專利名稱：用于光學(xué)分析金屬熔池的系統(tǒng)的制作方法
用于光學(xué)分析金屬熔池的系統(tǒng)
獄領(lǐng)域
本發(fā)明一股涉JIM金屬，例如鋼鐵，的精煉，尤其涉及分析情煉鵬中
的金屬熔池。
背景駄
鋼之類的金屬一般是在有耐火襯里的容器中生產(chǎn)和精煉的，通過加熱諸如
含金屬的廢料、生鐵、礦石、石灰石、白云石等爐料至m狀態(tài)，并向得到的 金屬熔池中吹入氧氣以氧化雜質(zhì)。并非總能在開始處理之前得知爐料的準(zhǔn)確化 學(xué)組成。因此，在爐料融化并完全混合之后必須確定其艦。此外，至少應(yīng)定 期確定金屬熔池的組成改變以獲知需添加到精煉容器內(nèi)的添加劑的定時和數(shù) 量。確定金屬熔池組成的標(biāo)準(zhǔn)方法是中止生產(chǎn)過程，取出一小部，料樣本， ^^質(zhì)譜儀分析該樣本。
更加需要進(jìn)行持續(xù)的在線觀懂，但是髙溫和灰塵、煙和滬渣的存在不允許 在金屬熔池中方爐測量設(shè)備。為解決這些問題，本領(lǐng)域駄人員已經(jīng)嘗試通過
^fflM:金屬像 te面的光纖^使用如透鏡、反射境及棱鏡之類的輔助設(shè)備 來將魏M屬熔池傳想吩析儀。但^i^樣的錢安裝復(fù)雜，在精煉3il呈中 難以保持，因此影響到所收集數(shù)據(jù)的精度，也影響到基于這些數(shù)據(jù)而進(jìn)行的分 析的識性，因此，該體不令人滿意。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面是 光學(xué)分析金屬熔池的方法，其包括-
(A) Mi3M趨氣流穿過噴槍并朋外焰(flame envelope)包圍織氣流,
形,貫的氬氣流；
(B) 將該連貫的氬氣^A金屬熔池；
(C) 縱向穿31^貫的氬氣流進(jìn)行觀察，以觀測金屬熔池并從中獲取光學(xué) ,和
(D) 將光學(xué)數(shù)據(jù)提@分析儀。本發(fā)明的另一個方面是 用于光學(xué)分析金屬熔池的裝置，包括
(A) 金屬熔爐，包括金屬熔池；
(B) 具有噴射端的噴槍，用于將連貫氬氣MA鍋熔池
(C) 窺鏡，其安裝在噴槍上與噴射端相對的一端，以提供防ihM氣從噴
槍中泄漏的壓力密封同時n^光學(xué)透明的觀察口，并對準(zhǔn)以便縱向穿^i貫氬
氣^^見察金屬熔池，以獲取光學(xué) ;和
(D) 分析皿將光學(xué)數(shù)據(jù)提供給分析儀的工具。 如此^^用術(shù)語"外焰"指圍姬少一種其他非燃燒氣流的燃燒流。 如此^t^f用術(shù)語"連貫氣流"指直徑基本保持不變的氣流。 如此皿用術(shù)語"金屬熔池"指包括熔l^^屬、也可包括爐渣的金屬精煉
爐中的容^。
如此處所用術(shù)語"光學(xué)數(shù)據(jù)"指用于描M屬熔池的特性的數(shù)值，其可以 被與金屬熔池隔開的接收 觀倒。
如此^!^f用術(shù)語"縱向"指與長軸一致。
如此處所用術(shù)語"窺鏡"指光學(xué)透明材料，如藍(lán)寶石^F英，可以在噴槍
中的壓縮氬氣流與纖維光纜或者其他光學(xué)元件之間提供密封。光源，如激光， 可以安置在窺鏡上以增加m^貫氬氣噴射mia行觀測的金屬熔池的育遣，從 而改善分析的有效性。 附圖
簡述
唯一的附圖是可用于本發(fā)明的實施中的一種,裝置的簡化,面圖。 詳細(xì)描述
結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明?，F(xiàn)參考附圖，如圖所示金屬熔爐10 內(nèi)含有包括熔融金屬4和位于;l^^屬ite上的爐渣層5的金屬熔池，爐渣層 5可以為熔融態(tài)禾n/或固態(tài)。 一般而言，熔齢屬包括減鋼。爐渣層一般包括 氧化藥、二氧化硅、氧化鎂、氧化鋁及氧化鐵中的一種或多種。
為向金屬熔池提供氬氣而設(shè)置噴槍1。圖中描述的實施方案是優(yōu)選實施方 案，其中，噴柏-5設(shè)置以垂直于金屬熔、,面的方向向金屬熔池提供氬氣。作 為另一種選擇，噴槍可以經(jīng)設(shè)置穿過爐10的側(cè)歷，以便與熔池表面成一定角 度提供氬氣。在本發(fā)明的實施中，用氬氣作為艦其進(jìn)行光學(xué)觀察的氣體。與<魏氧或 其他反應(yīng)氣體的常規(guī)傳感系統(tǒng)不同，由，目對于熔融金屬的惰性，其可以從 超歡見察位置對熔齢屬進(jìn)行更加清晰的光學(xué)觀察。此外，與常規(guī)系統(tǒng)中4頓
的常規(guī)較^:體相比，氬氣的重量可以，融金屬上形，確定的沖擊點。由 于氬氣的不反應(yīng)性而減少了氣體金屬沖擊點處的飛 其它可視的阻礙，而且 由于氬氣的密度而具有更確定的沖擊點，基于以上特性的結(jié)合，就能夠進(jìn)行比 用常規(guī)系統(tǒng)更加清晰的光學(xué)觀察。這種更力鵬晰的光學(xué)觀察肖辦改善繊采集 和,分析。
氬氣從噴槍中高速噴出，優(yōu)選以皿^g葡塞。 一般而言，從噴槍中噴出
的氬氣流3的速度至少1000英尺每秒(扭)，雌至少1500fys。最鶴趟 氣流從噴槍中噴射時具有超音速，并且當(dāng)它接觸到熔池的表面時也具有超音速。
燃料和氧化劑從噴槍中圍纖氣流噴出，并燃娜成氬氣流3周圍的外焰 2。雌地，如圖中所示，夕卜焰延伸到在熔爐中的氬氣流從噴槍噴射端到熔池 的 ^:度。用于形成外焰2的燃料雌是氣體，可以是任何燃料，如甲驗 天然氣。用于形戯卜焰2的氧化齊何以是空氣、氧氣濃S^i31空氣中氧濃度的 富氧空氣或者氧氣濃度至少90摩爾％的市售氧氣。
外焰2用來防止周圍氣體例如熔爐氣 卩&\或者夾^\氬氣流3中，從而 防lhM氣流3在通常至少20d的距離內(nèi)速度明顯下降和直徑顯著增加，其中d 是氣流3從中噴射的、位于噴槍噴射端的噴嘴直徑。也就是說，外焰2用于建 立和維護(hù)氬氣流在通常至少20d的距離內(nèi)為連貫氣流。如圖所示，^i;氣流 3從噴槍到熔池是連貫氣流。
常規(guī)方法并沒有想到利用氬氣的連貫噴射穿透熔池上面的爐渣層和煙。從 標(biāo)準(zhǔn)噴槍中噴出的氣流不能長距離穿透爐渣層，不能提供對金屬熔池的清晰觀 察以精確測量其特性。要產(chǎn)生集中或連貫的氬氣流需要使用圍繞的燃料氣體 (shroud foelgas)。由于如鈉、鉀、CaO及MnO等元素和針的燃燒，圍約 體也產(chǎn)生#^波長的光信號，可以用來確定爐渣是否被完全穿透。
采用肖灘測量數(shù)種不同波長的光強(qiáng)的^fc計或者其他儀器。兩個單獨的波 長用來測量驗。其他波長用來測量各種元素如碳、硅、銅及鉻等的量。另外 其他波長表明在觀察范圍內(nèi)存在如CaO、 MnO及MgO之類的氧化物，可以用來確定包含這些氧化物的爐渣是否完全被穿透。穿透爐渣層的進(jìn)一步指示是鈉 和鉀因圍繞燃料而燃燒所產(chǎn)生的光信號從發(fā)射光譜轉(zhuǎn)化為吸收光譜。已經(jīng)表 明，當(dāng)惰飽氣完錄透爐渣層時就會發(fā)^J^J嫁。
氣流3中傳^ij熔池的嵐氣，通過混合熔池來幫助精煉j^金屬。im池，
如附圖所示，氬氣流3的髙速度和連貫特性驅(qū)使氣流3穿過爐渣層5并深入到 熔i^屬4中，從而改善了氬氣流3中輸glj熔池的氣體的混合作用。
如上所述，理想的是對熔,屬的狀 ，行至少定期， 控， 以確定例如其組成、溫自或已熔廢料的比例。在本發(fā)明的實施中，M5iA窺 鏡9觀察來監(jiān)控這些參數(shù)。如附圖所示，窺鏡9安置在n^: 1的與噴射端相對 的一端上，提供防止氬氣從噴槍中泄漏的壓力密封，同時提供光學(xué)透明的觀察 口。此種防止泄漏不僅用來減4,體損失，而且用來減少壓力不平衡的機(jī)率， 壓力不平衡對于連貫氬氣流的形成和維持可能產(chǎn)生副面影響。連貫氣流的形成 和維持是不肯繩過常規(guī)感知系統(tǒng)獲得的。
氬氣流3的連貫特性防止?fàn)t氣、煙、微粒等被^A^氬氣流3中，使得從 窺鏡9到金屬熔池形自晰的韋鵬。這樣^ili^見察縱向穿過由連貫氬氣流3 提供的無阻礙通道彩見測金屬熔池。該觀測能夠錯池收集光學(xué)數(shù)據(jù)。通過連 貫氬，流觀察金屬熔池可以收集的數(shù)據(jù)包括溫度、金屬熔池和熔渣所含的各 種元素的量以及工藝條件，其中、鵬通過光學(xué)髙溫測定法測定，元素M過光 譜分析獲得，工藝條件例如熔 料的比例通^^^勢的分析確定。
光學(xué) 31例如光導(dǎo)組件8傳給分析儀7,光導(dǎo)組件8可以包括纖維光 纜^ 1和娜鏡系統(tǒng)。分析儀7可以是例如光譜儀、光學(xué)髙溫測定儀或這些 儀器的組合。分析儀7禾,這S^測量金屬熔池的皿和組成，從而使操作 者可以調(diào)整補(bǔ)充的爐料、燃lj、合金、電能和諸如氧氣的反應(yīng)劑的量和加入時
間，以便超'j精煉o:藝的所需目標(biāo)。
皿觀察熔池的當(dāng)前、亂度和金屬熔池中所剩碳、鉻、錳或其它元素的量， 操作人員可以確定金屬的,在何時達(dá)到了正在制備的金屬鄉(xiāng)的特定條件。 而且，如果觀察到某些痕量元素例如銅的量超過了正在制備的金屬的質(zhì)量限 制，那么操作人員可以做些調(diào)整，以使制品在處理完成前滿足技術(shù)規(guī)范。通過 了解熔融廢料的比例，操作人員會知道將補(bǔ)充廢料加入到熔爐中的適當(dāng)時間。
利用本發(fā)明，人們可以實3E鵬金屬熔池特性的ii^線測量，無需4頓靠M屬像皿面的光纖或^ffi比如，、^鏡和棱鏡等輔助^。雖然在詳 細(xì)描述本發(fā)明時參考了雌實駄案，但本領(lǐng)域技術(shù)人員會認(rèn)識到，在權(quán)利要 求的精神和范圍內(nèi)本發(fā)明還有其它實施方案。
權(quán)利要求
1、光學(xué)分析金屬熔池的方法，其包括(A)通過使氬氣流穿過噴槍并且用外焰包圍該氬氣流，形成連貫的氬氣流；(B)將該連貫的氬氣流通入金屬熔池；(C)縱向穿過連貫的氬氣流進(jìn)行觀察，以觀測金屬熔池并從中獲取光學(xué)數(shù)據(jù)；和(D)將光學(xué)數(shù)據(jù)提交至分析儀。
2、 權(quán)利要求1所述的方法，其中夕卜焰從噴槍延伸至金屬熔池。
3、 權(quán)利要求1所述的方法，其中連貫氬氣流,到金屬熔池時具有超音速。
4、 用于光學(xué)分析金屬熔池的^S，包括(A) 金屬熔爐，其包括金屬熔池；(B) 具有噴射端的噴槍，用于將連貫氬氣MA金屬熔池；(C) 窺鏡，其安裝在噴槍上與噴射端相對的一端，以提供防止氣氣從噴槍中泄漏的壓力密封同時皿光學(xué)透明觀察口，并對準(zhǔn)以便縱向穿皿貫氬氣mn察金屬;^池，從而獲取光學(xué) ;禾口(D) 分析皿將光學(xué) 提供給分析儀的工具。
5、 權(quán)利要求4的體，進(jìn)一步包括用于產(chǎn)生穿腿貫氬氣流的光的光源。
6、 權(quán)利要求5的體，其中光源是激光。
7、 權(quán)利要求4的錢，其中噴樾5設(shè)置以向金屬熔池沿著垂直于金屬熔池的表面的方向,所,貫氬氣流。
8、 權(quán)利要求4的裝置，其中用于將光學(xué) 提^分析儀的工具包括光導(dǎo)組件，其包括從窺鏡至分析儀的光纖。
9、 權(quán)利要求4的體，其中分析儀包括光譜儀。
10、 權(quán)利要求4的裝置，其中分析儀包括高溫測定儀。
全文摘要
用于光學(xué)分析金屬熔池(4)的系統(tǒng)，其中將高速氬氣流(3)從噴槍(1)傳送到熔池，并用外焰(2)使氣流保持連貫，以提供通過該氬氣流的清晰的觀察路徑，從而縱向通過氬氣流從遠(yuǎn)處或間隔開的觀察點(9)觀察該金屬熔池。
文檔編號C21C5/46GK101535507SQ200680005210
公開日2009年9月16日 申請日期2006年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月18日
發(fā)明者L·E·卡特斯 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司