專利名稱：用以獲得具有高純度樣品的用于復合探頭的取樣裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于復合探頭的改進的取樣裝置，其能夠在煉鋼過程中檢測關于溫度、氧氣和熔融金屬的成分的信息。
背景技術：
通常，探頭在鋼鐵廠的煉鋼過程用于測量熔融鋼的組分和溫度。復合探頭是具有多種功能的探頭。
圖1示出一種復合探頭，其具有常規(guī)的取樣裝置。
在復合探頭1中溫度測量單元3插入主套管2的下部，而取樣裝置4設置在主套管2中靠近溫度測量單元3的上側(cè)。從而在煉鋼過程中復合探頭1浸沒在各種精煉爐(轉(zhuǎn)爐、EAF、AOD、VOD、RH-OB、LF、LT、B/B等)的熔融金屬中，以進行取樣過程并測量熔融鋼的溫度。
然而，特別是，在精煉過程的脫碳步驟期間產(chǎn)生的金屬氧化物在不銹鋼精煉爐中的還原和脫硫步驟中被還原，而含在熔融金屬中的硫與用作輔助原料的CaO發(fā)生反應，從而與爐渣一起被除掉。
在這個階段，由于由硅(Si)引起的脫氧，爐渣具有很高的堿度，改進的爐渣重新形成，強烈的攪動以及在還原和脫硫步驟中使用鐵合金輔助原料，產(chǎn)生大量爐渣，并且惰性氣體(Ar、N2)在爐子下部一側(cè)繼續(xù)進入熔融金屬中。因此，熔融金屬的表面非常不平整，并且因此不能清楚地區(qū)分爐渣和熔融金屬之間的界面。因而，不能用常規(guī)的探頭進行理想的取樣。
圖2a和2b分別是常規(guī)取樣裝置4的剖視圖和局部透視圖。
常規(guī)的取樣裝置4包括上部室5和下部室6。通過注入口7送入上部室的熔融鋼通過流道8向下流進下部室6，并且然后在其內(nèi)凝固以形成用于成分分析的樣品。
當使用具有與自動裝置一起的取樣裝置的探頭時，在熔融金屬精煉過程中產(chǎn)生的大量爐渣與用于分析的樣品相混合，使得成分失常并在樣品中產(chǎn)生瑕疵，因而不能進行成分分析。
此外，由于包含在熔融金屬中的大量氣體在用于分析的樣品中引起空穴、針孔等，也不能進行成分分析。特別是，由于不銹鋼的熱傳導性為普通鋼的1/2-1/4，當探頭在熔融金屬中時在下部室6中的凝固沒有完成。因而當存在于該探頭中心部分的氣體尚未被排出到外面時探頭從熔融金屬中取出。在這個階段，在其容積為下部室6的約2％的很窄的流道8中的金屬首先凝固，因而在氣體封閉在樣品中時凝固金屬導致在用于分析的樣品中形成大量空穴。
由于上述缺點，在實際操作中不能使用這種探頭。因此，實際上，在精煉爐傾斜后操作者用一次性使用的熱電耦直接測量溫度，并且用勺狀物取樣。
但是，由于如上所述的手工操作而使精煉時間增加，導致生產(chǎn)率降低，耐火材料損耗增加，并且操作安全性降低。因此，由于在精煉爐傾斜后溫度用手工測量，取樣用手工進行，抽液(tapping)操作被延遲。還有，因為考慮到由于爐子傾斜而使溫度降低，抽液操作在比抽液目標溫度高10℃的溫度下進行，精煉爐的效率和生產(chǎn)率明顯降低。
此外，在溫度測量和取樣操作時操作者必須靠近精煉爐的高溫，由于熔融金屬的濺射危險是常有的，并且兩個操作者必須一起進行測量同時它們形成一個組，使勞動者的生產(chǎn)率明顯降低。

發(fā)明內(nèi)容
因此，考慮到現(xiàn)有技術中的上述問題提出本發(fā)明，本發(fā)明的目的是使用過濾器確保正常的樣品。該過濾器設置在上部室中，以吸收爐渣，以便防止進入該上部室的少量爐渣流進下部室，并且將由鋼水靜壓力引起的紊流轉(zhuǎn)換成層流。從而實現(xiàn)在下部室的穩(wěn)定流入。
本發(fā)明的另一個目的通過減少熔融鋼的過熱是確保正常的樣品。為此，控制流道的尺寸并形成排氣孔，以最大限度地防止包含在熔融金屬中的氣體流進下部室，以防止流道內(nèi)的金屬首先凝固，并降低流進下部室的熔融金屬的溫度，因而減少熔融鋼的過熱。
本發(fā)明的又一個目的是確保精煉過程中提高生產(chǎn)率和安全性。為此，下部室的熱容量最大化以增大進入下部室的熔融鋼的凝固速度。此外，優(yōu)化樣品形狀并且然后在其余的固體物質(zhì)沒有從上部室去掉時直接保存在氣動運送器中以輸送到分析室。這樣，在精煉過程中爐子無需傾斜的情況下，能夠自動進行溫度測量和取樣過程，確保精煉過程中提高生產(chǎn)率和安全性。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種用于復合探頭的取樣裝置，包括上腔模，其具有用于送入熔融金屬的注入口，和下腔模，其通過流道與該上腔模連通并且熔融鋼的樣品在其中凝固。在上腔模設置過濾器。
還有，本發(fā)明提供一種用于復合探頭的取樣裝置，包括上腔模，其具有用于送入熔融金屬的注入口，和下腔模，其通過流道與該上腔模連通并且熔融鋼的樣品在其中凝固。在這方面，該流道的形成以使其與下部室的容積比例為5-11％。
此外，本發(fā)明提供一種用于復合探頭的取樣裝置，包括上腔模，其具有用于送入熔融金屬的注入口，和下腔模，其通過流道與該上腔模連通并且熔融鋼的樣品在其中凝固。在這方面，在上腔模的底部形成排氣孔。


本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點從下面接合附圖的描述將更加容易理解，其中圖1示出具有常規(guī)取樣裝置的復合探頭；圖2a和2b示出常規(guī)的取樣裝置；圖3a和3b是根據(jù)本發(fā)明實施例的取樣裝置的剖視圖；圖4a和4b是根據(jù)本發(fā)明實施例的取樣裝置的局部透視圖；圖5a和5b是根據(jù)本發(fā)明實施例的上部室的下部的透視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的取樣裝置的剖視圖；以及圖7a和7b示出用根據(jù)本發(fā)明的取樣裝置產(chǎn)生的樣品。
具體實施例方式
下面將參考附圖詳細描述本發(fā)明的實施例。
圖3a和3b是根據(jù)本發(fā)明實施例的取樣裝置的剖視圖，其中過濾器設置在上部室。在圖3a中，該過濾器是圓柱形的，在圖3b中，該過濾器是六邊形的。
插入探頭的主套管中，該取樣裝置包括通過形成在其側(cè)面的注入口11、具有圓柱形或部分六邊形空間的上腔模10、設置在該上腔模10的下面通過流道12與該上腔模10連通的下腔模20，并且熔融金屬填充在其中。由上腔模10形成的空間叫做上部室17，由下腔模20形成的空間叫做下部室18。而且，該上腔模10可以分為上部上腔模15和下部上腔模16。
圓柱形或六邊形過濾器13設置在上腔模10中，具體說，在下部上腔模16中。
該上腔模10可以分成上下部分或左右部分。在注入口的中心上，上腔模10具有圓柱形空間，以使熔融金屬的送入和流動變平滑。此外，由于是圓柱形的空間，彈簧形式的脫氧劑的插入將變得容易并且脫氧效率提高。在這個階段脫氧劑的例子包括Ti、Zr、Al等。
下部上腔模16具有圓柱形空間以使設置在其內(nèi)的過濾器13的表面積最大化，從而提高爐渣的收集能力和氣體排出能力，并減少熔融鋼的過熱。
可選地，下部上腔模16可以具有六邊形空間。在這種情況下，六邊形的過濾器13插入該下部上腔模中。過濾器13被支撐并固定在上部上腔模15的圓柱形空間中，并且因此，生產(chǎn)變得容易并且改進了過濾器13的裝配可操作性。
下腔模20的空間，即下部室18以這樣的方式形成，其內(nèi)部直徑以預定的比例向下逐漸減小，以減小樣品方向性的凝固。因而樣品中的瑕疵向上移，并且因此能正常地確保樣品的分析區(qū)。
此外，下腔模20的熱容量決定于下部室材料的比熱和下腔模的重量。樣品的尺寸在保證分析可靠的范圍內(nèi)減小，以使下腔模20的熱容量最大化，底部厚度(d)增加，并且下腔模的壁的厚度最大化，增大從上部室17進入的熔融金屬的冷卻速度，從而減少凝固時間。因此，凝固是在探頭保持在熔融金屬內(nèi)時完成的，從而不可避免形成的凝固瑕疵從分析區(qū)移動到上部室17。所以能夠確保該樣品分析區(qū)的正常性。
在這種狀況，優(yōu)選熱容量為50cal/℃或以上。此外，樣品的尺寸設定為45-50mm，下腔模20的厚度(d)設定為15-25mm。
優(yōu)選上腔模10由陶瓷(Al2O3-SiO2)制造而不是石英(SiO2)。陶瓷粉末用模壓機模壓，并且然后燒結(jié)以產(chǎn)生上腔模。因而，上腔模賦予暴露于高溫熔融鋼下的陶瓷取樣裝置耐熱性。這是由于它能夠防止由于污染的碳組分的影響所致。優(yōu)選下腔模20的材料為低成本的鑄鐵和鑄鋼，其具有高比熱并且容易處理，以便確保樣品的正常性。
優(yōu)選地，過濾器13的高度保持在與注入口11的半徑，也就是，注入口11的中心一樣。如果過濾器13的高度低于注入口11的中心，當樣品與該探頭分離時，熔融鋼在從該注入口的入口向下流進過濾器的上側(cè)時凝固，并且這種大于樣品外徑的不必要的熔融鋼形成在注入口11。因此，必需對樣品進行預處理或用錘打擊樣品。如果過濾器的高度高于注入口11的中心，熔融金屬的送入受到妨礙，并且因此樣品不充足地填充在下部室中。因而，優(yōu)選將過濾器的高度設置在該注入口11的中心之上和之下-5mm到+5mm的范圍內(nèi)。
在這種狀況，過濾器的外部寬度必須小于樣品的直徑。其理由是當過濾器13的高度低于該注入口的中心時，熔融鋼從該注入口的入口向下流動并凝固在該過濾器的外表面上。因此，必須在該過濾器的周圍設置對應于樣品外徑的縫隙。
實踐中，由于用于將樣品輸送到分析室的通常的氣動運送器具有約85mm的接納長度，優(yōu)選樣品和上部室的總長度為約80mm。因此，當樣品高度為50mm時，優(yōu)選過濾器13的厚度為約30mm。
過濾器13的材料為在高溫1600℃或以上的氧化鋯，1500-1600℃的鋁，以及1300-1500℃分石英，以便調(diào)節(jié)高溫特性并精確的控制成分。
如上所述，材料的類型隨著溫度而變化，以便防止應用于取樣裝置中的過濾器在一定范圍內(nèi)失去功能，在范圍內(nèi)，材料固有的性質(zhì)不隨著某種材料在每個溫度下的相轉(zhuǎn)換而變化。當選定材料的類型時，如果以石英為基的過濾器用于1600℃或更高的高溫，在約1350℃開始發(fā)生相轉(zhuǎn)換，并且過濾器在1600℃熔化，因此，多孔材料的孔被堵塞，過濾器容化，并且熔化的過濾器進入下部室，從而負面影響樣品的正常性。
過濾器由海綿狀多孔陶瓷制造從而具有希望的多孔性，以便熔融金屬無序地而不是單向地流過孔。
至于過濾器的孔，過濾器具有5-20PPI(PPI每英寸的孔數(shù))的孔。
具有5-20PPI的過濾器其作用是增加表面積，由于其回旋狀的路徑，控制熔融金屬的流動性，降低進入溫度，并在其上部機械地過濾大于其孔的未進行反應的原材料。
此外，爐渣的堿度為1.5-2.5，并且爐渣對陶瓷過濾器具有極好的潤濕性。因此，通過孔進入模具內(nèi)的爐渣到達過濾器并且然后附著在過濾器內(nèi)，從而從熔融金屬中分離出來。
但是，當過濾器具有5PPI或更少的孔時，考慮到爐渣的控制，也就是，過濾器的主要功能，熔融鋼很容易進入到下部室，同時與爐渣混合，并且降低熔融金屬的溫度，導致減少熔融鋼的過熱的作用降低，并降低了將熔融鋼的紊流轉(zhuǎn)變成層流以便使熔融鋼實現(xiàn)分步填充的作用。當過濾器具有20PPI或更多的孔時，阻止熔融鋼流進下部室，使樣品填充不足，這是不希望的。
圖4a和4b是根據(jù)本發(fā)明實施例的取樣裝置的透視圖。其中與常規(guī)取樣裝置相比注入口的面積變大。在圖4a中，下部上腔模具有圓柱形空間，而在圖4b中，該下部上腔模具有六邊形空間。
取樣裝置的流道12使上部室17的過濾器13與下部室18連通并用作通過注入口11進入上部室17的熔融鋼的引入路徑，以填充下部室18。
優(yōu)選地，流道12與下部室18的容積比為5-11％。器理由是當流道12與下部室18的容積比小于5％時，由于流道12內(nèi)的熔融鋼比下部室的樣品鋼先凝固，在樣品凝固時不能排出氣體，并且因此，在樣品中形成空穴。當容積比大于11％時，因為由于熔融鋼的流動而產(chǎn)生紊流，降低了從下部室18排出氣體的能力，由于氣體而導致樣品的瑕疵。
圖5a和5b示出了設置在下部上腔模16的下部的排氣孔14。在圖5a中，該下部上腔模16具有圓柱形空間，而在圖5b中，該下部上腔模16具有六邊形空間。
圖5a和5b示出了下部上腔模16是倒轉(zhuǎn)的，優(yōu)選地，在下部上腔模16的下部排氣孔14這樣形成，每個具有一定寬度和1-2mm長度的2-4個排氣孔形成與連接上腔模10的中心點和注入口11的中心的假想線傾斜-45°至+45°，以便順利地排出存在于下部室18中的氣體。
理由如下。如果在熔融金屬填充過程中氣體不從下部室排出，由于氣體引起的瑕疵形成在樣品中，難以進行理想的樣品分析。此外，為什么限制角度的數(shù)字值的理由是在熔融鋼的填充過程中氣體流動路徑集中在注入口引導路徑的前部和后部上。此外，排氣孔的寬度和長度限制成以便熔融鋼的滲漏不會成為使用氣動運送器或分析的障礙。
圖6是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的取樣裝置的剖視圖。
圖6的取樣裝置包括過濾器13、流道12和排氣孔14，這些要素的組合明顯地改進了生產(chǎn)干凈樣品的技術。
圖7a和7b示出用根據(jù)本發(fā)明的取樣裝置產(chǎn)生的樣品。
在圖7a中，上部室的下部具有圓柱形形狀，而在圖7b中，上部室的下部具有六邊形的形狀。在模具移去之后，過濾器13保留在樣品19的上面。然后切割該樣品以產(chǎn)生分析樣品。
通過下面的例子可以更好地理解本發(fā)明，提出這些例子是為了說明，而不應當解釋為對本發(fā)明的限制。
實例1在本實例中，使用過濾器，但是在比較例中不使用過濾器。其結(jié)果列于表1中。在熔融鋼被取樣之后，當?shù)玫侥軌蛴糜谶M行準確的成分分析的正常的樣品時，判定為成功。另一方面，當由于爐渣與樣品混合而不能理想地進行樣品分析時，判定為失敗的比例。
表1

在本實例中，根據(jù)使用過濾器，利用卡方統(tǒng)計分析法(Chi Squarestatistical analysis)確定成分分析的失敗率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)是相當滿意的，因為P值為0.00。因而利用過濾器被確定為是影響成分分析失敗率的一個重要因素。
實例2進行操作，同時改變模具的熱容量，其結(jié)果列于表2中。在熔融鋼被取樣之后，當?shù)玫侥軌蜻M行用于準確的成分分析的正常的樣品時，判定為成功。另一方面，當由于爐渣與樣品混合而不能理想地進行樣品分析時，判定為失敗的比例。
表2

在本實例中，根據(jù)模具的熱容量，用邏輯回歸統(tǒng)計分析法確定成分分析失敗率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)是令人滿意的，因為P值為0.002。因而，模具的熱容量被確定為是影響成分分析失敗率的一個重要因素。
利用根據(jù)本發(fā)明的裝置得到的樣品進行如下處理。
在精煉熔融鋼的過程中，探頭下降到精煉爐內(nèi)并浸沒在熔融金屬中到距熔融金屬表面約500mm的深度，浸沒時間約4-5秒，同時采用自動測量裝置的精煉爐無需傾斜而是保持在精煉位置。從而，熔融鋼流進設置在探頭中的下部室18，以形成樣品19，并且該探頭被回收以將樣品從與其分離。形成在上部室17中的固體被移除或切割掉，放在運送器中，并通過氣動運送管輸送到分析室，以分析在精煉過程中的熔融金屬的成分和分析最終成分。
在本發(fā)明中，雖然探頭浸沒在熔融金屬中并在其內(nèi)保持4-5秒鐘，通過注入口11進入上部室17的熔融金屬流過過濾器13和流道12進入下部室18并在其內(nèi)開始凝固。當該探頭在熔融金屬中保持一定時間(大約4-5秒鐘)之后被取出時，填充在上部室17中并且這種未凝固的熔融金屬由于重力的作用通過注入口11被排放出。凝固的金屬保留在過濾器13和下部室18中并因此能夠被直接放入氣動運送器中而不需要額外的處理并且然后運送到分析室，因而減少了取樣后的等待時間，結(jié)果減少表面氧化物并減少成分失常。
此外，在樣品在分析室在從其底部起的17-20mm處用切割器切割之后，無論是否看到有空穴瑕疵形成在該樣品的切割面，隨后，結(jié)果得到的樣品用分析儀進行分析。
從上面的描述可以清楚看到，本發(fā)明具有如下優(yōu)點。
首先，在采用了大量爐渣、氧氣和惰性氣體的精煉過程期間，在認為正常樣品不可能的過程中，由于瑕疵沒有形成在下部時的樣品中，因此不需要進行手工溫度測量和取樣操作。因此，能夠很快地得到該過程的信息并因此減少精煉時間，從而改進精煉過程。此外，取樣操作自動進行，從而提高了操作者和生產(chǎn)的安全性。
第二，由于不需要對填充的樣品進行預處理，確保了安全性。而且，樣品到分析室的輸送快速進行，因此減少了處理時間并明顯地提高了分析精度。
第三，使用過濾器減少了在1600℃或更高的高溫下熔融鋼的過熱，因而防止爐渣與樣品混合，并改進了樣品表面的外觀。
第四，設置排氣孔以從樣品中去除由保留在下部室中的空氣引起的瑕疵。
第五，流道的容積比防止由流道的凝固引起的收縮或由于氣體引起的瑕疵。
權利要求
1.一種用于復合探頭的取樣裝置，包括上腔模，其具有用于送入熔融金屬的注入口；和下腔模，其通過流道與該上腔模連通并且熔融鋼的樣品在其中凝固，其中在該上腔模中設置過濾器。
2.如權利要求1的取樣裝置，其中該過濾器每英寸具有5-20個孔(PPI)。
3.如權利要求1的取樣裝置，其中該過濾器由選自氧化鋯、石英和鋁中的任何一種材料制造。
4.如權利要求1的取樣裝置，其中該過濾器具有圓柱形形狀或六邊形形狀。
5.如權利要求1的取樣裝置，其中該過濾器的外部寬度小于該樣品的外徑，并且該樣品的長度為45-55mm。
6.一種用于復合探頭的取樣裝置，包括上腔模，其具有用于送入熔融金屬的注入口；和下腔模，其通過流道與該上腔模連通并且熔融鋼的樣品在其中凝固，其中該流道形成為使流道與下部室的容積比例為5-11％。
7.一種用于復合探頭的取樣裝置，包括上腔模，其具有用于送入熔融金屬的注入口；和下腔模，其通過流道與上腔模連通并且熔融鋼的樣品在其中凝固，其中在該上腔模的底部形成排氣孔。
8.根據(jù)權利要求1-5中任何一項的取樣裝置，其中該流道形成為使流道與下部室的容積比例為5-11％。
9.根據(jù)權利要求1-6中任何一項的取樣裝置，其中在該上腔模的底部形成排氣孔。
10.根據(jù)權利要求8的取樣裝置，其中在上腔模的底部形成排氣孔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改進的用于復合探頭的取樣裝置，其能夠在煉鋼期間取樣，以分析溫度、氧氣和熔融金屬的成分，并且其取樣的樣品具有高純度。該取樣裝置包括上腔模，其具有用于送入熔融金屬的注入口，和下腔模，其通過流道與該上腔模連通并且熔融鋼的樣品在其中凝固，其中在上腔模中設置過濾器。
文檔編號G01N1/10GK1746650SQ20051000750
公開日2006年3月15日 申請日期2005年2月6日 優(yōu)先權日2004年9月8日
發(fā)明者李萬業(yè), 黃善春, 金孝相, 權鏞澈, 李鐘旼 申請人:株式會社又進