СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА РАСПЛАВЛЕННЫХ МЕТАЛЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК G01N21/67 

Изобретение относится к области спектрального анализа химического состава черных 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 влечет 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 емкости материала, возбуждаемого лазерным излучением, который включают подведение лазерного луча и получение анализируемого излучения через отверстие в боковой или нижней стенке емкости с расплавом. При этом расплав удерживается от вытекания через отверстие путем 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 путем его затекания через трубку в емкость 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 задымленности 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 раскаленные 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, надежным, 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 надежное, 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 емкость 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 емкость 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 счет 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 емкость 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 емкость 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 нее 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 нее жидкого металла под действием ферростатического давления. С другой стороны в трубку пробозаборника через ее верхнее торцевое отверстие из погружного зонда подается инертный газ, например, аргон, под небольшим избыточным давлением. Жидкий металл при погружении зонда в емкость с расплавом затекает в трубку пробозаборника через ее 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 емкости с расплавом. При этом уровень жидкого металла в пробозаборнике остается 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 5 мм.

Для обеспечения электрического контакта пробы расплавленного металла, затекшей внутрь трубки пробозаборника, с электроискровым генератором используется второй электрод (противоэлектрод), который установливается на погружном зонде снаружи пробозаборника. При погружении зонда в емкость с расплавом металла этот электрод обеспечивает электрический контакт с пробой расплавленного металла в трубке пробозаборника через среду электропроводного расплава в плавильном агрегате.

Для обеспечения лучших условий наблюдения плазменного факела в искровом промежутке пробозаборника погружной огнеупорный зонд с помощью жезла 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. Это позволяет наблюдать среднюю, наиболее информативную часть плазменного факела в разрядном аналитическом промежутке пробозаборника. Кроме того, электрод искрового генератора устанавливается внутри трубки пробозаборника со смещением от оси трубки к ее верхней стенке, чтобы не затенять оптической системе спектрометра обзор плазменного факела в аналитическом промежутке. При этом трубка пробозаборника должна быть установлена так, чтобы боковое отверстие, предназначенное для выхода инертного газа, было направлено в верхнюю полусферу. В общем случае, чем больше будет угол наклона погружного зонда, тем лучше будут условия наблюдения плазменного факела. Однако, с другой стороны, угол наклона погружного зонда к поверхности расплава в металлургической емкости ограничивается техническими возможностями и удобством эксплуатаци установки. Поэтому наиболее оптимальным и удобным в эксплуатации может быть угол наклона погружного зонда в пределах 45°.

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 боковой стенке как минимум одно сквозное отверстие. Верхний торцевой конец трубки пробозаборника соединен с отверстием огнеупорного погружного зонда, а сама трубка с 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 емкость с расплавом металла через нижнее заливное отверстие трубки пробозаборника происходит затекание в нее расплавленного металла под действием ферростатического давления. При достижении уровня затекающего металла бокового отверстия трубки пробозаборника происходит перелив 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 нее расплавленного металла. При этом электрод искрового генератора располагается в трубке пробозаборника на несколько миллиметров выше уровня жидкого металла и возбуждает плазменный факел, свечение которого передается в спектрометр с помощью встроенной в жезл оптической системы. Период времени спектрального анализа можно регулировать скоростью затекания жидкого металла в трубку пробозаборника путем 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 твердую пробу металла, который затекает и остается в переливной камере после извлечения зонда из емкости с расплавом.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - общий схематический вид устройства для спектрального анализа металлического расплава в плавильном резервуаре.

Фиг. 2 - вид погружного зонда с пробозаборником в разрезе в процессе измерения спектра расплава с газовой стабилизацией уровня жидкого металла.

Фиг. 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 Фиг. 1. В состав данного устройства для входят: металлический жезл - манипулятор 1, погружной огнеупорный зонде пробозаборником 2, электроискровой генератор 3 с разрядником 4 и электрическими кабелями 5, баллон со сжатым инертным газом и редуктором 6, трубопровод подачи газа в погружной зонд 7, 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 расплав 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 поперечном разрезе на Фиг. 2. Согласно настоящему изобретению, корпус погружного зонда представляет собой картонную или керамическую гильзу 2 в которую запрессована керамическая или песчаная втулка 9. В керамическую втулку 9 встроен огнеупорный пробозаборник 4, который выполнен в виде кварцевой или керамической трубки или колбы с двумя боковыми отверстиями. Отверстие 5 в боковой стенке предназначено для выхода инертного газа, подающегося в пробозаборник через газопроводную трубку 12. Отверстие 8 расположено на некотором расстоянии ниже выходного отверстия 5 и предназначено для затекания в трубку пробозаборника расплавленного металла под воздействием ферростатического давления. Это отверстие может быть расположено как на нижнем торце пробозаборной трубки, так и на боковой стенке в конце трубки с закрытым (запаянным) донным отверстием. Трубка пробозаборника 4 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 емкости с расплавом металла и, постепенно остывая, остается на дне запаянной трубки ниже входного отверстия 8. Кроме того, боковое расположение нижнего заливного отверстия позволяет избежать прямого гидравлического удара жидкого металла в трубку прозаборника при расплавлении шлакозащитного колпачка, которым обычно закрывается трубка пробозаборника для исключения попадания в нее шлака и примесей окислов металла с поверхности расплава в процессе погружения зонда в расплав металла.

Внутри погружного зонда установлен тугоплавкий вольфрамовый (угольный) электрод 6, определенной длины и диаметра. Данный электрод заходит внутрь трубки пробозаборника 4 и смещен от центральной оси к ее боковой стенке с отверстием 5, чтобы не затенять объективу 10 оптической системы обзор плазменного факела в аналитическом промежутке. При этом конец электрода 6 располагается на несколько миллиметров, выше уровня нижней кромки бокового отверстия 5 трубки пробозаборника в соответствии с требуемой величиной искрового зазора до поверхности пробы жидкого металла. Погружной зонд также содержит второй внешний тугоплавкий электрод 7, который является противоэлектродом и находится снаружи пробозаборной трубки. Объектив 10 обеспечивает наблюдение и передачу излучения плазмы в искровом зазоре через световод 11 на вход спектрометра. Инертный газ (например, аргон) подается в пробозаборник по трубке 12 и обеспечивает продувку аналитического искрового промежутка между поверхностью затекшего в пробозаборник жидкого металла и электродом 6. При этом выход инертного газа, поступающего в пробозаборник под небольшим избыточным давлением, происходит через боковое отверстие 5 непосредственно в среду металлического расплава.

Согласно настоящему изобретению, принцип работы данного устройства спектрального анализа расплавленного металла заключается в следующем, Фиг. 2. Погружной огнеупорный зонд 2 с помощью жезла - манипулятора 1 опускается на заданную глубину в емкость с расплавленным металлом 3 с наклоном на некоторый угол α к поверхности расплава. В процессе погружения инертный газ (например, аргон) под небольшим избыточным давлением непрерывно подается в пробозаборник 4 из газопроводной трубки 12 через центральное отверстие керамической втулки 9 погружного зонда и выходит через отверстие 5 в боковой стенке трубки пробозаборника 4 в виде пузырьков непосредственно в среду жидкого металла. При этом трубка пробозаборника должна быть расположена так, чтобы выходное боковое отверстие 5 было направлено вверх. После погружения зонда на заданную глубину защитный колпачок, надетый на пробозаборник, расплавляется и жидкий металл под действием ферростатического давления затекает в трубку пробозаборника через нижнее заливное отверстие 8. При достижении уровня жидкого металла уровня бокового отверстия 5 дальнейшее заполнение 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 12 и выходящего в среду расплава через верхнее боковое отверстие пробозаборника 5. При этом уровень жидкого металла в пробозаборнике стабилизируется на уровне бокового отверстия 5 и практически не зависит от глубины погружения зонда в расплав металла в пределах требуемых глубин измерений. При заданном угле наклона α погружного зонда относительно уровня расплава величина искрового аналитического промежутка определяется по кратчайшему расстоянию между поверхностью затекшей пробы жидкого металла и концом электрода 6 в пробозаборнике. Относительно постоянная величина уровня поверхности пробы затекшего 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 емкость (ковш или печь) с расплавленым металлом осуществляют на глубину, необходимую для точного химического анализа без примесей окислов и поверхностного шлака. Обычно на практике глубина погружения стандартного пробоотборника в расплав металла для взятия пробы и ее последующего анализа в лаборатории составляет порядка 300…400 мм.

После заполнения пробозаборника жидким металлом в включается в работу электроискровой генератор, питающий электроды 6 и 7 и начинается процесс возбуждения плазмы на поверхности жидкого металла в трубке пробозаборника с помощью электрода 6. Противоэлектрод 7 обеспечивает электрический контакт искрового генератора с пробой металла в пробозаборнике через среду электропроводного расплава. Во время искрового разряда свечение плазмы из аналитического промежутка передается на вход спектрометра через объектив 10 по световоду 11 (оптоволоконному кабелю или оптическую трубу). При этом угол обзора плазменного факела объективом 10 в искровом промежутке пробозаборника зависит от угла наклона α погружного зонда относительно уровня поверхности расплавленного металла и может выбираться путем наклона жезла в технически допустимых пределах, например, 45°±15°. Наклон жезла со встроенной оптической головкой 10 позволяет обеспечить возможность наблюдения сбоку средней, наиболее информативной части плазменного факела в разрядном аналитическом промежутке пробозаборника. При этом с увеличением наклона жезла к поверхности металла условия наблюдения плазменного факела улучшаются, поскольку оптическая ось объектива 10 будет более точно пересекать среднюю часть факела. Переданное по световоду 11 на вход спектрометра излучение плазмы преобразуется в его оптической системе в спектральные линии, которые далее преобразуются блоком регистрации в электрические сигналы и передаются на компьютер для обработки и анализа химического состава анализируемого металла. По истечении определенного времени пребывания погружного огнеупорного зонда в расплавленном металле (для картонной гильзы до 10…15 сек.), его извлекают из металлургической емкости. Этого времени нахождения зонда в расплавленном металле должно быть достаточно для получения и усреднения определенного множества спектров, позволяющих измерить точный состав и массовую долю химических элементов анализируемого металла.

Согласно настоящему изобретению для осуществления способа оптического спектрального анализа электропроводных расплавов с электроискровым возбуждением плазмы, предлагается другое устройство Фиг. 3. В этом устройстве для стабилизации уровня металла в трубке пробозаборника используется перелив излишнего металла через боковое отверстие в ее стенке в полость огнеупорной камеры. При этом верхняя часть трубки пробозаборника 6 с боковым переливным отверстием 8 находится в полой погружной огнеупорной камере 3, которая представляет собой картонную или керамическую трубу закрытую с нижнего конца огнеупорной керамической или песчаной пробкой. А нижний конец трубки пробозаборника 6 заливным отверстием 7 выходит наружу огнеупорной камеры 3.

Принцип работы данного устройства заключается в следующем. После погружения измерительного зонда 1 в расплав с жидким металлом на определенную глубину расплавленный металл 5, затекающий в пробозаборную трубку 6 через заливное отверстие 7 под действием ферростатического давления, поднимается до уровня верхнего бокового переливного отверстия 8. Через это отверстие излишний металл из трубки пробозаборника в течение определенного времени переливается в полость огнеупорной камеры 3. В этот период времени происходит возбуждение плазмы на поверхности пробы жидкого металла, находящегося в трубке пробозаборника, с помощью внутреннего электрода 2. Внешний электрод 4 обеспечивает электрический контакт с электродом 2 через среду расплавленного металла. За счет перелива излишнего металла в течение некоторого времени сохраняется относительно стабильная величина разрядного промежутка между концом электрода 2 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 камеры через переливное отверстие 8 и далее в атмосферу через специальное внутреннее отверстие 9 в погружном зонде, не оказывая давления на затекающий металл. Скорость затекания расплавленного металла в пробозаборник, а следовательно, время спектрального анализа пробы металла можно регулировать с помощью размера сечения нижнего заливного отверстия 7 и емкостью погружной полой камеры 3. В данном устройстве также желательно иметь датчик уровня заполнения погружной камеры затекшим металлом. Этот датчик выдает сигнал при определенном уровне заполнения погружной камеры 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.

Изобретение относится 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. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ оптического эмиссионного спектрального анализа химического состава электропроводного расплава, включающий 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 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 затекшей в нее 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 ее стенки за счет компенсации ферростатического давления расплава металла динамическим давлением потока инертного газа, который непрерывно подается 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 счет 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 пп. 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 смещен от оси трубки пробозаборника к верхнему сегменту ее 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, отличающееся 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 нее 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 смещен от центра к ее стенке, а второй электрод находится снаружи пробозаборника.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что часть трубки пробозаборника погружного зонда с одним по крайней мере боковым отверстием в ее стенке и встроенным электродом, находится внутри полой огнеупорной камеры, а нижняя часть трубки пробозаборника с отверстием для затекания жидкого металла выходит наружу полой камеры, причем полость огнеупорной камеры изолирована от среды расплава и связана с атмосферой через специальное отверстие в погружном зонде.

6. Устройство по пп. 4, 5, отличающееся 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 ее боковой стенки, при этом размеры сечения данного отверстия определяют скорость затекания жидкого металла в трубку пробозаборника.