TW202331219A - 用於熔融金屬之改良樣本室 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種樣本室，其用於從一熔融金屬浴取樣，具體而言從一熔融鋼浴或熔融鐵浴取樣。該樣本室包含一平蓋板及一殼體，其中該平蓋板及該殼體經組態以沿著一分析平面AP組裝在一起以形成一樣本穴。該殼體包含一浸沒面及一相對端面、一頂面及一底面。該殼體包含該浸沒面中之一第一開口及另一面中之一第二開口。該頂面具有至少一凹入，其包含一分布區段、一換氣區段、及一分析區段，且其中該分析區段係由該分析平面AP定界。該分布區段及該換氣區段係在從該殼體之該頂面至一相對面的一方向上配置在該分析區段下方，且垂直於該殼體之一中心縱軸X之該分析區段的最大及最小截面積彼此偏離不超過20%。本發明進一步係關於一種取樣器，其包含根據本發明之樣本室及載體管，該載體管經調適以容納該樣本室的至少部分。

Description

用於熔融金屬之改良樣本室

本發明係關於一種樣本室，其用於從一熔融金屬浴取樣，具體而言從一熔融鋼浴取樣。本發明進一步係關於一種取樣器，其包含根據本發明之樣本室及載體管，該載體管經調適以容納該樣本室的至少部分。

在處理處於熔融狀態之金屬的期間，必須在製程的不同階段取得熔融金屬的代表性樣本，以例如供分析或評估樣本之化學組成或金相結構。用於在製造及進一步處理期間分析熔融金屬的不同方法在所屬技術領域中係已知。

歷史上，固化金屬樣本的組成常使用電弧火花光學放射光譜儀(spark-OES)設備進行判定。由於其等快速分析時間及固有的準確度，Spark-OES系統通常係用於判定金屬樣本之化學組成及用於控制熔融金屬處理之最有效的系統。因此，Spark-OES分析一般係在熔融金屬製程期間用於控制熔融金屬生產的進度。

Spark-OES涉及激發其組成知識係所欲之目標樣本的原子及檢查從激發態過渡至較低能態期間由原子所發射的光子波長。當其原子從激發態返回較低能態時，週期表中的各元素發出離散波長的特性集。藉由偵測及分析這些波長，可根據校準曲線判定樣本的元素組成，從而顯示光譜強度比率（亦即，元素的絕對輻射功率/基底金屬的絕對輻射功率）及標準樣本中的元素濃度。

光譜光可藉由以電磁輻射（諸如，雷射或x光）輻照而生成，但針對Spark-OES通常藉由入射在其元素組成知識係所欲之目標上之由火花產生器所產生的短路火花來生成。在此情況下，目標係金屬樣本。火花產生器的強度及脈衝方案根據特定的Spark-OES設備而改變。無關於火花能量輸入，此類發射光譜儀的準確度及可靠度已知取決於用以接收從樣本發出的輻射之偵測器及光學器件的準確度及品質以及金屬樣本本身的均質性。

廣義地說，Spark-OES分析程序始於在Spark-OES儀器（即光學放射光譜儀）的載台之預定區域上將導電金屬樣本以其分析表面面朝下來定位。更具體地，樣本係經定位以便跨展及閉合光譜儀的分析開口，且陽極幾乎毗連樣本的分析表面。一旦達成樣本的所欲定位及陽極與分析表面的鄰近度，在陽極與經電氣連接至光譜儀載台的導電金屬樣本之間進行火花放電。在大多數情況下，此連接係藉由重力結合小型負載來完成。光學放射光譜儀上之分析開口一般係約12 mm寬。此距離避免陽極與儀器殼體之間的火花電弧。光學偵測器接收從樣本表面之挖出材料發出的光。部分地藉由陽極與金屬樣本之間的空間所形成之火花室係以氬或其他惰性氣體連續地吹掃，以便避免將導致錯誤分析值的空氣進入。

為了平坦地鋪放在光譜儀的分析開口上，金屬樣本無法具有任何延長部，且金屬樣本的分析表面必須平滑。將不可有任何樣本或樣本殼體的部分破壞分析表面的平面。樣本必須跨展光譜儀的分析開口，並具有充分的平坦度以促成火花室的惰性氣體吹掃及朝陽極呈現相連的樣本表面。

取得金屬之代表性分析的程序及製程在所屬技術領域中已眾所周知，如在In Dulski, T.R.A Manual for the Chemical Analysis of Metals, ASTM International, 1996中所述者。

已知提供固體金屬之試樣或碟片以供光譜分析中使用之習知的取樣裝置。由此類取樣裝置取得之固化金屬試樣的幾何形狀及尺寸有時將特定於金屬或金相需求的類型。針對Spark-OES分析之由浸沒裝置取得之樣本的通用分類係具有碟片或卵形形狀及28至40 mm之直徑或長的長度之樣本。更常見地，此類樣本具有約32 mm的直徑或長的長度以及4至12 mm的厚度。一些取樣器（通常已知為棒棒糖取樣器）可根據使用者的要求產出範圍從圓形至卵形或更長之不同形狀的樣本，但大多數樣本仍具有約32 mm的直徑或長的長度。其他取樣器（通常已知為雙厚度取樣器）在相同樣本內結合兩種厚度。

經設計以取得用於由Spark-OES進行分析之熔融金屬樣本的一般取樣裝置包括樣本室或模穴，其經組態以在取樣裝置一經浸沒至熔融金屬浴中後以熔融金屬填充。為模穴或樣本室劃界的模具一般係二部分蛤殼型配置或在其上側及下側上由平板覆蓋的環。一旦金屬樣本經固化，便棄置模具並將樣本冷卻、輸送至實驗室，研磨分析表面，樣本一經輸送至Spark-OES以供分析後則進行進一步的冷卻步驟。

US 3646816 A描述此類型的消耗性浸沒取樣器，其中碟狀樣本的兩平表面係由用以達成更快速凍結之冷卻板及在分析前較不需要清理的一對較平滑表面形成。其他先前技術的專利（諸如US 4211117 A）係關於類似概念，而US 4401389 A及US 5415052 A提供此冶金樣本與其他感測器結合的實例，該等感測器中之一者可係溫度測量感測器。

由習知取樣裝置產出的樣本在平行於光譜儀開口的方向上具有約32 mm的直徑，且在垂直於光譜儀開口的方向上具有4至12 mm的厚度。已發現，具有習知厚度的固化樣本需要對毛坯鑄造表面進行0.8至5 mm的表面研磨，以便達成無金屬及非金屬偏析的分析表面。習知樣本僅可在製備製程之後達成此表面狀態，該等製備製程用以製成在平行於光譜儀開口之方向上直徑一般係至少28 mm且在垂直於開口的方向上具有一般小於12 mm之厚度的幾何。此製備後幾何常由預分析製備設備處置，該預分析製備設備機械研磨樣本表面且亦便於由機械手臂處置，該等機械手臂從製備推進樣本通過分析並移除，以等待下一樣本。

排除表面製備的需求縮短分析時間且在經濟上有利於金屬生產者。此問題的各種解決方案係在EP 3336511 A1、EP 3336512 A1、EP 3336513 A1、EP 3336514 A1、EP 3581913 A1、及EP 3581914 A1中描述。這些文獻係關於直接分析(DA)取樣器，其等係產出DA樣本之熔融金屬浸沒取樣器類型。DA樣本在進行分析之前不需要任何種類的表面製備，且因此就及時化學結果的可用性以及實驗室採用Spark-OES分析方法的時間節約而言可得出顯著的經濟利益。

上述的先前技術描述具有不同區段的樣本室幾何，允許熔融金屬樣本的均質分布及其快速冷卻。具體地，樣本室包含具有不同厚度的兩區，其等建立稍後在分析期間經定位在光譜儀上的面（亦即，所得樣本的分析表面）。

然而，這些樣本室及使用上述先前技術之DA取樣器取得之所得的DA樣本仍具有缺點，如樣本室中之樣本的不良固著、無平坦分析表面、及/或不受控或部分的填充。導因於具有相當「薄」區的分段分析表面，無法在所有情形下提供分析表面的完全填充（例如，針對較低溫應用）。此類未經完全填充的區段導致片斷表面，其等可導致後續分析的複雜化。具體地，與光譜儀之密封受阻，且所得之樣本的部分可脫離並污染光譜儀。此外，此類取樣器之加工要求高精度及若干製程步驟。

因此，本發明旨在提供改良的DA樣本室，從而改善因此所得到之DA樣本的品質。此外，本發明之一目標在於提供與此一樣本室併用的取樣器。

本發明提供一種樣本室，其用於從一熔融金屬浴取樣，具體而言從一熔融鋼浴取樣，該樣本室包含一平蓋板及一殼體， -      其中該平蓋板及該殼體經組態以沿著一分析平面AP組裝在一起以形成一樣本穴， -      其中該殼體包含一浸沒面及一相對端面、一頂面及一底面，該頂面及該底面在該浸沒面與該相對端面之間延伸， -      其中該殼體包含該浸沒面中之一第一開口及另一面中之一第二開口， -      其中該頂面具有至少一凹入， -      其中該凹入包含一分布區段、一換氣區段、及一分析區段，且其中該分析區段係由該分析平面AP定界， -      其中該分布區段、該分析區段、及該換氣區段係彼此流動連通，並與該殼體之該第一開口及該第二開口流動連通， 其特徵在於 -      該分布區段及該換氣區段係在從該頂面至該底面的一方向上配置在該分析區段下方， -      垂直於該殼體之一中心縱軸X之該分析區段的最大及最小截面積彼此偏離不超過20%。

有利地，該樣本穴的組態（具體係沿著該殼體及完全經定位在此區段下方之兩相鄰區段的長度之該分析區段的截面積之受限偏離）允許取得完全填充該分析區中之該樣本平面的一樣本。因此，該樣本將最佳地適於分析而無可進入光譜儀之脫離部分或樣本與光譜儀之間未充分密封的風險。此外，可最小化在該分析平面中固化之流體線的形成，其進一步增強該分析的準確度。此外，該所得的分析表面非常平滑，進一步改善可得的資料品質。適用於這些種類之樣本的分析之OES光譜儀的幾何要求該樣本平面與該光譜儀之光學組件間的精確距離；波形樣本表面因而對該可得資料具有顯著的負面影響。

此樣本室設計之一額外益處在於其機械穩定性且易於製造。該分布區段及該換氣區段之組態允許這些區段之鑽孔；可省略如先前設計中之銑削。

本發明係關於一種樣本室，其用於從一熔融金屬浴取樣以供光學放射光譜儀(OES)進行直接分析(DA)。

如本文所用，用語「熔融金屬浴(molten metal bath)」係用以描述爐中（特別是在容器中）的熔體。所屬技術領域中具有通常知識者已知之「熔融金屬浴」的替代用語係「金屬熔體(metal melt)」。熔融金屬浴的熔融金屬不特別受限。根據一較佳實施例，該熔融金屬浴係一熔融鋼浴。

金屬熔體的溫度不同且通常係取決於金屬的組成物、及熔融程序的階段。根據一較佳實施例，熔融金屬浴的溫度係在1500至1800℃的範圍內，且更佳地在1500至1700℃的範圍內。

該樣本室包含一平蓋板及一殼體，其經組態以組裝在一起以形成一樣本穴。換言之，該平蓋板閉合該殼體之一中空體積以形成該樣本室之該樣本穴。該樣本穴係經組態以接納熔融金屬，且須理解為在取樣期間將熔融金屬引入其中的體積。

該平蓋板及該殼體係經組態以沿著一分析平面AP組裝在一起。換言之，一所得樣本之可分析表面在以熔融金屬填充該樣本室時將位在該分析平面AP中。

一「平」蓋板須理解為基本平坦，亦即，無將在組裝該樣本室時為該樣本提供一中空體積的凹入或壓陷。如熟習此項技術者將理解，一平蓋板仍可包含作為一外緣、一突出部、或一凹部之例如對於組裝可係必要的部分。

該平蓋板可或可不由與該殼體相同的材料形成。例如，該平蓋板可由熔矽石或一耐火陶瓷材料形成。較佳地，該平蓋板係由與該殼體相同的材料形成。

該殼體較佳地係由為良好熱或電導體之一或多個材料形成，諸如但不限於鋁、銅、及其他具有類似導熱或導電性質的金屬。較佳地，該殼體係以鋁製成。

該平蓋板之質量較佳地佔該樣本室之總質量的10至20%。

該平蓋板具有一第一側或面及一相對的第二側或面。該平蓋板較佳地具有從該第一面延伸至該第二面之介於1 mm與5 mm之間的一厚度。在該樣本室的組裝組態中，該平蓋板之該第一面係經組態以面向該殼體，且更具體地面向該殼體的頂面。

較佳地，該平蓋板具有與該殼體大約相同的寬度及長度。然而，將理解，該平蓋板並未受限於此類尺寸，並可具有大於或小於該殼體的寬度及長度。

根據本發明之樣本室包含一殼體。該殼體亦可稱為樣本室本體。須理解，該殼體不如該平蓋板平坦，但包含圍封一中空體積之具有某一高度的一本體。

該殼體包含一浸沒面及一相對端面。所屬技術領域中具有通常知識者將理解，片語「浸沒面(immersion face)」係指該殼體末端處的面或側，其在操作期間首先在一浸沒方向上經浸沒至熔融金屬中。該浸沒面及該相對端相可彼此平行。

該殼體亦包含在該浸沒面與該相對端面之間延伸的一頂面及一底面。該頂面亦可稱為該殼體之頂側。該底面須理解為相對於該頂面。較佳地，該底面平行於該頂面。須理解，該頂面及該底面並未配置為平行於該浸沒面及/或該相對端面。換言之，與該浸沒面或該相對端面相交之垂直於該殼體之該中心縱軸X的一軸無法與該浸沒面及/或該相對端面平行。

該頂面可以90至140°之間的角度，較佳地以90°的角度，與該浸沒面相交。在後者的情況下，該浸沒面及該頂面係垂直地配置。

該頂面可以90至140°之間的角度，較佳地以90°的角度，與該相對端面相交。在後者的情況下，該浸沒面及該相對端面係垂直地配置。

較佳地，該頂面係一分析面，意指其係該殼體之幾何側，其經組態以在分析期間在光學放射光譜儀的載台上定位為面向下。

一般而言，該殼體係形成為一長方體。此一殼體可加工自一單件材料。

較佳地，該殼體具有介於30與70 mm之間的長度。該殼體可具有介於20與70 mm之間的寬度。長度須理解為從該浸沒面至該相對端面的長度，且寬度須理解為垂直於長度。

在此整個應用中，長度係定義為在從該殼體之該浸沒面至該相對端面的方向上平行於中心縱軸X的尺寸。寬度係定義為垂直於縱軸X且平行於該頂面（亦即，該分析平面AP）的尺寸。深度或厚度係定義為垂直於縱軸X並垂直於該頂面（亦即，在從該殼體之該頂面至該底面的一方向上）的尺寸。更具體地，深度係從該分析平面AP處的一點測量至將在下文詳細指明之該等區段之各者的底端或邊界。如本文所討論之截面積尺寸係等於寬度尺寸乘以深度尺寸。

該殼體包含該浸沒面中之一第一開口及另一面中之一第二開口。該另一面可係除了該頂面以外之該殼體的任何其他面。該樣本穴從該第一開口延伸至該樣本室之該第二開口。須理解，當利用該樣本室從一熔融金屬取樣時，該熔融金屬的流動方向係在從該浸沒面至該另一面的一方向上。

較佳地，該組裝樣本室僅包含兩個開口，亦即，該第一開口及該第二開口。

較佳地，該第一開口係經組態以接納一入流導管。一入流導管使熔融金屬能夠從一熔融金屬浴流入該樣本室中，具體而言流入該樣本穴中。

在較佳實施例中，該第二開口係經組態以接納一氣體耦合器。在該殼體包含該第二開口的面處，可提供一氣體埠，其較佳地整體內含在該殼體內。

該第一開口及該第二開口係與該頂面隔開，亦即，經配置並與該分析平面AP隔開。因此，可針對該等樣本取得一均質分析表面。

該殼體之該頂面積包含一凹入，凹入亦可稱為壓陷。換言之，該頂面的一部分係中空形狀。須理解，該頂面之凹入形成包含不同區段之該殼體之一中空體積的至少一部分。這些區段共同形成該樣本穴。具體地，該凹入包含一分布區段、一分析區段、及一換氣區段。換言之，該殼體圍封以至少三個區段為結構之一中空體積。該分布區段、該分析區段、及該換氣區段係在該熔融金屬的流動方向上以直接流動連通循序地配置。該殼體的中空體積可包含額外區段，其等並非該頂面中之該凹入的部分。

該分布區段及該換氣區段係在從該殼體之該頂面至該底面的一方向上配置在該分析區段下方，具體在該分析區段的一底平面BP下方。換言之，該換氣區段及該分布區段並未連接至該頂面。因此，可確保該樣本室在該分析區段之區域中之一理想且完全的填充。

較佳地，該頂面包含一單一凹入。

在一實施例中，該凹入的長度係介於20與50 mm之間，較佳地介於25與40 mm之間。

須理解，劃界該凹入之該殼體的表面積形成該殼體下伏於該頂面之平面（亦即，該分析平面AP）之該中空部分的實體邊界。此表面積將進一步稱為該殼體的中空面。平行於該分析平面AP之該中空面的突起部一般在離該頂面之平面的不同距離中包含複數個區域。

該分布區段在操作期間係該凹入在該熔融金屬流動方向上的第一區段。具體地，該分布區段係定位在該第一開口下游。該分布區段並未連接至該頂面。

該分布區段之體積係在由該分析區段定界的一側上。須理解，該分析區段與該分布區段之間並沒有實體界線。然而，為了實行本發明，這些均視為分開區段。該分布區段的邊界在該底側上係由該中空面的一第一部分界定，而在該相對側上由該分析區段的一底平面BP界定。該相對側上的邊界須理解為沿著至該中空面之一第二部分的一延伸部之一假想邊界。須理解，相較於該中空面之該第一部分，該中空面之該第二部分係以離該分析平面之一較短距離配置。

較佳地，該分布區段之中心軸係以與中心縱軸X成45至90°之間的角度配置。

該分布區段進一步係由側壁定界。在一較佳實施例中，該分布區段的側壁中之一者以介於40與90°之間的角度，較佳地以介於50與80°之間的角度，與該中空面的該第二部分相交。具體可係較佳的是，該分布區段的側壁中之一者以60°的角度與該中空面的該第二部分相交。

平行於該分析平面AP之該分布區段的截面積可具有任何幾何。然而，可係較佳的是，截面積具有多邊形或圓形形狀。具體地，具有圓形形狀之截面積允許該殼體之容易且精確的加工，因為其可藉由鑽孔步驟來製造。

該分布區段之截面積可在金屬流的方向上加寬，亦即，該分布區段之截面積在從該第一開口至該分析區段的方向上增加。平行於縱軸X之該分布區段的截面積範圍可從8至20 mm ²，較佳地從10至15 mm ²。

該分布區段的深度範圍可從1至8 mm，較佳地從2至6 mm。

此外，該殼體之該頂面的該凹入包含該分析區段，其在該分布區段下游並與該換氣區段直接流動連通。較佳地，該分析區段係配置在該殼體之中心縱軸X的上方。

該分析區段在該頂側上係由該分析平面AP定界。換言之，當該樣本室經組裝且該樣本穴閉合時，該分析區段係在由該平蓋板定界的一側上。

須理解，該分析平面AP中之該分析區段的幾何係由該殼體之該頂面中所形成之該凹入界定，亦即，該分析區段的輪廓係由該凹入的輪廓界定。該分析區段因而在該頂面及一相對底平面BP處具有一開端。更具體地，該分析區段之該底平面BP係部分地由該殼體之該中空面的該第二部分界定，且部分地由該中空面之該第二部分的一假想延伸部界定。

垂直於該殼體之中心縱軸X之該分析區段的最大及最小截面積彼此偏離不超過20%。此組態實現在操作期間以該取樣熔融金屬完全填充該分析平面AP。

該分析區段的截面積須理解為垂直於該殼體之中心縱軸X並垂直於該分析平面AP的截面積。在一較佳實施例中，該分析區段的最大及最小截面積彼此偏離不超過10%，更佳地不超過5%。

在一較佳實施例中，該分析區段的截面積不會在該分析區段的50%長度之後，更佳地不會在70%長度之後減小。此上下文中的長度方向須理解為從該分布區段朝該換氣區段的方向。

可係較佳的是，該分析區段的最大及最小截面積彼此不偏離。

較佳地，該分析區段的截面積係介於平行於該分析平面AP之該換氣區截面積的2.5與10倍之間。

較佳地，該分析區段的截面積係介於5與30 mm ²之間，更佳地介於10與25 mm ²之間。

該分析區段可具有介於0.5與4 mm之間，較佳地介於1與3 mm之間的最大深度。可係較佳的是，該分析區段具有均勻的最大深度。「最大深度(maximum depth)」須理解為該分析區段之中心深度。

該分析區段之深度可係均勻的或朝邊緣逐漸變細。換言之，垂直於縱軸X之該分析區段之該底平面BP的截面輪廓可具有任何形狀，亦即，可具有平坦、三角形、或凹面形狀。

較佳地，該分析區段之寬度在該殼體之中心縱軸X的方向上係恆定的。具體地，該分析區段可具有介於6與14 mm之間，較佳地介於8與12 mm之間的寬度。

在一較佳實施例中，該分析區段具有介於20與50 mm之間，較佳地介於25至35 mm之間的長度。

該換氣區段係該凹入在該熔融金屬之流動方向上的最後區段。其與該第二開口流動連接。然而，該殼體可包含進一步的區段，其等經定位在該換氣區段與該第二開口之間。

該換氣區段之體積係在由該分析區段定界的一側上。須理解，該分析區段與該換氣區段之間並沒有實體界線。該換氣區段之邊界係在由該分析區段之該底平面BP界定的一側上。此邊界須理解為沿著至該中空面之一第二部分的一延伸部之一假想邊界。

在一些實施例中，該換氣區段可在該底側上進一步藉由該中空面之一第三部分定界。在此類組態中，相較於該中空面的該第二部分，該中空面的該第三部分係以離該分析平面較遠的一距離配置。可係較佳的是，該中空面之該第一部分及該第二部分離該分析平面AP具有相同距離。

該換氣區段進一步係由側壁定界。平行於該分析平面之該分布區段的截面積（亦即，由該等側壁環繞的截面積）可具有任何幾何。然而，可係較佳的是，截面積具有多邊形或圓形形狀。具體地，具有圓形形狀之截面積允許該殼體之容易且精確的加工，因為其可以鑽孔步驟製造。

較佳地，該換氣區段之中心軸係以與中心縱軸X成45至90°之間的角度配置。須理解，該換氣區段並未連接至該頂面，亦即，其係配置在該分析區段下方。令人驚訝地發現，該換氣區段相對於該分析區段的此組態顯著增強可得樣本及相關分析結果的品質，最小化該分析表面中的滯留空氣及空隙。

在某些實施例中，該分布區段之中心軸及該換氣區段之中心軸係以與中心縱軸X成45至90°之間的角度配置，在較佳實施例中，兩中心軸係以與中心縱軸X成90°的角度配置。

該換氣區段在垂直於該頂面的方向上可具有細長形狀。

較佳地，該換氣區段係從該分析區段末端以小於該分析區段長度之20%的距離定位，較佳地以小於10%的距離定位。此組態允許在該熔融金屬樣本固化之前完全填充該分析區段。該區段的末端須理解為該分析區段更近接該相對端面而非該浸沒面的側，亦即，該殼體相對於該浸沒面的側。

該換氣區段之截面積可在金屬流的方向上逐漸變細，亦即，該換氣區段之截面積在從該分析區段至該第二開口的方向上減小。平行於縱軸X之該換氣區段的截面積範圍可從0.2至5.0 mm ²，較佳地從0.5至3.0 mm ²。

該換氣區段的深度範圍可從1至8 mm，較佳地從2至6 mm。

較佳地，平行於該分析平面AP之該分布區段的截面積介於該分析區段之截面積的0.5與2倍之間。若該分布區段的截面積太小，則入流熔融金屬的減速將不足而無法減少擾流，其將導致該分析平面AP的非均質填充。

較佳地，該殼體之中心縱軸X的方向上之該分析區段的長度高於垂直於中心縱軸X之該分布區段及換氣區段的深度。

在一較佳實施例中，該分析區段的寬度高於該換氣區段的寬度，具體比該換氣區段的寬度高至少3倍。

較佳地，垂直於該殼體之中心縱軸X之該分析區段的寬度高於沿著中心縱軸X之該分布區段的長度及/或該換氣區段的長度。

該殼體的中空體積亦可包含經組態以接納熔融金屬之一入流區段及/或一入流導管，其在熔融金屬的流動方向上經定位在該分布區段前，並與該第一開口直接流動連通。可係較佳的是，該分布區段之中心軸係以與該入流區段之中心軸成45至90°之間的角度配置。

較佳地，垂直於中心縱軸X之該入流區段的截面積係取決於垂直於中心縱軸X之該分析區段的截面積及/或平行於該分析平面AP之該分布區段的截面積。較佳地，該入流區段的截面積介於該分析區段之截面積的0.5與2倍之間。在一較佳實施例中，該入流區段的截面積介於該分布區段之最大截面積的0.2與0.7倍之間，且因此降低金屬混合所需之入口速度。若該入流區段的截面積太小，則入流熔融金屬沒有足夠的減速而無法減少擾流，其將導致該樣本穴的不良填充。

該殼體的中空體積亦可包含一耦合器區段，其在熔融金屬的流動方向上經定位在該換氣區段後，並與該第二開口直接流動連通。較佳地，該耦合器區段係經組態以接納一氣體耦合器。可係較佳的是，該換氣區段之中心軸係以與該耦合器區段之中心軸成45至90°之間的角度配置。

該殼體的該頂面可包括一脊部，其自該處突出並環繞該凹入。較佳地，當組裝該樣本室時，該平蓋板沿著該頂面位處與該殼體的該脊部齊平處。

在一較佳實施例中，一密封構件係在該平蓋板的該第一面上提供，經組態以在該樣本室的組裝組態中定位在該殼體與該平蓋板之間。有利地，該密封構件防止灰塵穿入該蓋板或該殼體，該灰塵將污染光譜儀表面並影響進行中的分析且甚至影響後續分析。

該密封構件較佳地係一氣密密封構件。更具體地，該密封構件可係一墊片。該墊片可具有任何形狀。

較佳地，該密封構件由對該樣本室中之該等樣本基本上無污染的一材料構成。在一實施例中，該密封構件係由聚矽氧或任何類似聚合物、紙紙材、或卡紙板形成。所屬技術領域中具有通常知識者將理解，該密封構件可由任何材料形成，其將在該平蓋板與該殼體之間提供一氣密密封。熟習此項技術者將理解，該密封構件可替代地形成為一O環。

該樣本室，具體係該平蓋板及該殼體，可藉由閉合構件固持在一起。較佳地，該閉合構件係一夾子或一夾箝。

有利地，藉由使用用於將該樣本室固持在一起的夾子或夾箝，該兩部分係藉由該閉合構件所施加的壓縮力而固持在一起，且並未將膠或膠合劑用於該閉合。

在一較佳實施例中，該閉合構件係由金屬製成。然而，熟習此項技術者將理解，該閉合構件可由另一合適材料製成，該材料能夠耐受浸沒於熱金屬中，並提供必要的壓縮力。

可係較佳的是，該殼體包含第一耦合構件，且該閉合構件包含第二耦合構件，其中該第一耦合構件及該第二耦合構件經組態以彼此交互作用。該殼體之該耦合構件可實現為該殼體中之至少一個凹部，較佳地兩個凹部。較佳地，該至少一凹部係定位在該殼體之經定位為垂直於該頂面的一面中。

在一較佳實施例中，該閉合構件係經組態以在垂直於該殼體之縱軸X的方向上施加力。

可係較佳的是，該樣本室包含識別構件。具體地，此類識別構件可包含一不可破壞的標記或標籤，例如，此類識別構件可係條碼或QR碼。

此外，該樣本室可包含一入流導管，其經組態以由該殼體之該第一開口接納。該入流導管較佳地係以石英材料製成，更佳地以熔融石英材料製成。然而，將理解，該入流導管可以任何其他合適材料製成，包括但不限於陶瓷材料。

該樣本室亦可包含一氣體耦合器，其經組態以由該第二開口接納。因此，該樣本室可以一氣體流吹掃。

本發明亦關於一種取樣器，其包含根據本發明之樣本室及載體管，該載體管經調適以容納該樣本室的至少部分。

該取樣器可進一步包含一測量頭，其經調適以容納該樣本室的至少部分，且經支撐在該載體管上。一測量頭須理解為一部分，其容納欲浸沒在熔融金屬中的部分以得到測量值，且其隨後將移除。換言之，一測量頭提供用於可浸沒部件之一拋棄式平台。

在一實施例中，該取樣器包含一保護蓋，其經附接至該入流導管的第一端。

圖1顯示用於從熔融金屬浴取樣的取樣器1。取樣器1適於浸沒在熔融金屬中並採取熔融金屬的樣本。所示之取樣器1包含測量頭2，其可以樹脂黏合二氧化矽砂粒製成。測量頭2係支撐在載體管3上，該載體管可係紙材載體管。在使用中，探針固持器或吹管（未圖示）較佳地係插入載體管3的內部體積中，以提供在浸沒方向I上使測量頭2沒入熔融金屬浴的表面下方所必需的機械動作。

測量頭2包含樣本室20，其用於收集及取回熔融金屬樣本。如所示之樣本室20係由殼體22及平蓋板23組成，如從前視觀點更詳細地顯示於圖2者。

測量頭2具有第一端及相對的第二端。測量頭2之第一端對應於測量頭之浸沒端4。測量頭之第二端係經組態以面向吹管或探針固持器。而且，樣本室20之殼體22具有第一端30及相對的第二端31。殼體之第一端30對應於樣本室20之浸沒面。所屬技術領域中具有通常知識者將理解，片語「浸沒端(immersion end)」意指首先浸沒至熔融金屬中之總成、各別取樣器的端。在殼體之第一端30處附接入流導管5，其由第一開口34接納。入流導管5使熔融金屬能夠從熔融金屬浴流至樣本穴21（在圖1所示視圖中不可見）中。

在使用中，測量頭2係在浸沒方向I上浸沒至熱金屬浴中。因此，熔融金屬在經引入樣本室20及其穴21中時的入流方向係在與浸沒方向I相反的方向上，其平行於樣本穴21之縱軸X。

入流導管5係由第一保護蓋6覆蓋。第一保護蓋6較佳地係以金屬，且更佳地係以鋼，製成。第二保護蓋7繼而覆蓋（且更明確地包圍）第一保護蓋6。第二保護蓋7係附接至測量頭2。較佳地，第二保護蓋7係以金屬，且更佳地係以鋼，製成。

樣本室20可藉由惰性氣體來吹掃及加壓，該惰性氣體係經由連接至殼體中之第二開口的耦合器（未圖示）朝入流導管5供應。熟習此項技術者將理解，以惰性氣體吹掃僅係某些應用所必需。在使測量頭2浸沒於熱金屬浴的表面下方之後，第二保護蓋7由於熱金屬的熱而熔融，從而使第一保護蓋6暴露至熱金屬。隨後，第一保護蓋6亦熔融，從而將樣本室20置於與熱金屬浴流體連通。熱金屬接著進入樣本室，具體係經由第一開口34從浸沒端30至第二端31，而氣體則通過第二開口35從樣本室穴21排出。

當熔融金屬在樣本穴21中凍結時，固化的金屬樣本係以與殼體22不可分離的方式形成。測量頭2容易破裂，允許從載體管3移除取樣室20。若存在，將樣本室20固持在一起的夾子8係經移除。不同於習知取樣裝置，樣本維持附接至樣本殼體22。因此，用語「樣本(sample)」當在本文中指經遞送至OES的金屬試樣時，係指所取回之固化樣本及樣本殼體22之不可分離的組合。

亦如圖2所示，殼體22及樣本室20之蓋板23可藉由夾子或夾箝8以壓縮力固持在一起，該壓縮力足以抵抗兩部分分開的傾向，該傾向導因於熔融金屬流入及填充樣本穴21的力及在以樣本填充前之吹掃階段期間的力。夾子8較佳地可以金屬製成。圖2顯示樣本室的正視圖，亦即，殼體22的浸沒面30及第一開口34。在圖2A所繪示之組態中，夾子8主要係配置在蓋板23上。殼體22包含夾子可與其交互作用的凹部10。夾子8亦可如圖2B所示般以側向配置。

為了實際組裝目的，平蓋板23可具有大約與殼體22相同的寬度及長度。蓋板之第一面9係經組態以面向殼體22。可在蓋板之第一面9上提供密封構件（未圖示），以便在樣本室20的組裝組態中將其定位在殼體22與蓋板23之間。

圖3以不同視圖顯示根據本發明之實施例的殼體22。具體地，圖3A顯示切穿局部視圖，而圖3B顯示在具有凹入40之殼體22之頂面32上的俯視圖。經定位在頂面下方且因此在所呈現的視圖中不可見的區段係由灰線指示。圖式中所示之頂面32係分析面，意指其係在其中收集樣本之殼體22的幾何側，且其因此經組態以在分析期間在光學放射光譜儀的載台上定位為面向下。在分析期間，惰性氣體係吹掃至光譜儀的火花室中，使得無法容許欲分析之樣本與光譜儀載台之間的洩漏。此外，毗連蓋板之固化金屬樣本的分析表面幫助閉合OES的開口。因而需要完全填充此表面以完全閉合光譜儀開口。具體地，進入樣本穴之熔融金屬的前沿在凍結前應至少抵達換氣區段。

頂面32包含凹入40，其形成樣本室20之樣本穴21的至少一部分。如所繪示，頂面32在浸沒端或浸沒面30與殼體之相對的端或面31之間延伸。圖3A及圖3B繪示，頂面32係空心形狀以形成樣本穴21之不同區段，以用於接納熔融金屬、收集熔融金屬樣本、及進行穴的換氣。凹入40係由細長形狀界定。

圖3B亦繪示在其中發現殼體的縱軸X及凹入40的寬度W及長度L。亦可見到殼體之中空面41，其在頂面的平面下方包含二或更多個凹入。在所示實施例中，殼體22之中空部分包含兩個額外區段，即分布區段43及耦合器區段46。須注意，兩區段43及46在圖3A所示之殼體的部分中係不可見的。如所繪示，中空面41包含凹入40內之殼體的所有部分，如可見於所示視圖者。在所繪示之實施例中，凹入40之相對端（亦即，就浸沒方向I而言之前端及尾端）係圓頭以便於加工。然而，熟習此項技術者將理解，該等端可具有任何形狀。在圖3所示之本發明的實施例中，殼體之頂面32包含外緣11。此一外緣可增強與蓋板之密封，在額外密封元件亦係樣本室總成之部分的情況下尤是如此。

圖4顯示根據本發明之實施例之組裝樣本室的側視圖。在圖4A中，樣本室20係以組裝組態顯示，其具有入流導管5。蓋板23係沿著分析平面AP配置在殼體22的頂面32上，使殼體之中空部分閉合，從而建立樣本穴21。在所示組態中，入流導管5係與樣本穴21之入流區段42連通。圖4B顯示本發明之替代實施例，其具有經配置在入流導管5內之脫氧元件12。

圖5更詳細地顯示殼體22之中空體積（亦即，樣本穴）的不同組態，其針對某些實施例繪示樣本穴21之不同區段相對於彼此的組態。受分析平面AP所限之凹入的上部部分形成分析區段44。分析區段44完全上覆於分布區段43及換氣區段45。前述三個區段形成u形凹入，其可選地經由入流區段42流動連接至第一開口34。如所示之分析區段44在中心縱軸X的方向上具有均勻深度。換氣區段45可進一步連接至經定位在殼體之相對側處的耦合器區段46，如圖5A所繪示。在圖5B中，顯示一替代組態，其中換氣區段45係直接連接至殼體相對於頂面32的面（亦即，底面33）中之第二開口35。在兩實施例中，換氣區段45係定位為與分析區段之末端47齊平。

分析區段44在一側上由分析平面AP所限，且在其相對側上由底平面BP所限，兩平面在圖5中均顯示為虛線。底平面BP部分地係假想平面，其沿著中心縱軸X跨分布區段43及換氣區段45延伸中空面的平面。分布區段之中心軸D以及換氣區段之中心軸V在所示之兩實施例中係配置為垂直於中心縱軸X及分析平面AP。

殼體22之中空面包含若干部分，如亦在圖式中指示者。形成分布區段43之底部邊界的第一部分HF _D、形成分析區段44之底部邊界的第二部分HF _A、及形成換氣區段45之底部邊界的第三部分HF _V。在圖5B所繪示之組態中，中空面僅包含兩個區段。

較佳地，當進行取樣時，熔融金屬抵靠蓋板23，具體沿著分析平面AP，完全填充分析區段44並在其中凍結。所示之殼體的中空部分之區段的組態確保滿足這些需求。分析區段沿著其長度之截面的最小偏離連同換氣區段完全在此區段下方的定位確保在進入樣本室的熔融金屬前沿開始固化之前的完全填充。

圖6以殼體22的正視圖（亦即，在沿著縱軸X的方向上）顯示樣本室的實施例，其等具有分析區段之不同可行的截面幾何及用以描述分析區段的相關參數。亦顯示蓋板23。須注意，所示尺寸未必按比例繪製。在圖6A中，分析區段44之截面具有矩形形狀。在上部側上，其由亦界定分析平面AP之蓋板23圍封。在相對側上，區段係由底平面BP定界。如熟習此項技術者將理解，截面積係由區段之寬度W及深度D判定。圖6B顯示具有三角形形狀之底平面的分析區段44，而圖6C顯示分析區段44的凸面形狀截面。

對於所主張之本發明的不同實施例，申請專利範圍、本說明書、及圖式中所揭示的特徵在分開或與彼此成任一組合的兩情況下均可係基本。

1:取樣器 2:測量頭 3:載體管 4:測量頭之浸沒端 5:入流導管 6:第一保護蓋 7:第二保護蓋 8:夾子/夾箝 9:蓋板之第一面 10:凹部 11:外緣 12:脫氧元件 20:樣本室 21:樣本穴/穴/樣本室穴 22:殼體/樣本殼體 23:平蓋板/蓋板 30:殼體之第一端/浸沒端/浸沒面 31:第二端/殼體之相對的端或面 32:殼體之頂面 33:底面 34:第一開口 35:第二開口 40:凹入 41:殼體之中空面/中空面 42:入流區段 43:分布區段/區段 44:分析區段 45:換氣區段 46:耦合器區段/區段 47:分析區段之末端 D:分布區段之中心軸/深度 I:浸沒方向 L:長度 V:換氣區段之中心軸 W:寬度 X:中心縱軸/縱軸 AP:分析平面 BP:底平面 HF _A:第二部分 HF _D:第一部分 HF _V:第三部分

連同一些例示性圖示，下列示意圖式顯示用於提升對本發明之理解之本發明的態樣，其中 ［圖1］顯示用於從熔融金屬浴取樣的取樣器； ［圖2］顯示藉由夾箝固持在一起之樣本室的殼體及蓋板； ［圖3］以不同視圖顯示殼體； ［圖4］顯示組裝樣本室的側視圖； ［圖5］更詳細地顯示樣本室之殼體的中空部分； ［圖6］以殼體正視圖顯示具有不同之可行的分析區段截面幾何的樣本室。

11:外緣

21:樣本穴/穴/樣本室穴

22:殼體/樣本殼體

30:殼體之第一端/浸沒端/浸沒面

31:第二端/殼體之相對的端或面

32:殼體之頂面

34:第一開口

35:第二開口

40:凹入

41:殼體之中空面/中空面

43:分布區段/區段

46:耦合器區段/區段

L:長度

W:寬度

X:中心縱軸/縱軸

Claims (13)

1. 一種樣本室，其用於從一熔融金屬浴取樣，具體而言從一熔融鋼浴取樣，該樣本室包含一平蓋板及一殼體， -       其中該平蓋板及該殼體經組態以沿著一分析平面AP組裝在一起以形成一樣本穴， -       其中該殼體包含一浸沒面及一相對端面、一頂面及一底面，該頂面及該底面在該浸沒面與該相對端面之間延伸， -       其中該殼體包含該浸沒面中之一第一開口及另一面中之一第二開口， -       其中該頂面具有至少一凹入， -       其中該凹入包含一分布區段、一換氣區段、及一分析區段，且其中該分析區段係由該分析平面AP定界， -       其中該分布區段、該分析區段、及該換氣區段係彼此流動連通，並與該殼體之該第一開口及該第二開口流動連通， 其特徵在於-       該分布區段及該換氣區段係在從該頂面至該底面的一方向上配置在該分析區段下方， -       垂直於該殼體之一中心縱軸X之該分析區段的最大及最小截面積彼此偏離不超過20%。
2. 如請求項1之樣本室，其中該分布區段之一中心軸係以與該殼體之該中心縱軸X成45至90°之間的一角度配置。
3. 如請求項1或2之樣本室，其中該換氣區段之一中心軸係以與該殼體之該中心縱軸X成45至90°之間的一角度配置。
4. 如前述請求項中任一項之樣本室，其中該分析區段的截面積在該分析區段長度的50%之後並未減小。
5. 如前述請求項中任一項之樣本室，其中該分析區段的最大及最小截面積彼此不偏離。
6. 如前述請求項中任一項之樣本室，其中該分析區段的截面積係介於平行於該分析平面AP之該換氣區截面積的2.5與10倍之間。
7. 如前述請求項中任一項之樣本室，其中該分析區段之寬度在該殼體之該中心縱軸X的方向上係恆定的。
8. 如前述請求項中任一項之樣本室，其中該分析區段具有介於20與50 mm之間的一長度。
9. 如前述請求項中任一項之樣本室，其中該換氣區段係從該分析區段末端以小於該分析區段長度之20%的一距離定位。
10. 如前述請求項中任一項之樣本室，其中該分析區段的寬度高於該換氣區段的寬度。
11. 如前述請求項中任一項之樣本室，其中該頂面包含一單一凹入。
12. 如前述請求項中任一項之樣本室，其中該組裝樣本室僅包含兩個開口。
13. 一種取樣器，其包含如前述請求項中任一項之樣本室及一載體管，該載體管經調適以容納該樣本室的至少部分。