos, para producir acero en los conocidos convertidores o en hornos de arco eléctricos.

En un convertidor (mejor conocido como convertidor BOF - término técnico para el horno básico de oxígeno) se usa una lanza para soplar el oxígeno en la masa fundida de metal. El convertidor se alinea con material refractario que aguante la erosión debido a la escoria y calor durante el proceso de insuflación de oxígeno en una forma óptima. La escoria metálica y carbonato cálcico (óxido de calcio) se agregan al convertidor para enfriar la masa fundida y eliminar fósforo, silicio y manganeso. El oxígeno hace combustión del carbono para formar monóxido de carbono y dióxido de carbono . El manganeso, sílice y fósforo se oxidan y convierten en la presencia del óxido de calcio y del óxido de hierro para formar escoria. Como dicha reacción de oxidación es altamente exotérmica, el proceso necesita enfriarse para poder controlar la temperatura de la masa fundida. El enfriamiento se realiza al agregar metal de escoria y mineral de hierro durante el proceso de insuflación. El proceso de insuflación de oxígeno en sí toma alrededor de 15 - 20 minutos para completarse, sin importar el tamaño del convertidor que puede ser de más o menos 70 - 400 toneladas. En este contexto, la velocidad de flujo del oxígeno de la lanza se adapta al tamaño del convertidor y/o el peso de la masa fundida. La carga y descarga de acero y escoria incluye la medición de la temperatura y tomar muestras puesto que el análisis de la masa fundida lleva a un periodo de tiempo de 40- 60 minutos entre las 2 etapas de colada. El proceso total se caracteriza por su alta productividad y resulta en un acero con un bajo contenido de contaminantes. En la etapa de colada, se inclina el horno y se vierte el producto a través de un agujero de colada en una cuchara de colada. Durante esta operación, las aleaciones de hierro se agregan en la cuchara de colada para controlar la composición de acero. Un desarrollo importante de la técnica de lanza para insuflar oxígeno es agregar gas inerte, por lo general argón, a través del piso del convertidor hacia la masa fundida para agitar la masa fundida y la escoria. Este proceso aumenta la eficiencia de manera considerable y tanto la pérdida de hierro como el contenido de fósforo disminuyen. Además, el calor y el equilibrio en masa del proceso mejoran, lo que reduce los costos.

Se describe las sondas de medición para el uso en el convertidor, por ejemplo, en DE 10 2005 060 492 y DE 10 2005 060 493.

En un horno de arco eléctrico, el metal de escoria se derrite mediante la energía de un arco eléctrico que se genera entre las puntas de electrodos de grafito y la carga metálica de escoria conductora. Para cargar el metal de escoria en el horno, los 3 electrodos y el techo del horno se elevan para exponer un agujero auxiliar. Los electrodos se mantienen en el arco eléctrico de acuerdo con el voltaje pre-seleccionado y la corriente pre-seleccionada, lo que proporciona la energía necesaria para fundir y oxidar. Los hornos de arco eléctricos tienen un diámetro interno de aproximadamente 6 - 9 metros y una capacidad de 100 - 200 toneladas de acero. El tiempo entre las dos etapas de colada en dichos hornos es por lo general de 90 - 110 minutos.

Se conocen las sondas de medición para el uso en horno de arco eléctrico, por ejemplo, por DE 28 45 566, DE 32 03 505 o DE 103 60 635.

Para monitorear los procesos en el convertidor o el horno de arco eléctrico, es necesario llenar por completo la cámara de muestras de una sonda de medición a temperaturas relativamente bajas en el proceso de tomar una muestra, en donde deberá evitarse la aparición de burbujas de gas en la muestra. Este tipo de toma de muestra no siempre es fácil, en particular durante el proceso de insuflación en el convertidor, ya que la densidad teórica de la masa fundida de acero varía demasiado, por una parte, debido al proceso de insuflación de oxígeno anterior, y por otra parte, debido al gas inerte que se está introduciendo a través del piso del convertidor. Además, la industria tiende a usar hornos que permitan un ligero sobrecalentamiento de la masa fundida (es decir, sólo hay una ligera diferencia entre la temperatura de licuefacción) .

En consecuencia, la invención se basa en el objeto de mejorar las sondas de medición y equipos para tomar muestras existentes y facilitar más la toma de muestras libres de gases, es decir, mejorar la calidad de la muestra. De preferencia, también deberá simplificarse la remoción de la muestra de la sonda de medición.

El objeto se alcanza de acuerdo con la invención mediante las características de las reivindicaciones independientes. Se especifican otros desarrollos ventajosos en las sub-reivindicaciones .

Se hizo evidente que una sonda de medición para medir y tomar muestras en una masa fundida de metal, que tiene un cabezal medidor colocado en una lanza, en donde ,el cabezal medidor lleva al menos un sensor de temperatura y una cámara de muestras, en donde la cámara de muestras está rodeada, al menos de manera parcial, por el cabezal medidor e incluye un ducto de entrada que se extiende a lo largo del cabezal medidor, en donde el ducto de entrada incluye una sección interior que se extiende en el cabezal medidor y que está hecha de preferencia de un tubo de cristal de cuarzo, que permitirá excelentes muestras libres de burbujas de gas si la proporción de la longitud L de una sección del tubo de cristal de cuarzo, que se extiende en dicho cabezal medidor, y el cuadrado un diámetro mínimo D del tubo de cristal de cuarzo al menos en un sitio de dicha sección interior es L/ D2 < 0.6 mm"1, en donde esta proporción es < 0.45 mm"1, y de preferencia particular 0.3 mm"1. A un ligero sobrecalentamiento de la masa fundida de metal, se ha demostrado que una baja proporción es ventajosa, por ejemplo, una proporción L/ D2 < 0.6 mm"1 a una sobrecalentamiento de > 100°C y una proporción L/ D2 < 0.3 mm"1 a un sobrecalentamiento de < 80°C.

El objeto también es alcanzar mediante una sonda de medición y tomar muestras en una masa fundida de metal, que tiene un cabezal medidor colocado en una lanza, en donde el cabezal medidor lleva al menos un sensor de temperatura y una cámara de muestras, en donde la cámara de muestras está rodeada, al menos de manera parcial, por el cabezal medidor e incluye un ducto de entrada que se extiende a lo largo del cabezal medidor, en donde el ducto de entrada incluye una sección interior que se extiende en el cabezal medidor y que está hecha de preferencia de un tubo de cristal de cuarzo, en donde el cabezal medidor tiene una contrapresión Pg < 20 mbar, en donde la contrapresión está determinada porque, en primera, se guía un fundente en polvo de referencia a través de un tubo con dos extremos abiertos y se mide la presión Pi dentro del tubo, después se inserta ese extremo del tubo en el ducto de entrada del cabezal medidor, se guía el mismo fundente en polvo de referencia a través del tubo y se mide una presión P2 dentro del tubo, y en que la contrapresión Pg del cabezal medidor se determina de la diferencia de P2 - Pi. En este contexto, es ventajoso que la contrapresión Pg del cabezal medidor sea < 15 mbar. Los cabezales medidores de este tipo también aseguran la obtención de muestras de alta calidad.

Es ventajoso, en particular, si la proporción L/ D2 es menor a 0.6 mm"1, de preferencia menor a 0.45 mm"1, y en donde la contrapresión Pg del cabezal medidor en cada caso es menor a 20 mbar.

Es conveniente que el cabezal medidor se forme de un material del grupo de materiales cerámicos, cemento, acero, arena de fundición. Además, es ventajoso, en particular, que la cámara de muestras esté rodeada, al menos en parte, por un cuerpo de arena hecho de arena de fundición. Además, el cabezal medidor puede estar diseñado de manera que la longitud de la cámara de muestras tanto en la primera como en la segunda dirección, y que se encuentran perpendiculares entre sí, es mayor a la longitud en una tercera dirección que está colocada perpendicular a la primera y segunda dirección, y en que el ducto de entrada se abre en la cámara de muestras perpendicular a dicha tercera dirección. Esto corresponde al diseño de las conocidas cámaras de muestras planas que tienen una sección transversal alargada o circular u ovalada y, que está colocada perpendicular a dicha sección transversal, una sección transversal más pequeña proporcionada para que sea en esencia rectangular, en done la sección transversal más pequeña puede tener esquinas redondeadas. Por consiguiente, el ducto de entrada se extiende paralelo a la más larga y perpendicular a la sección transversal más pequeña. Además, es ventajoso para el cabezal medidor llevar de forma simultánea al menos un sensor electroquímico para poder permitir un uso más flexible y versátil y que de manera simultánea permita medir más parámetros de la masa fundida de metal .

Es ventajoso proporcionar la cámara de muestras para que sea factible la ventilación. La cámara de muestras consta de forma ventajosa de dos semiesferas que pueden separarse de manera paralela al eje longitudinal de la cámara de muestras en una forma conocida y se mantienen juntas mediante sus bordes de manera tal que permiten el escape del aire de la cámara de muestras cuando el metal líquido fluye dentro, mientras que el metal líquido no puede salir entre las semiesferas. Es ventajoso para la cámara de muestras que se arregle en un cuerpo arenoso poroso para poder proporcionar una ventilación. Las dos semiesferas están presionadas entre sí mediante una prensa y la cámara de muestras está lo suficientemente fija en dicho cuerpo de arena de forma que las dos semiesferas no se abren a causa de la presión ferrostática generada al sumergir la masa fundida. Los bordes de las semiesferas pueden proporcionarse, por ejemplo, con pequeños agujeros o surcos para permitir la ventilación de la cámara de muestras, donde se evita la formación de cascarilla de masa fundida saliendo de la cámara de muestras.

De manera común, las sondas de medición de acuerdo con la invención se sumergen desde arriba en recipiente que contiene la masa fundida de metal. Dicho proceso de sumergimiento procede por lo general de forma automática, por ejemplo con una lanza de sumergimiento automática. Después de que se toman las medidas, la lanza de sumergimiento que lleva la sonda de medición se monta sobre un pivote hacia un lado y afuera del recipiente que contiene la masa fundida de metal y se deja caer. En el proceso, la sonda de medición cae varios metros. Después del impacto en el suelo, la muestra no sufre daños y puede sacarse con facilidad de la cámara de muestras.

De acuerdo con la invención, las sondas de medición descritas se usan para medir y tomar muestras en una masa fundida de metal que está colocada en un convertidor para derretir acero durante un proceso de insuflación o para medir y tomar muestras en una masa fundida de metal que está colocada en un horno de arco eléctrico.

A continuación, la invención se ilustra con mayor detalle en una forma ejemplificada con base en un dibujo. En las figuras: La Figura 1 muestra una vista esquemática de la sección transversal a través de un convertidor La Figura 2 una vista esquemática de la sonda de medición de acuerdo con la invención que tiene el cabezal medidor La Figura 3 muestra una sección que atraviesa el cabezal medidor de acuerdo con la invención La Figura 4 muestra una vista esquemática de la medida de presión en un tubo abierto, y La Figura 5 muestra una vista esquemática de la medida de presión en el cabezal medidor.

La Figura 1 muestra un convertidor 1 con una alineación 2. El convertidor 1 contiene una masa fundida de acero 3 en la que se sitúa una capa de escoria 4. Para producir acero, se sopla argón por el piso del convertidor 1 a través de las boquillas del piso 5 en la masa fundida. Se sopla oxígeno desde arriba mediante una lanza para insuflación 6. Además de la lanza de insuflación 6, se introduce una lanza de sumergimiento 7, que tiene una sonda de medición 8 que tiene un cabezal medidor 9 colocado en su extremo de sumergimiento, al convertidor 1. El proceso de medición procede mientras se sopla el oxígeno al interior, por lo general más o menos 2 minutos antes de que termine el proceso de insuflación del oxígeno. Esto involucra la medición de la temperatura y tomar una muestra para determinar el contenido de carbono. Los resultados de la medición permiten que el modelo soplado sea corregido para permitir alterar la calidad de la masa fundida de acero. Se puede realizar una segunda medición después de completar el proceso de insuflación de oxígeno. Esto por lo general involucra la medición de la temperatura y el contenido de oxígeno activo en la masa fundida de acero y tomar una muestra para el análisis en el laboratorio para determinar la composición final del acero. Con base en el contenido de oxígeno, puede determinarse el contenido actual del carbono en el acero después de algunos segundos. Además, se puede calcular la cantidad requerida de un agente desoxidante (aluminio) .

La sonda de medición 8 que se muestra en la Figura 2 tiene un cabezal medidor 9 colocado en un extremo de sumergimiento de un tubo transportador 10. Para la protección del orificio de entrada y los sensores, el cabezal medidor 9 incluye una tapa plástica 11 que crea combustión durante el paso de la escoria 4 liberando así el sistema sensor y el orificio de entrada en la masa fundida de metal. Se puede incorporar al interior de la tapa plástica 11 una tapa metálica o capa metálica que puede formarse del acero y que se disuelva en la masa fundida de acero en donde se usa la sonda de medición. El cabezal medidor 9 incluye un cuerpo de arena 12 formado de arena de fundición que incluye costillas 13 por medio del cual el cuerpo de arena 12 se presiona en un tubo transportador 10 para poder asegurar una sujeción firme. Se colocan cables de conexión 14 en el extremo posterior del cabezal medidor9 y se usan para transmitir las señales obtenidas por los sensores a través del tubo transportador 10 y la lanza de sumergimiento 7 hacia instalaciones de análisis.

El cabezal medidor 9 que se muestra de forma esquemática en la sección transversal de la Figura 3 muestra un termopar como sensor de temperatura 15 que está rodeado de una tapa metálica 16 y está colocado en el cabezal medidor 9 mediante un cemento refractario 17. En su extremo posterior que está situado en el interior del cabezal medidor 9, incluye un elemento conector 18 para conectar los cables del termopar al cable conector. Además, un equipo para tomar muestras que tiene una cámara para muestras 19 y un tubo de cristal de cuarzo 20 como tubo de entrada también está colocado en el cuerpo de arena 12, que está hecho de arena de fundición, del cabezal medidor 9. El tubo de cristal de cuarzo se proyecta por alrededor de 1 cm del cuerpo de arena. El orificio de entrada externo del tubo de cristal de cuarzo 20 se cierra mediante una tapa metálica 25 (hecha de acero) y, se coloca sobre ella, una tapa de cartulina 26 que se destruye al momento o después de sumergirse en la masa fundida de acero liberando así el orificio de entrada externa del tubo de cristal de cuarzo. La longitud L demuestra una longitud del tubo de entrada que está colocado en el cuerpo de arena 12 del cabezal medidor 9 entre su entrada a la cámara de muestras 19 y su salida del cuerpo de arena 12. A esto se le conoce como la tan mencionada longitud instalada. El diámetro D demuestra un diámetro mínimo dentro de la longitud instalada L. En el ejemplo que se muestra, la proporción L/ D2 = 0.22 mm"1 y lleva a una muestra libre de burbujas, mientras que la proporción es alrededor de 1.43 mm"1 en el caso de las sondas correspondientes a la técnica anterior .

La cámara de muestras 19 se fija en el cuerpo de arena 12 mediante costillas de arena 21 del cuerpo de arena 12 mediante su fijación con prensa.

La medición de la presión procede en un inicio de acuerdo con el diagrama esquemático en la Figura 4 en un tubo 22 que se abre en ambos extremos y que tiene un diámetro externo adaptado de manera apropiada para permitir que se resbale en el tubo de cristal de cuarzo 20. La flecha 23 indica la dirección del flujo del gas que fluye, de preferencia aire, la presión Pi determinada mediante el manómetro de presión 24. La longitud del tubo 22 entre el manómetro de presión 24 y el tubo de cristal de cuarzo 20 es de alrededor de 2 cm, el diámetro interno es de alrededor de 4mm.

La Figura 5 muestra una vista esquemática del tubo 22 que se desliza dentro del tubo de cristal de cuarzo 20 del equipo para tomar muestras después de la medición de acuerdo con la Figura 4. Como se está introduciendo otra vez gas, se mide la P2 mediante el manómetro de presión. La diferencia de P2 - Pi es la contrapresión Pg del cabezal medidor. La presión se mide en cada caso mientras el gas fluye a una velocidad de flujo de 8001/h, mientras que el flujo del gas se basa en un llamado "litro estándar" , es decir, medido a temperatura ambiente de 20°C y una presión del aire normal de 1013 hPa . La contrapresión determinada en el ejemplo que se muestra es menor a 15 mbar. Las muestras de buena calidad se obtuvieron al ajustar dicha contrapresión.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Una sonda de medición para medir y tomar muestras en una masa fundida de metal, que tiene un cabezal medidor colocado en una lanza, en donde el cabezal medidor lleva al menos un sensor de temperatura y una cámara de muestras, en donde la cámara de muestras está rodeada, al menos de manera parcial, por el cabezal medidor e incluye un ducto de entrada que se extiende a lo largo del cabezal medidor, en donde el ducto de entrada incluye una sección interior que se extiende en el cabezal medidor y que tiene una longitud L y un diámetro mínimo D al menos en un sitio en dicha sección interior, que se caracteriza porque la proporción L/ D2 es menor a 0.6 mrrf1.

2. La sonda de medición de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque la proporción L/ D2 es menor a 0.45 mirf1.

3. La sonda de medición de acuerdo con la reivindicación 2, que se caracteriza porque la proporción L/ D2 es menor a 0.3 mm"1.

4. Una sonda de medición para medir y tomar muestras en una masa fundida de metal, que tiene un cabezal medidor colocado en una lanza, en donde el cabezal medidor lleva al menos un sensor de temperatura y una cámara de muestras, en donde la cámara de muestras está rodeada, al menos de manera parcial, por el cabezal medidor e incluye un ducto de entrada que se extiende a lo largo del cabezal medidor, que se caracteriza porque el cabezal medidor tiene una contrapresión Pg de menos de 20 mbar, en donde la contrapresión está determinada porque, en primera, se guía un fundente en polvo de referencia a través de un tubo con dos extremos abiertos y se mide la presión Pi dentro del tubo, después se inserta ese extremo del tubo en el ducto de entrada del cabezal medidor, se guía el mismo fundente en polvo de referencia a través del tubo y se mide una presión P2 dentro del tubo, y en que la contrapresión Pg del cabezal medidor se determina de la diferencia de P2 - Pi .

5. La sonda de medición de acuerdo con la reivindicación 4, se caracteriza porque la contrapresión Pg del cabezal medidor es menor a 15 mbar.

6. La sonda de medición de acuerdo con la reivindicación 1 o 4, se caracteriza porque la proporción L/ D2 es menor a 0.6 mm"1 y la contrapresión Pg del cabezal medidor es menor a 20 mbar.

7. La sonda de medición de acuerdo con la reivindicación 1 o 4, se caracteriza porque la proporción L/ D2 es menor a 0.45 mm"1 y la contrapresión Pg del cabezal medidor es menor a 20 mbar.

8. La sonda de medición de acuerdo con la reivindicación 1 o 4, se caracteriza porque la proporción L/ D2 es menor a 0.3 mm"1 y la contrapresión Pg del cabezal medidor es menor a 20 mbar.

9. La sonda de medición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, que se caracteriza porque el cabezal medidor está formado por un material del grupo de materiales cerámicos, cemento, acero, arena de fundición.

10. La sonda de medición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que se caracteriza porque el ducto de entrada está formado de un tubo de cristal de cuarzo

11. La sonda de medición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que se caracteriza porque la cámara de muestras está rodeada, al menos de manera parcial, por un cuerpo de arena hecho de arena de fundición.

12. La sonda de medición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, que se caracteriza porque la longitud de la cámara de muestras tanto en la primera como en la segunda dirección, y que se encuentran perpendiculares entre sí, es mayor a la longitud en una tercera dirección que está colocada perpendicular a la primera y segunda dirección, y en que el ducto de entrada se abre en la cámara de muestras perpendicular a dicha tercera dirección.

13. La sonda de medición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones l a 12, que se caracteriza porque el cabezal medidor, además, porta al menos un sensor electroquímico .

14. El uso de una sonda de medición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 para medir y tomar muestras durante un proceso de insuflación en una masa fundida de metal que está en un convertidor para producir acero .

15. El uso de una sonda de medición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 para medir y tomar muestras durante en una masa fundida de metal que está en un horno de arco eléctrico.