WO2019009765A1 - Способ и устройство для спектрального анализа химического состава расплавленных металлов - Google Patents

Способ и устройство для спектрального анализа химического состава расплавленных металлов Download PDF

Info

Publication number
WO2019009765A1
WO2019009765A1 PCT/RU2018/000433 RU2018000433W WO2019009765A1 WO 2019009765 A1 WO2019009765 A1 WO 2019009765A1 RU 2018000433 W RU2018000433 W RU 2018000433W WO 2019009765 A1 WO2019009765 A1 WO 2019009765A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
tube
sampler
melt
metal
probe
Prior art date
Application number
PCT/RU2018/000433
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Александр Николаевич ЗАБРОДИН
Сергей Александрович ЗАБРОДИН
Original Assignee
Александр Николаевич ЗАБРОДИН
Сергей Александрович ЗАБРОДИН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Александр Николаевич ЗАБРОДИН, Сергей Александрович ЗАБРОДИН filed Critical Александр Николаевич ЗАБРОДИН
Priority to US16/626,898 priority Critical patent/US10830705B2/en
Priority to EP18828897.1A priority patent/EP3650841A4/en
Publication of WO2019009765A1 publication Critical patent/WO2019009765A1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/66—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light electrically excited, e.g. electroluminescence
    • G01N21/69—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light electrically excited, e.g. electroluminescence specially adapted for fluids, e.g. molten metal
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0208—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using focussing or collimating elements, e.g. lenses or mirrors; performing aberration correction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0218—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using optical fibers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/443—Emission spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/66—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light electrically excited, e.g. electroluminescence
    • G01N21/67—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light electrically excited, e.g. electroluminescence using electric arcs or discharges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited
    • G01N21/718—Laser microanalysis, i.e. with formation of sample plasma
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/85—Investigating moving fluids or granular solids
    • G01N21/8507—Probe photometers, i.e. with optical measuring part dipped into fluid sample
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/66—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light electrically excited, e.g. electroluminescence
    • G01N21/69—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light electrically excited, e.g. electroluminescence specially adapted for fluids, e.g. molten metal
    • G01N2021/695—Molten metals

Definitions

  • the invention relates to the field of spectral analysis of the chemical composition of ferrous and non-ferrous metals and can be used in metallurgical workshops for monitoring production of molten (liquid) electrically conductive materials directly in smelting units.
  • the object of the invention is a method of optical emission spectral analysis of metals with excitation of high-temperature plasma in an inert gaseous medium directly on the molten metal by the electric-spark method and a device for an immersion refractory probe ensuring the formation and retention of molten metal samples at a given level.
  • the device for spectral analysis contains a refractory immersion probe with a sampler and built-in electrodes, a rod-manipulator, an electric-spark generator with cables connecting the electrodes, a cylinder with compressed inert gas and a gas supply channel to the sampler, an optical system with a light guide, a spectrometer and a computer for controlling and processing the spectra obtained.
  • Spectral analysis of the chemical composition of various materials is widely used in industry and, in particular, in the field of metallurgy in the smelting of steel, cast iron or aluminum, for example.
  • Usually used in practice methods of spectral analysis requires the sampling (samples) of metal from the melting unit, which is then cooled, mechanically processed and then subjected to various analytical procedures.
  • atomic emission spectrometry is most often
  • Emission spectrometry is based on the fact that the local area of the surface of the material to be analyzed is heated in some way to a temperature at which the ionization of the substance of which it consists is achieved. The radiation emitted by the plasma is then analyzed in a spectrometer, in which this radiation
  • Equipment for analyzing various materials using emission spectrometry is either laboratory stationary equipment or portable mobile equipment. There is a difference between spectrometers of various types, according to the design of the optical scheme and method
  • the chemical composition of the liquid melt can be only a few tens of seconds.
  • a method for analyzing molten materials, in particular aluminum, using a submersible probe in the form of a pipe using a submersible probe in the form of a pipe.
  • the open end of the pipe is immersed in molten aluminum.
  • Inside the carrier tube is a lens system.
  • the optical fiber is connected through the optical system, on the one hand, to the spectrograph, and on the other hand to the laser.
  • the radiation excited by the laser in the melt is directed through the optical fiber to the spectrograph and is analyzed there in order to obtain analytical results of the chemical composition of the molten aluminum.
  • sampler liquid material is proposed to produce using laser radiation.
  • WO 2007012440 A1 a method for analyzing a liquid metal in which a laser beam is directed into a vessel with molten metal through a carrier tube immersed with an open end into the melt. And in the place where the laser beam meets the surface of the liquid metal, impurities on its surface are removed by blowing inert gas flow.
  • molten materials using various methods, including laser, X-ray and electric-spark, which provide for the bubble to be inflated in the medium of a liquid material by a compressed inert gas through an immersion probe.
  • this equipment should be located above the objects of analysis, for example, above the ladle with molten metal in the converter. From the practice of industrial production, it can be established that the environmental conditions near the places for the production of molten metals, like a steel plant, are very aggressive towards measuring devices,
  • laser spectral analysis methods have such disadvantages as low analysis accuracy due to the instability of the laser-excited plasma.
  • laser spectral analysis methods have such disadvantages as low analysis accuracy due to the instability of the laser-excited plasma.
  • the inhomogeneity of the torch of a laser plasma leads to the fact that the spectral lines of the elements have very wide and even self-reversing radiation contours. For these reasons, the emission spectrum of the laser torch is practically not used in industrial spectral analysis.
  • spectral analysis of metal melt elements in a melting tank involves immersing the refractory probe in the melt, exciting a laser beam, conducting a laser beam through a system of lenses and mirrors, creating a plasma by pointing the laser beam through a quartz glass to the surface of the molten metal, directing the light created by the plasma through a quartz glass glass, lens system and optical fibers in the spectrometer, using a computer to analyze the obtained
  • the liquid sample of the analyzed melt is formed due to the ferrostatic pressure, as well as during the process of evacuating the melt inside the refractory tube or sleeve or inside the standard sampler, enclosed in the immersion unit of the probe, into the inner space of which to balance ferrostatic melt pressure, inert gas is supplied under static pressure, by regulating which, the desired shape and level of molten metal is obtained in refractory tube or sleeve or standard sampler.
  • the prototype has the following disadvantages. As stated above,
  • the laser method used to excite a liquid melt leads to an inhomogeneous ejection of the material of the sample material during its intense explosive evaporation in a laser beam, which leads to spatial heterogeneity and instability of the glow of the plasma torch. This leads to different intensity of luminescence in the spectral lines and, as a result, to different data of quantitative spectroanalysis with repeated realizations (that is, the non-representativeness of the results).
  • Studies shows that differences in the indications of quantitative analysis can reach tens and even hundreds of percent (they can differ by several times).
  • the aim of the invention is to increase the sensitivity and accuracy of spectral analysis of the chemical composition of liquid conductive melts and simplify the equipment of the plasma excitation system.
  • an electric-spark method of plasma excitation on the surface of a sample of a molten (liquid) metal is used.
  • the method involves immersion in a metallurgical vessel with a molten metal, for example, in a ladle, furnace or converter, a refractory immersion probe with a sampler, into which ferrostatic pressure flows a sample of liquid metal, keeping a stable level of a sample of a liquid metal in the sampler due to an inert gas flow, exciting a high-temperature plasma on the surface of this sample using an electric-spark generator and transmitting plasma radiation to the spectrometer using an optical system.
  • the immersion probe can be lowered into
  • a metallurgical tank at a predetermined depth and with a slope at a certain angle to the surface of the melt using a manual rod (with manual control) or a manipulator rod (with automated control).
  • the constant spark gap ensures the stability of the plasma torch in
  • the method of spectral analysis of a molten metal proposed in the present invention provides for various methods and devices for creating a stable level of a liquid metal sample relative to the end of the electrode of a spark generator. This takes into account the need for continuous purging of the spark gap zone with an inert gas, for example, argon, to maintain favorable plasma combustion conditions in the spark breakdown channel and displace air residues in the analytical gap.
  • an inert gas for example, argon
  • the proposed method of optical emission spectral analysis of an electrically conductive melt with electric spark plasma excitation involves immersion in a vessel with a molten metal refractory probe with a sampler.
  • the probe is immersed in the molten metal using a special metal rod, inside of which an optical head with a light guide, cables connecting the electrodes of the spark generator and an inert gas supply tube to the sampler are installed.
  • a refractory (quartz or ceramic) tube is used as the sampler of the liquid metal, the upper end opening of which is connected to the hole of the immersion probe.
  • This tube has in the middle of its wall, at least one through side lateral opening located at some distance from the lower end of the tube.
  • the lower hole of the tube is designed to flow into it of liquid metal.
  • an inert gas such as argon, is fed into the sampler tube through its upper end opening from a submersible probe under a slight excess pressure.
  • liquid metal flows into the sampler tube through its lower opening and reaches the level of the side opening of the tube, where its level stops and stabilizes as a result
  • the electrode of the spark generator is installed in the sampler tube at a distance of several millimeters above the level of the side opening. This distance is determined by the required spark gap and is selected depending on the best conditions for the excitation of the plasma torch.
  • the working spark gap analytical gap between the sample surface and the end of the electrode is on the order of several millimeters.
  • a second electrode (counter-electrode) is used, which is installed on the immersion probe outside the sampler.
  • this electrode provides electrical contact with the sample of molten metal in the sampler tube through the medium of an electrically conductive melt in the melting unit.
  • the immersion refractory probe can be lowered into the metal melt with an inclination at an angle to the level of its surface.
  • the electrode of the spark generator is the possibility of observing the plasma torch at a certain angle from the side, since in this case the optical axis of the plasma observation system will pass through the side of the plasma torch.
  • the electrode of the spark generator is the electrode of the spark generator
  • the sampler is a refractory (quartz or ceramic) tube having at least one side through-hole on its wall.
  • the upper end opening of the sampler tube is connected to the hole of the refractory immersion probe, and a portion of the tube with an outlet side (overflow) opening is located inside the hollow refractory chamber, which is also connected to the immersion probe.
  • the sampler with the bottom (filler) hole comes out of the hollow chamber.
  • This refractory chamber is isolated from the molten metal and is connected to the atmosphere through a special opening in the immersion probe.
  • the flowing metal of the side opening of the tube of the sampler tube overflow occurs excess liquid metal through this hole into the inside of the hollow chamber.
  • the level of the molten metal constantly flowing into it stops and stabilizes.
  • the electrode of the spark generator is located in the sampling tube a few millimeters above the level of the liquid metal and excites the plasma torch, the glow of which is transmitted to the spectrometer using the optical system built into the rod.
  • the time period of spectral analysis can be controlled by the rate of flow of liquid metal into the sampler tube by changing the size of the cross section of the lower filling opening of the tube, as well as the capacity of the hollow overflow chamber.
  • the inert purge gas entering the probe tube from the immersion probe freely passes through the same side overflow opening into the chamber cavity and then into the atmosphere through a special opening in the immersion probe.
  • this method of spectral analysis with the stabilization of the level of liquid metal using overflow allows you to obtain a solid sample of metal that flows and remains in the overflow chamber after removing the probe from the vessel with the melt.
  • a device for performing spectral analysis of a molten metal, the general view of which is schematically represented in Fig. 1/3.
  • the structure of this device includes: metal rod 1, immersion refractory probe 2, electric-spark generator 3 with discharger 4 and electrical connecting cables 5, balloon with compressed inert gas b, tube 7 for supplying inert gas to immersion probe 2, spectrometer 8 with light guide 9, as well as computer 10 for controlling the measurement process and processing the obtained spectra.
  • Immersion refractory probe 2 is put on before measurement
  • metal melt 11 provides sampling of liquid metal in
  • the refractory probe 2 is a cardboard or ceramic tube 12 into which ceramic or sand bushing 13 is pressed.
  • a refractory sampler 14 which is a quartz or ceramic tube or a two-bore flask, is embedded in this ceramic bushing.
  • the hole 15 in the side wall is intended to release the inert gas fed into the tube of the sampler through the gas pipe 7. At some distance below the outlet 15 in the sampler there is a hole 16 through which the molten metal flows into the sampler tube under the influence of ferrostatic pressure.
  • This opening 16 can be located both at the lower end of the sampler tube 14 and on the side wall at the end of the tube if the tube is closed (sealed) at the bottom.
  • the sampled tube with a closed bottom allows you to get a solid metal sample for subsequent analysis in the laboratory, since the liquid metal does not flow out of the sampler completely after removing the immersion probe from the metal melt and, gradually cooling down, remains at the bottom of the sealed tube below the inlet 16.
  • the lateral location of the lower filler hole allows us to avoid direct hydraulic impact of the liquid metal into the tube of the prozabornik during the melting of the protective cover, which
  • the quartz tube of the sampler is usually closed to prevent its destruction and the ingress of slag and impurities of metal oxides from the surface of the melt during the process of immersion of the probe into the vessel with the molten metal 11.
  • a refractory (for example, tungsten) electrode 17 of a certain length and diameter is installed inside the immersion probe. This electrode enters the tube of the sampler 14 and is shifted from the central axis to its upper side wall so as not to obscure the objective 18 of the optical system of the spectrometer, an overview of the plasma torch in the analytical gap. In this case, the end of the electrode 17 is located a few millimeters above the level of the lower edge of the side opening 15 of the tube
  • the immersion probe also contains a second external refractory electrode 19, which is a counter electrode and is located outside the sampling tube.
  • Lens 18 provides focusing and transmission of plasma radiation in the spark gap through the light guide 9 to the spectrometer input 8.
  • An inert gas (for example, argon) from the cylinder 6 is fed to the sampler through tube 7 and provides a purge
  • the immersion refractory probe 2 is lowered by a rod 1 to a predetermined depth in a container with molten metal 11 with a slope a at a certain angle a to the surface of the melt.
  • inert gas for example, argon
  • the immersion probe 2 is located on the rod 1 so that the output side opening 15 of the sampler tube is directed mainly upwards.
  • the protective cap worn on the sampler tube is melted and the liquid metal flows into the sampler tube through the bottom inlet 15 under the influence of ferrostatic pressure.
  • the level of the side opening 15 is reached, the further filling of the sampler tube with the metal stops. This occurs due to pressure compensation of molten metal flowing into the sampler.
  • the level of the sample of liquid metal in the sampler stabilizes at the level of the outlet side opening 15 and is almost independent of the depth of the probe in the molten metal within the required depth of measurement, since the difference in pressure of the liquid metal between the holes 15 and 16 is relative to is constant.
  • the magnitude of the spark analytical gap is determined by the shortest distance between the surface of the flowing sample of the liquid metal and the end of the electrode 17 in the sampler.
  • the relatively constant level of the surface of a sample of a melted molten metal inside the sampler provides for the excitation of a stable plasma torch, which allows an accurate quantitative optical emission spectral analysis of all chemical elements of the metal under investigation.
  • the immersion of the measuring probe with a sampler into the metallurgical vessel with molten metal is carried out to the depth necessary for accurate chemical analysis without the admixture of oxides and surface slag.
  • the electric-spark generator 3 After filling the tube of the sampler with liquid metal, the electric-spark generator 3 is put into operation, which supplies voltage pulses through cables 5 and discharger 4 to refractory electrodes 17 and 19. At the same time, the process begins
  • Counter electrode 19 provides
  • the plasma glow from the analytical gap is transmitted to the input of the spectrometer 8 through the lens 18 via a light guide 9 (optical fiber cable or optical tube).
  • the viewing angle of the plasma torch by the lens 18 in the spark gap of the sampler depends on the angle of inclination of the immersion probe relative to the level of the surface of the molten metal and can be selected by inclining the rod.
  • spectral lines which are then converted by the registration unit into electrical signals and transmitted to computer 10 for processing and analyzing the chemical composition of the metal being analyzed.
  • a certain residence time of the submersible refractory probe in the molten metal it is removed from the metallurgical vessel. This residence time of the probe in the molten metal should be sufficient to obtain and averaging a certain set of spectra,
  • a device is proposed. 3/3. This device uses the principle of overflow of excess metal through a hole 15 in its side wall into the cavity of a special refractory chamber 20 to stabilize the metal level in the sampler tube 14.
  • the refractory chamber 20 is a cardboard or ceramic tube closed from the lower end of the refractory
  • the internal cavity of the chamber is isolated from the molten metal and is connected to the atmosphere through a special opening 21, (conventionally shown in the figure) in the housing of the immersion probe 2.
  • a special opening 21 (conventionally shown in the figure) in the housing of the immersion probe 2.
  • the upper part of the sampling tube 14 with the side overflow hole 15 is located inside the cavity of the refractory chamber 20, and the lower end tube sampler 14 with input hole 16 comes out of the refractory chamber.
  • the inert purge gas which continuously enters the sampling tube from the immersion probe, freely enters the cavity of the submersible refractory chamber through the outlet overflow hole 15 and further into the atmosphere through a special internal opening 21 in the immersion probe, without exerting pressure on the flowing metal.
  • the flow rate of the molten metal into the sampler, and therefore, the time of spectral analysis of the metal sample can be adjusted using the cross-section size of the lower filling hole 16 and the capacity of the immersion hollow refractory chamber 20.
  • This device can also use the fill level sensor of the immersion chamber with the flowing liquid metal. This sensor generates a signal at a certain level of filling the immersion chamber with metal and allows you to timely remove the immersion probe from the vessel with the melt.
  • metal level sensors contact, inductive or other control devices can be used, which are not considered here.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

Изобретение относится к к области спектрального анализа химического состава черных и цветных металлов. Способ оптического эмиссионного спектрального анализа химического состава электропроводного расплава, включает в себя: погружение в расплав металла огнеупорного зонда с пробозаборником, формирование в нем пробы расплавленного металла за счет ферростатического давления, возбуждение на ее поверхности плазменного факела, передачу свечения плазмы по оптическому каналу на вход спектрометра, получение в нем спектра химических элементов расплава металла, обработку полученного спектра для оценки массовой доли химических элементов расплава. Причем, с целью повышения чувствительности и точности оптического эмиссионного спектрального анализа используется электроискровой способ возбуждения плазмы на пробе жидкого металла в среде потока инертного газа с помощью электрода искрового генератора, при этом стабильный уровень пробы жидкого металла в трубке пробозаборника поддерживается на уровне бокового отверстия в средней части ее стенки за счет компенсации ферростатического давления расплава металла динамическим давлением потока инертного газа. Технический результат заключается в повышении точности спектрального анализа электропроводных расплавов и повышении надежности устройства возбуждения плазмы.

Description

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА
ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА РАСПЛАВЛЕННЫХ МЕТАЛЛОВ
Изобретение относится к области спектрального анализа химического состава чёрных и цветных металлов и может использоваться в металлургических цехах для текущего контроля производства расплавленных (жидких) электропроводных материалов непосредственно в плавильных агрегатах.
ОБЪЕКТ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Объектом изобретения является способ оптического эмиссионного спектрального анализа металлов с возбуждением высокотемпературной плазмы в инертной газовой среде непосредственно на расплавленном металле электроискровым методом и устройство погружного огнеупорного зонда, обеспечивающего формирование и удержание в пробозаборнике на заданном уровне пробы расплавленного металла. При этом, устройство для спектрального анализа содержит огнеупорный погружной зонд с пробозаборником и встроенными электродами, жезл-манипулятор, электроискровой генератор с кабелями подключения электродов, баллон со сжатым инертным газом и каналом подачи газа в пробозаборник, оптическую систему со световодом, спектрометр и компьютер для управления и обработки полученных спектров.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Спектральный анализ химического состава различных материалов широко применяется в промышленности и, в частности, в области металлургии при выплавке, например стали, чугуна или алюминия. Обычно в используемых на практике способах спектрального анализа требуется отбор образца (пробы) металла из плавильного агрегата, который потом охлаждают, механически обрабатывают и затем подвергают различным аналитическим процедурам. Для анализа химического состава металлов атомная эмиссионная спектрометрия представляет собой наиболее часто
используемый способ, поскольку она может быть выполнена достаточно быстро, требует небольшой работы при подготовке образцов и обеспечивает возможность одновременного определения большого числа химических компонентов. Эмиссионная спектрометрия основана на том, что локальный участок поверхности материала, подлежащего анализу, нагревают каким-либо способом до такой температуры, при которой достигается ионизация вещества, из которого он состоит. Затем испускаемое плазмой излучение анализируют в спектрометре, в котором это излучение
разделяется на различные длины волн, соответствующие имеющимся в материале элементам вещества. Оборудование для анализа различных материалов с помощью эмиссионной спектрометрии представляет собой либо лабораторное стационарное оборудование, либо портативную передвижную аппаратуру. Имеется различие между спектрометрами различных типов, по устройству оптической схемы и способу
разложения анализируемого излучения в спектр, а также устройству системы
регистрации спектральных линий. Самые распространенные системы регистрации спектра в рассматриваемой области снабжены фотоумножителями или системами приборов с зарядовой связью (ПЗС) или КМОП-структурами (комплементарными структурами металл-оксид-полупроводников). Экономический интерес к способу спектрометрического анализа различных материалов достаточно велик, поскольку такой анализ обычно используют в
промышленности, где он обеспечивает возможность отслеживания, управления и контроля всей цепочки технологии производства материалов. Однако, существующие способы и устройства спектрального анализа затрачивают на эту процедуру достаточно много времени, которое может измеряться десятками минут. В условиях действующего непрерывного плавильного производства каждая минута простоя в ожидании результатов анализа влечёт значительные финансовые потери. Поэтому, необходимость обеспечения рентабельности процесса производства, естественно, делает необходимым поиск наиболее простых и наиболее быстрых способов исследования материалов, которые соответственно являются наименее затратными. Поэтому достаточно очевиден интерес к оперативному измерению химического состава выплавляемых материалов
непосредственно в плавильном резервуаре. В этом случае время определения
химического состава жидкого расплава может составить всего несколько десятков секунд.
В процессе патентного поиска были исследованы несколько опубликованных способов и устройств оптического эмиссионного спектрального анализа химического состава расплавленных (жидких) материалов, за исключением способов с отбором и охлаждением образцов (твердых) проб.
Из патента US 4995723 В2 известен способ, основанный на измерении эмиссионного спектра расплавленного в металлургической ёмкости материала, возбуждаемого лазерным излучением, который включают подведение лазерного луча и получение анализируемого излучения через отверстие в боковой или нижней стенке ёмкости с расплавом. При этом расплав удерживается от вытекания через отверстие путём подачи через это отверстие сжатого инертного газа аргона.
Из патента WO 03/081287 А2 известен способ анализа расплавленных материалов, в частности, алюминия, с помощью погружного зонда в виде трубы. Открытый конец трубы погружен в расплавленный алюминий. Внутри несущей трубы находится система линз. На верхнем конце трубы оптическое волокно подключено через оптическую систему, с одной стороны, к спектрографу, а с другой стороны к лазеру. Излучение, возбуждаемое лазером в расплаве, направляется через оптическое волокно к спектрографу и там анализируется с целью получения аналитических результатов химического состава расплавленного алюминия.
Из патента US 7365841 В2 известен способ и устройство для анализа расплавленного материала с помощью с помощью одноразового погружного датчика. При этом, в датчике находится некий чувствительный элемент имеющий эмиссионный спектрометр, устройство возбуждения расплавленного материала и устройство передачи информации. Датчик обспечивает генерирование излучения для анализа с помощью спектрометра, находящегося в чувствительном элементе. Чувствительный элемент приводится в контакт с расплавленным материалом и передает информацию со спектрометра на внешнее устройство.
Из патента US 7748258 В2 известен способ получения и формирования пробы расплавленного материала путём его затекания через трубку в ёмкость погруженного в расплав пробоотборника. При этом возбуждение плазмы на затекающем в
пробоотборник жидком материале предлагается производить с помощью лазерного излучения.
Из патента WO 2007012440 А1 известен способ анализа жидкого металла в котором лазерный луч направляется в емкость с расплавом металла через несущую трубу, погруженную открытым концом в расплав. И в том месте, где лазерный луч встречается с поверхностью жидкого металла, примеси на его поверхности удаляются продувкой потоком инертного газа.
Из патента US 20030197125 А1 известны способы возбуждения плазмы на
расплавленных материалах с помощью различных методов, включая лазерный, рентгеновский и электроискровой, которые предусматривают надувание пузыря в среде жидкого материала сжатым инертным газом через погружной зонд. При этом,
стабильность уровня внутренней поверхности жидкого металла в пузыре предлагается контролировать с помощью специальных датчиков, связанных с системой регулирования подачи инертного газа. Однако, такая система очень сложна и трудно реализуема на практике, особенно при быстром изменении параметров погружения, температуры или вязкости расплава, когда поверхность газового пузыря в жидком металле будет
колебаться.
В большинстве известных способов спектрального анализа металлов в расплавленном (жидком) состоянии используется возбуждение плазмы на объекте контроля с помощью лазерного луча. В результате этого объект испускает наведенное таким образом излучение, которое и подлежит анализу эмиссионным спектрометром. При этом, спектрометрическое оборудование должно быть достаточно удалено от раскаленного металла, подлежащего анализу, в соответствии с практическими возможностями его применения в рабочих условиях сталелитейного завода. Излучение, исходящее от объекта анализа может быть направлено к спектрометру различными способами, например по оптоволоконному кабелю, световоду с зеркалами и т.д. Для возбуждения эмиссионного спектра предлагается использовать лазерную систему с различным оптическим оборудованием для направления лазерного луча на расплавленный материал. При этом, данное оборудование, как правило, необходимо располагать над объектам анализа, например над ковшом с расплавленным металлом в конвертере. Из практики промышленного производства можно установить, что окружающие условия вблизи мест для производства расплавленных металлов, подобных сталеплавильному заводу, являются очень агрессивными по отношению к измерительным устройствам,
используемым для их контроля. При этом оптические устройства являются особенно чувствительными к этим факторам. Это приводит к тому, что использование лазерного оборудования может являться причиной возникновения различных технических проблем. Кроме того, любая разработка, связанная с применением в металлургической промышленности лазерного оборудования, достаточно дорога в эксплуатации и часто предрасположена к сбоям, несчастным случаям и низкой надежности в условиях высоких температур, сильной задымлённости и запыленности атмосферы.
Кроме того, лазерные способы спектрального анализа обладают такими недостатками, как низкая точность анализа вследствие нестабильности возбуждаемой лазером плазмы. Также, в процессе образования лазерной плазмы вследствие испарения материала наряду с атомами и молекулярными частицами в факеле присутствуют и мелкие раскалённые частицы вещества образца. Последние создают в спектре лазерного факела достаточно сильное фоновое излучение, которое зачастую не позволяет использовать этот спектр для аналитических целей. Кроме того, сильная температурная
неоднородность факела лазерной плазмы приводит к тому, что спектральные линии элементов имеют очень широкие и даже самообращенные контуры излучения. В силу названных причин спектр излучения лазерного факела практически не используется в промышленном спектральном анализе.
С другой стороны, электроискровой способ возбуждения плазмы для спектрального анализа металлов является более стабильным, надёжным, простым и широко
применяется на практике в настоящее время в большинстве промышленных
аналитических приборов. Возбуждение плазменного факела с помощью электроискрового разряда позволяет обеспечить высокую чувствительность и точность спектрального анализа, необходимую для определения даже самых малых концентраций химических элементов в составе исследуемых металлов. Точность спектрального анализа в существующих электроискровых анализаторах спектра в десятки раз больше, чем при использовании лазерных спектрометров, например, типа LIBS. Кроме того, оборудование искрового генератора менее дорогое и более надёжное, чем лазерное, достаточно простое в реализации, долговечное в эксплуатации и хорошо отработано на практике. Поэтому, очевидно целесообразно использовать электроискровой способ для
возбуждения плазмы на расплавленных металлах. При этом, появляется возможность определять в составе расплава не только массовую долю химических элементов металла, но также состав и концентрацию растворенных в нем газов, например, кислорода, водорода и азота.
В качестве прототипа настоящего изобретения выбран способ спектрального анализа металлического расплава, описанный в патенте RU 2273841. Известный способ
спектрального анализа элементов металлического расплава в плавильном резервуаре включает погружение огнеупорного зонда в расплав, возбуждение лазерного луча, проведение лазерного луча через систему линз и зеркал, создание плазмы путем наведения лазерного луча через кварцевое стекло на поверхность расплавленного металла, направление света, созданного плазмой, через кварцевое стекло, систему линз и световоды в спектрометр, использование компьютера для анализа полученных
спектральных линий. В процессе погружения зонда сверху в ёмкость с расплавом металла, жидкую пробу анализируемого расплава формируют за счет ферростатического давления, а также в процессе вакуумирования расплава внутри огнеупорной трубки или втулки или внутри стандартного пробоотборника, заключенных в погружном блоке зонда, во внутреннее пространство которого, для уравновешивания ферростатического давления расплава, подают инертный газ под статическим давлением, регулируя которое, получают требуемую форму и уровень расплавленного металла в огнеупорной трубке или втулке или в стандартном пробоотборнике.
Прототип обладает следующими недостатками. Как уже указывалось выше,
используемый здесь лазерный способ возбуждения жидкого расплава приводит к неоднородному выбросу вещества материала образца при его интенсивном взрывном испарении в лазерном луче, что приводит к пространственной неоднородности и нестабильности свечения плазменного факела. Это ведет к различной интенсивности свечения в спектральных линиях и, как следствие, к различным данным количественного спектроанализа при повторных реализациях (т.е. нерепрезентативности результатов). Как показывает опыт, различия в показаниях количественного анализа могут достигать десятки и даже сотни процентов (могут отличаться в несколько раз).
Раскрытие изобретения
Целью изобретения является повышение чувствительности и точности спектрального анализа химического состава жидких электропроводных расплавов и упрощение оборудования системы возбуждения плазмы.
Указанная цель достигается тем, что для проведения оптического эмиссионного спектрального анализа химического состава жидкого металлического расплава вместо лазерного используется электроискровой способ возбуждения плазмы на поверхности пробы расплавленного ( жидкого) металла. Способ предусматривает погружение в металлургическую ёмкость с расплавом металла, например, в ковш, печь или конвертор, огнеупорного погружного зонда с пробозаборником, в который под действием ферростатического давления затекает проба жидкого металла, удержание в пробозаборнике стабильного уровня пробы жидкого металла за счёт потока инертного газа, возбуждение высокотемпературной плазмы на поверхности этой пробы с помощью электрода электроискрового генератора и передачу излучения плазмы на спектрометр с помощью оптической системы. При этом погружной зонд может опускаться в
металлургическую ёмкость на заданную глубину и с наклоном под некоторым углом к поверхности расплава при помощи ручного жезла(при ручном контроле) или жезла манипулятора (при автоматизированном контроле).
В оптическом эмиссионном спектральном анализе с электроискровым способом возбуждения плазмы очень важное значение имеет постоянство зазора между
электродом искрового генератора и поверхностью пробы анализируемого металла.
Постоянный искровой зазор обеспечивает стабильность плазменного факела в
аналитическом промежутке и, как следствие, точность спектрального анализа
химического состава анализируемой пробы металла. Поэтому, предлагаемый в настоящем изобретении способ спектрального анализа расплавленного металла предусматривает различные способы и устройства для создания стабильного уровня жидкой пробы металла относительно конца электрода искрового генератора. При этом учитывается необходимость постоянной продувки зоны искрового зазора инертным газом, например, аргоном, для поддержания благоприятных условий горения плазмы в канале искрового пробоя и вытеснения остатков воздуха в аналитическом промежутке.
Согласно настоящему изобретению, предлагаемый способ оптического эмиссионного спектрального анализа электропроводного расплава с электроискровым возбуждением плазмы предусматривает погружение в ёмкость с расплавом металла огнеупорного зонда с пробозаборником. Погружение зонда в расплавленный металл производится при помощи специального металлического жезла, внутри которого установлены оптическая головка со световодом, кабели подключения электродов искрового генератора и трубка подачи инертного газа в пробозаборник. В качестве пробозаборника жидкого металла используется огнеупорная ( кварцевая или керамическая) трубка, верхнее торцевое отверстие которой соединено с отверстием погружного зонда. Данная трубка имеет в средней части своей стенки, по крайней мере, одно сквозное боковое отверстие, расположенное на некотором расстоянии от нижнего конца трубки. Нижнее отверстие трубки предназначено для затекания в неё жидкого металла. При использовании трубки с закрытым (запаянным) нижним торцом (типа пробирки) заливное отверстие
располагается на боковой стенке у нижнего конца трубки. При погружении зонда в расплав металла через нижнее отверстие трубки пробозаборника происходит затекание в неё жидкого металла под действием ферростатического давления. С другой стороны в трубку пробозаборника через её верхнее торцевое отверстие из погружного зонда подаётся инертный газ, например, аргон, под небольшим избыточным давлением.
Жидкий металл при погружении зонда в ёмкость с расплавом затекает в трубку пробозаборника через её нижнее отверстие и доходит до уровня бокового отверстия трубки, где его уровень останавливается и стабилизируется в результате
уравновешивания ферростатического давления расплава, с одной стороны, и
динамического давления потока поступающего инертного газа, с другой стороны. Этот газ выходит в виде пузырьков через боковое отверстие в стенке трубки пробозаборника непосредственно в среду жидкого металла в ёмкости с расплавом. При этом, уровень жидкого металла в пробозаборнике остаётся относительно постоянным на уровне бокового отверстия в достаточно широких пределах глубины погружения зонда в расплав металла. Это происходит в силу постоянной разницы в давлениях среды жидкого металла между нижним заливным и боковым отверстиями, поскольку расстояние между ними не изменяется. При этом, давление инертного газа, подающегося в трубку пробозаборника, должно быть несколько выше ферростатического давления расплава на уровне бокового отверстия трубки пробозаборника. Таким образом, это позволяет обеспечить стабильный уровень пробы жидкого металла в трубке пробозаборника на уровне ее бокового отверстия и, тем самым, обеспечить стабильный зазор между электродом искрового генератора и поверхностью пробы жидкого металла.
Электрод искрового генератора устанавливается в трубке пробозаборника на расстоянии нескольких миллиметров выше уровня бокового отверстия. Это расстояние определяется требуемой величиной искрового зазора и выбирается в зависимости от наилучших условий возбуждения плазменного факела. Обычно, в большинстве существующих лабораторных оптико- эмиссионных спектроанализаторах, использующих твердые пробы металла для спектрального анализа химического состава в аргоновой среде, рабочий искровой зазор (аналитический промежуток) между поверхностью пробы и концом электрода составляет порядка нескольких миллиметров.
Для обеспечения электрического контакта пробы расплавленного металла, затёкшей внутрь трубки пробозаборника, с электроискровым генератором используется второй электрод (противоэлектрод), который установливается на погружном зонде снаружи пробозаборника. При погружении зонда в ёмкость с расплавом металла этот электрод обеспечивает электрический контакт с пробой расплавленного металла в трубке пробозаборника через среду электропроводного расплава в плавильном агрегате.
Для обеспечения удобства измерения и более лучших условий наблюдения плазменного факела в искровом промежутке погружной огнеупорный зонд с помощью жезла может опускается в расплав металла с наклоном на некоторый угол к уровню его поверхности. Наклон жезла со встроенной оптической системой обеспечивает
возможность наблюдения плазменного факела под некоторым углом сбоку, поскольку в этом случае оптическая ось системы наблюдения плазмы будет проходить через боковую сторону плазменного факела. Кроме того, электрод искрового генератора
устанавливается внутри трубки пробозаборника со смещением от оси трубки к её верхней стенке, чтобы не затенять оптической системе спектрометра обзор плазменного факела в аналитическом промежутке. При этом, трубку пробозаборника желательно
ориентировать так, чтобы боковое отверстие, предназначенное для выхода инертного газа, было направлено преимущественно в верхнюю полусферу.
Согласно настоящему изобретению, предлагается дополнительный способ
оптического эмиссионного спектрального анализа электропроводного расплава, в котором стабилизация уровня пробы жидкого металла в пробозаборнике обеспечивается с помощью перелива излишнего металла в полую камеру. Пробозаборник представляет собой огнеупорную (кварцевую или керамическую) трубку имеющую на своей стенке, как минимум, одно боковое сквозное отверстие. Верхнее торцевое отверстие трубки пробозаборника соединено с отверстием огнеупорного погружного зонда, а часть трубки с выходным боковым (переливным) отверстием находится внутри полой огнеупорной камеры, которая также соединена с погружным зондом. Нижний конец трубки
пробозаборника с нижним (заливным) отверстием выходит наружу полой камеры.
Внутренняя полость данной огнеупорной камеры изолирована от расплава металла и связана с атмосферой через специальное отверстие в погружном зонде. При погружении зонда с полой огнеупорной камерой в ёмкость с расплавом металла через нижнее заливное отверстие трубки пробозаборника происходит затекание в неё расплавленного металла под действием ферростатического давления. При достижении уровня
затекающего металла бокового отверстия трубки пробозаборника происходит перелив б излишнего жидкого металла через это отверстие во внутрь полой камеры. Таким образом, на уровне бокового отверстия трубки пробозаборника останавливается и стабилизируется уровень постоянно затекающего в неё расплавленного металла. При этом, электрод искрового генератора располагается в трубке пробозаборника на несколько миллиметров выше уровня жидкого металла и возбуждает плазменный факел, свечение которого передаётся в спектрометр с помощью встроенной в жезл оптической системы. Период времени спектрального анализа можно регулировать скоростью затекания жидкого металла в трубку пробозаборника путём изменения размера сечения нижнего заливного отверстия трубки, а также емкостью полой переливной камеры. При этом, инертный продувочный газ, поступающий в трубку пробозаборника из погружного зонда, свободно выходит через это же боковое переливное отверстие в полость камеры и далее в атмосферу через специальное отверстие в погружном зонде. Кроме того, данный способ спектрального анализа со стабилизацией уровня жидкого металла с помощью перелива позволяет получить твёрдую пробу металла, который затекает и остаётся в переливной камере после извлечения зонда из емкости с расплавом.
Краткое описание чертежей
1. Fig. 1/3 - Общий схематический вид устройства для спектрального анализа
металлического расплава в плавильном резервуаре.
2. Fig. 2/3 - Вид погружного зонда с пробозаборником в разрезе в процессе
измерения спектра расплава с газовой стабилизацией уровня жидкого металла.
3. Fig. 3/3 - Вид погружного зонда с пробозаборником в разрезе в процессе
измерения спектра расплава с переливом жидкого металла в полую камеру.
Осуществление изобретения
Согласно настоящему изобретению, предлагается устройство для осуществления спектрального анализа расплавленного металла, общий вид которого схематично представлен на Fig. 1/3. В состав данного устройства для входят: металлический жезл 1, погружной огнеупорный зонд 2, электроискровой генератор 3 с разрядником 4 и электрическими соединительными кабелями 5, баллон со сжатым инертным газом б, трубка 7 для подачи инертного газа в погружной зонд 2, спектрометр 8 со световодом 9 , а также компьютер 10 для управления процессом измерений и обработки полученных спектров. Погружной огнеупорный зонд 2 перед измерением надевается на
металлический жезл 1 и в процессе погружения в ёмкость с электропроводным
металлическим расплавом 11 обеспечивает забор пробы жидкого металла в
пробозаборник и защиту находящихся в жезле кабелей и оптических устройств от воздействия высокой температуры и агрессивной среды расплава.
Вариант устройства погружного огнеупорного зонда для спектрального анализа расплавленного металла схематично показан в разрезе на Fig. 2/3. Согласно настоящему изобретению огнеупорный зонд 2 представляет собой картонную или керамическую трубку 12, в которую запрессована керамическая или песчаная втулка 13. В данную керамическую втулку встроен огнеупорный пробозаборник 14, который представляет собой кварцевую или керамическую трубку или колбу с двумя отверстиями. Отверстие 15 в боковой стенке предназначено для выхода инертного газа, подающегося в трубку пробозаборника через газопроводную трубку 7. На некотором расстоянии ниже выходного отверстия 15 в пробозаборнике расположено отверстие 16, через которое расплавленный металл затекает в трубку пробозаборника под воздействием ферростатического давления. Это отверстие 16 может быть расположено как на нижнем торце трубки пробозаборника 14, так и на боковой стенке в конце трубки, если у трубки закрыто (запаяно) дно. Трубка пробозаборника с закрытым дном позволяет получить твердую пробу металла для последующего анализа в условиях лаборатории, поскольку жидкий металл полностью не вытекает из пробозаборника после извлечении погружного зонда из ёмкости с расплавом металла и, постепенно остывая, остаётся на дне запаянной трубки ниже входного отверстия 16. Кроме того, боковое расположение нижнего заливного отверстия позволяет избежать прямого гидравлического удара жидкого металла в трубку прозаборника при расплавлении лакозащитного колпачка, которым обычно закрывается кварцевая трубка пробозаборника для исключения её разрушения и попадания в неё шлака и примесей окислов металла с поверхности расплава в процессе погружения зонда в ёмкость с расплавом металла 11.
Внутри погружного зонда установлен тугоплавкий (например, вольфрамовый) электрод 17, определённой длины и диаметра. Данный электрод заходит внутрь трубки пробозаборника 14 и смещен от центральной оси к её верхней боковой стенке, чтобы не затенять объективу 18 оптической системы спектрометра обзор плазменного факела в аналитическом промежутке. При этом, конец электрода 17 располагается на несколько миллиметров, выше уровня нижней кромки бокового отверстия 15 трубки
пробозаборника в соответствии с требуемой величиной искрового зазора до поверхности пробы жидкого металла. Погружной зонд также содержит второй внешний тугоплавкий электрод 19, который является противоэлектродом и находится снаружи пробозаборной трубки. Объектив 18 обеспечивает фокусировку и передачу излучения плазмы в искровом зазоре через световод 9 на вход спектрометра 8. Инертный газ (например, аргон) из баллона 6 подается в пробозаборник по трубке 7 и обеспечивает продувку
аналитического искрового промежутка между поверхностью затёкшего в пробозаборник жидкого металла и концом электрода 17. При этом, выход инертного газа, поступающего в пробозаборник из трубки 7 под небольшим избыточным давлением, происходит через боковое отверстие 15 непосредственно в среду металлического расплава 11.
Согласно настоящему изобретению, принцип работы данного устройства
спектрального анализа расплавленного металла заключается в следующем (смотри
Fig.1/3, Fig.2/3). Погружной огнеупорный зонд 2 с помощью жезла 1 опускается на заданную глубину в емкость с расплавленным металлом 11 с наклоном на некоторый угол а к поверхности расплава. В процессе погружения инертный газ (например, аргон) из баллона 6 под небольшим избыточным давлением непрерывно подаётся по
газопроводной трубке 7 в пробозаборник 14 через центральное отверстие керамической втулки 13 погружного зонда. Далее этот газ выходит через отверстие 15 в боковой стенке трубки пробозаборника 14 в виде пузырьков непосредственно в среду жидкого металла 11. При этом, погружной зонд 2 располагается на жезле 1 так, чтобы выходное боковое отверстие 15 трубки пробозаборника было направлено преимущественно вверх. После погружения зонда 2 на заданную глубину защитный колпачок, надетый на трубку пробозаборника, расплавляется и жидкий металл под действием ферростатического давления затекает в трубку пробозаборника через нижнее входное отверстие 16. При достижении уровня жидкого металла уровня бокового отверстия 15 дальнейшее заполнение трубки пробозаборника металлом прекращается. Это происходит в силу компенсации давления затекшего в пробозаборник расплавленного металла
динамическим давлением потока инертного газа, непрерывно поступающего в
пробозаборник из газопроводной трубки 7 и выходящего в среду расплава через верхнее боковое отверстие пробозаборника 15. При этом, уровень пробы жидкого металла в пробозаборнике стабилизируется на уровне выходного бокового отверстия 15 и практически не зависит от глубины погружения зонда в расплав металла в пределах требуемых глубин измерений, поскольку разница в давлении жидкого металла между отверстиями 15 и 16 относительно постоянна. При заданном угле наклона а погружного зонда относительно уровня расплава величина искрового аналитического промежутка определяется по кратчайшему расстоянию между поверхностью затёкшей пробы жидкого металла и концом электрода 17 в пробозаборнике. Относительно постоянная величина уровня поверхности пробы затёкшего расплавленного металла внутри пробозаборника обеспечивает возбуждение стабильного плазменного факела, что позволяет проводить точный количественный оптико-эмиссионный спектральный анализ всех химических элементов исследуемого металла. Погружение измерительного зонда с пробозаборником в металлургическую ёмкость с расплавленым металлом осуществляют на глубину, необходимую для точного химического анализа без примесей окислов и поверхностного шлака.
После заполнения трубки пробозаборника жидким металлом в включается в работу электроискровой генератор 3, который подаёт импульсы напряжения через кабели 5 и разрядник 4 на тугоплавкие электроды 17 и 19. При этом начинается процесс
искрообразования и возбуждения плазмы на поверхности жидкого металла в трубке пробозаборника с помощью электрода 17. Противоэлектрод 19 обеспечивает
электрический контакт искрового генератора с пробой металла в пробозаборнике через среду электропроводного расплава 11. Во время искрового разряда свечение плазмы из аналитического промежутка передается на вход спектрометра 8 через объектив 18 по световоду 9 (оптоволоконному кабелю или оптическую трубу). При этом, угол обзора плазменного факела объективом 18 в искровом промежутке пробозаборника зависит от угла наклона а погружного зонда относительно уровня поверхности расплавленного металла и может выбираться путём наклона жезла. Переданное по световоду 9 на вход спектрометра 8 излучение плазмы преобразуется в его оптической системе в
спектральные линии, которые далее преобразуются блоком регистрации в электрические сигналы и передаются на компьютер 10 для обработки и анализа химического состава анализируемого металла. По истечение определённого времени пребывания погружного огнеупорного зонда в расплавленном металле, его извлекают из металлургической емкости. Этого времени нахождения зонда в расплавленном металле должно быть достаточно для получения и усреднения определённого множества спектров,
позволяющих измерить точный состав и массовую долю химических элементов анализируемого металла.
Согласно настоящему изобретению для осуществления дополнительного способа оптического спектрального анализа электропроводных расплавов с электроискровым возбуждением плазмы, предлагается устройство Fig. 3/3. В этом устройстве для стабилизации уровня металла в трубке пробозаборника 14 используется принцип перелива излишнего металла через отверстие 15 в её боковой стенке в полость специальной огнеупорной камеры 20. Огнеупорная камера 20 представляет собой картонную или керамическую трубу закрытую с нижнего конца огнеупорной
керамической или песчаной пробкой. Внутренняя полость камеры изолирована от расплава металла и связана с атмосферой через специальное отверстие 21, (условно показанное на рисунке) в корпусе погружного зонда 2. При этом верхняя часть трубки пробозаборника 14 с боковым переливным отверстием 15 находится внутри полости огнеупорной камеры 20, а нижний конец трубки пробозаборника 14 со входным отверстием 16 выходит наружу огнеупорной камеры.
Принцип работы данного устройства заключается в следующем. После погружения огнеупорного зонда 2 с помощью жезла 1 в расплав с жидким металлом 11 на
определённую глубину проба расплавленного металла 22, затекает в пробозаборную трубку 14 через нижнее заливное отверстие 16 и под действием ферростатического давления поднимается до уровня верхнего выходного отверстия 15. Через это отверстие излишний металл из трубки пробозаборника в течение определённого времени вытекает в полость огнеупорной камеры 20. При этом, уровень жидкого металла в трубке пробозаборника временно стабилизируется на уровне выходного отверстия 15. В этот период времени происходит возбуждение плазмы на поверхности жидкого металла, затекающего в трубку пробозаборника, с помощью внутреннего электрода 17. Внешний электрод 19 обеспечивает электрический контакт с электродом 17 через среду
электропроводного расплава. За счёт перелива излишнего металла в течение некоторого времени сохраняется относительно стабильная величина разрядного промежутка между концом электрода 17 и поверхностью жидкого металла, непрерывно затекающего в пробозаборник. В данном случае, инертный продувочный газ, непрерывно поступающий в трубку пробозаборника из погружного зонда, свободно выходит в полость погружной огнеупорной камеры через выходное переливное отверстие 15 и далее в атмосферу через специальное внутреннее отверстие 21 в погружном зонде, не оказывая давления на затекающий металл. Скорость затекания расплавленного металла в пробозаборник, а с едовательно, время спектрального анализа пробы металла можно регулировать с помощью размера сечения нижнего заливного отверстия 16 и ёмкостью погружной полой огнеупорной камеры 20. В данном устройстве также можно использовать датчик уровня заполнения погружной камеры затекающим жидким металлом. Этот датчик выдает сигнал при определенном уровне заполнения погружной камеры металлом и позволяет своевременно вынуть погружной зонд из емкости с расплавом. В качестве датчиков уровня металла могут использоваться контактные, индуктивные или другие устройства контроля, которые здесь не рассматриваются.
Источники информации
1. Патент US 4995723 В2.
2. Патент WO 03/081287 А2.
3. Патент US 7365841 В2.
4. Патент US 7748258 В2.
5. Патент WO 2007012440 А1
6. Патент US 20030197125 А1
7. Патент RU 2273841

Claims

Формула изобретения.
1. Способ оптического эмиссионного спектрального анализа химического состава электропроводного расплава, включающий погружение в расплав металла огнеупорного зонда с пробозаборником, формирование в нём пробы расплавленного металла за счёт ферростатического давления, возбуждение на её поверхности плазменного факела, передачу свечения плазмы по оптическому каналу на вход спектрометра, получение в нём спектра химических элементов расплава металла, обработку полученного спектра в компьютере для оценки состава и массовой доли химических элементов расплава
отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности и точности оптического эмиссионного спектрального анализа используется электроискровой способ возбуждения плазмы на пробе жидкого металла в среде потока инертного газа с помощью электрода искрового генератора, расположенного в трубке пробозаборника на расстоянии разрядного аналитического промежутка над поверхностью затёкшей в неё пробы расплавленного металла, которая электрически соединена через среду металлического расплава с противоэлектродом искрового генератора, при этом стабильный уровень пробы жидкого металла в трубке пробозаборника поддерживается на уровне бокового отверстия в средней части её стенки за счёт компенсации ферростатического давления расплава металла динамическим давлением потока инертного газа, который непрерывно подаётся в трубку пробозаборника из погружного зонда и выходит через это боковое отверстие
непосредственно в среду расплава.
2. Способ, по п. 1, отличающийся тем, что стабилизация уровня жидкого металла, затекающего в трубку пробозаборника через нижнее отверстие, обеспечивается на уровне бокового отверстия в стенке трубки за счёт перелива через него излишнего жидкого металла в окружающую трубку полую огнеупорную камеру, полость которой изолирована от среды расплава и связана с атмосферой.
3. Способ, по п. 1, 2 отличающийся тем, что в процессе измерения спектра огнеупорный зонд с пробозаборником погружается с помощью жезла в расплав металла с наклоном под некоторым углом к его поверхности, при котором оптическая ось объектива световода проходит под этим углом через боковую сторону плазменного факела, возбуждаемого электродом на поверхности пробы жидкого металла в пробозаборнике, а сам электрод искрового генератора смещён от оси трубки пробозаборника к верхнему сегменту её стенки.
4. Устройство для спектрального анализа расплавленного металла в плавильном резервуаре, включающее: погружной огнеупорный зонд с пробозаборником, устройство подачи инертного газа в пробозаборник, оптическую систему со световодом, спектрометр и компьютер, отличающийся тем, что в состав устройства входит электроискровой генератор с разрядником и подключенными к его выходам электродами, при этом огнеупорный пробозаборник выполнен в виде кварцевой или керамической трубки, которая верхним торцевым отверстием соединена с погружным зондом со встроенной оптической системой и устройством подачи инертного газа, а сама трубка пробозаборника имеет по крайней мере, одно отверстие, в средней части боковой стенки для выхода инертного газа, а также имеет по крайней мере, одно отверстие в нижней части для затекания в неё жидкого металла, кроме того погружной зонд содержит два тугоплавких электрода, один из которых установлен в трубке пробозаборника на расстоянии разрядного промежутка выше бокового отверстия в средней части трубки и смещён от центра к её стенке, а второй электрод находится снаружи пробозаборника.
11
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что часть трубки пробозаборника погружного зонда с одним, крайней мере, боковым отверстием в её стенке и встроенным электродом, находится внутри полой огнеупорной камеры, а нижняя часть трубки пробозаборника с отверстием для затекания жидкого металла выходит наружу полой камеры, причём, полость огнеупорной камеры изолирована от среды расплава и связана с атмосферой через специальное отверстие в погружном зонде.
6. Устройство, по п. 4,5 отличающийся тем, что в трубке пробозаборника нижнее центральное торцевое отверстие закрыто или запаяно, а отверстие для затекания жидкого металла, по крайней мере одно, расположено в нижней части её боковой стенки, при этом, размеры сечения данного отверстия определяют скорость затекания жидкого металла в трубку пробозаборника.
12
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
PCT/RU2018/000433 2017-07-05 2018-06-29 Способ и устройство для спектрального анализа химического состава расплавленных металлов WO2019009765A1 (ru)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/626,898 US10830705B2 (en) 2017-07-05 2018-06-29 Method and device for spectral analysis of a chemical composition of molten metals
EP18828897.1A EP3650841A4 (en) 2017-07-05 2018-06-29 METHOD AND DEVICE FOR SPECTRAL ANALYSIS OF THE CHEMICAL COMPOSITION OF FUSION METALS

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017123732 2017-07-05
RU2017123732A RU2664485C1 (ru) 2017-07-05 2017-07-05 Способ спектрального анализа химического состава расплавленных металлов и устройство для его осуществления

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019009765A1 true WO2019009765A1 (ru) 2019-01-10

Family

ID=63177353

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2018/000433 WO2019009765A1 (ru) 2017-07-05 2018-06-29 Способ и устройство для спектрального анализа химического состава расплавленных металлов

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10830705B2 (ru)
EP (1) EP3650841A4 (ru)
RU (1) RU2664485C1 (ru)
WO (1) WO2019009765A1 (ru)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3757543B1 (en) * 2018-03-30 2023-08-09 JFE Steel Corporation Fine ratio measuring devices, fine ratio measuring system, blast furnace operating method, and fine ratio measuring methods
CN111610179B (zh) * 2020-05-20 2021-06-25 北京科技大学 用于炉前高温样品成分libs快速检测的系统及方法
RU208779U1 (ru) * 2021-07-18 2022-01-13 Общество с ограниченной ответственностью ""МЕЛТИКОНТ" Контактный блок жезла спектрометрического устройства
RU208018U1 (ru) * 2021-07-18 2021-11-29 Общество с ограниченной ответственностью «МЕЛТИКОНТ» Погружной спектральный зонд

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4995723A (en) 1988-10-03 1991-02-26 Fried. Krupp Gesellschaft Mit Beschrankter Haftung Method and apparatus for optically coupling an element analysis system and a laser to liquid metal in a melting vessel
US5699155A (en) * 1993-07-26 1997-12-16 Kawasaki Steel Corporation Emission spectral analysis method and instrument therefor
WO2003081287A2 (en) 2002-03-18 2003-10-02 Mississippi State University Fiber optic laser-induced breakdown spectroscopy sensor for molten material analysis
US20030197125A1 (en) 2002-04-19 2003-10-23 Robert De Saro Apparatus and method for in situ, real time measurements of properties of liquids
RU2252412C2 (ru) * 2003-01-29 2005-05-20 Самойлов Валентин Николаевич Способ эмиссионного спектрального анализа состава вещества и устройство для его осуществления
RU2273841C1 (ru) 2004-11-01 2006-04-10 ООО "Компания "Нординкрафт" Способ спектрального анализа элементов металлического расплава в плавильном резервуаре и устройство для его осуществления
WO2007012440A1 (en) 2005-07-26 2007-02-01 Aleris Switzerland Gmbh Method for analyzing liquid metal and device for use in this method
RU2319137C1 (ru) * 2006-05-15 2008-03-10 Государственное учреждение Научно-исследовательский институт фармакологии Сибирского отделения Российской Академии медицинских наук Способ спектрального анализа химического состава вещества
US7365841B2 (en) 2003-12-17 2008-04-29 Heraeus Electro-Nite International N.V. Method for analysis of a molten material, device and immersion sensor
US7748258B2 (en) 2006-10-06 2010-07-06 Heraeus Electro-Nite International N.V. Immersion lance for analysis of melts and liquids
RU2408871C2 (ru) * 2009-03-19 2011-01-10 Объединенный Институт Ядерных Исследований Устройство для спектрального анализа состава вещества

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2079561A5 (ru) * 1970-02-05 1971-11-12 Siderurgie Fse Inst Rech
JPS5981540A (ja) * 1982-10-30 1984-05-11 Nippon Steel Corp 溶融金属の直接発光分光分析装置
SE8305914D0 (sv) * 1983-10-27 1983-10-27 Lars Kumbrant Analyssond
US4615225A (en) * 1985-03-13 1986-10-07 Allied Corporation In-situ analysis of a liquid conductive material
US4986658B1 (en) * 1989-04-21 1996-06-25 Univ Lehigh Transient spectroscopic method and apparatus for in-process analysis of molten metal

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4995723A (en) 1988-10-03 1991-02-26 Fried. Krupp Gesellschaft Mit Beschrankter Haftung Method and apparatus for optically coupling an element analysis system and a laser to liquid metal in a melting vessel
US5699155A (en) * 1993-07-26 1997-12-16 Kawasaki Steel Corporation Emission spectral analysis method and instrument therefor
WO2003081287A2 (en) 2002-03-18 2003-10-02 Mississippi State University Fiber optic laser-induced breakdown spectroscopy sensor for molten material analysis
US20030197125A1 (en) 2002-04-19 2003-10-23 Robert De Saro Apparatus and method for in situ, real time measurements of properties of liquids
RU2252412C2 (ru) * 2003-01-29 2005-05-20 Самойлов Валентин Николаевич Способ эмиссионного спектрального анализа состава вещества и устройство для его осуществления
US7365841B2 (en) 2003-12-17 2008-04-29 Heraeus Electro-Nite International N.V. Method for analysis of a molten material, device and immersion sensor
RU2273841C1 (ru) 2004-11-01 2006-04-10 ООО "Компания "Нординкрафт" Способ спектрального анализа элементов металлического расплава в плавильном резервуаре и устройство для его осуществления
WO2007012440A1 (en) 2005-07-26 2007-02-01 Aleris Switzerland Gmbh Method for analyzing liquid metal and device for use in this method
RU2319137C1 (ru) * 2006-05-15 2008-03-10 Государственное учреждение Научно-исследовательский институт фармакологии Сибирского отделения Российской Академии медицинских наук Способ спектрального анализа химического состава вещества
US7748258B2 (en) 2006-10-06 2010-07-06 Heraeus Electro-Nite International N.V. Immersion lance for analysis of melts and liquids
RU2408871C2 (ru) * 2009-03-19 2011-01-10 Объединенный Институт Ядерных Исследований Устройство для спектрального анализа состава вещества

Also Published As

Publication number Publication date
EP3650841A4 (en) 2021-03-24
US10830705B2 (en) 2020-11-10
RU2664485C1 (ru) 2018-08-17
EP3650841A1 (en) 2020-05-13
US20200116642A1 (en) 2020-04-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10830705B2 (en) Method and device for spectral analysis of a chemical composition of molten metals
US6784429B2 (en) Apparatus and method for in situ, real time measurements of properties of liquids
KR101009845B1 (ko) 용융 재료 분석용 레이저 유도 분석 분광법
JP4948347B2 (ja) 溶融物、及び液体の分析のための浸漬ランス
EP0215483B1 (en) Method of spectroscopically determining the composition of molten iron
US4615225A (en) In-situ analysis of a liquid conductive material
EP3977106B1 (en) Non-immersive method and apparatus for quantitative analysis of liquid metals and alloys
US20240094133A1 (en) Method and apparatus for quantitative chemical analysis of liquid metals and alloys
UA138412U (uk) Спосіб спектрального експрес-аналізу хімічного складу високотемпературного металевого розплаву
RU2791663C1 (ru) Непогружной способ и аппарат для количественного анализа жидких металлов и сплавов
UA123290C2 (uk) Спосіб спектрального експрес-аналізу хімічного складу високотемпературного металевого розплаву і пристрій для його здійснення
JPS5981539A (ja) 溶融金属の直接発光分光分析装置
JPH0149891B2 (ru)
JPH0560694A (ja) プラズマ照射溶鋼直接分析装置
JPS59157540A (ja) 微粒子生成プラズマ発光分光法による深層部溶融金属の直接分析装置
JPS61205839A (ja) 液状導電性材料の現場分析
JPH0827223B2 (ja) 微粉体生成装置
JPH02242141A (ja) プラズマ照射溶鋼直接分析方法
Williams Sensors for the Process Control and Analysis of Liquid Steel
JPH01126526A (ja) 溶融金属の分析装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18828897

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018828897

Country of ref document: EP

Effective date: 20200205