用以获得具有高纯度样品的用于复合探头的取样装置的制作方法

专利名称：用以获得具有高纯度样品的用于复合探头的取样装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于复合探头的改进的取样装置，其能够在炼钢过程中检测关于温度、氧气和熔融金属的成分的信息。
背景技术：
通常，探头在钢铁厂的炼钢过程用于测量熔融钢的组分和温度。复合探头是具有多种功能的探头。
图1示出一种复合探头，其具有常规的取样装置。
在复合探头1中温度测量单元3插入主套管2的下部，而取样装置4设置在主套管2中靠近温度测量单元3的上侧。从而在炼钢过程中复合探头1浸没在各种精炼炉(转炉、EAF、AOD、VOD、RH-OB、LF、LT、B/B等)的熔融金属中，以进行取样过程并测量熔融钢的温度。
然而，特别是，在精炼过程的脱碳步骤期间产生的金属氧化物在不锈钢精炼炉中的还原和脱硫步骤中被还原，而含在熔融金属中的硫与用作辅助原料的CaO发生反应，从而与炉渣一起被除掉。
在这个阶段，由于由硅(Si)引起的脱氧，炉渣具有很高的碱度，改进的炉渣重新形成，强烈的搅动以及在还原和脱硫步骤中使用铁合金辅助原料，产生大量炉渣，并且惰性气体(Ar、N2)在炉子下部一侧继续进入熔融金属中。因此，熔融金属的表面非常不平整，并且因此不能清楚地区分炉渣和熔融金属之间的界面。因而，不能用常规的探头进行理想的取样。
图2a和2b分别是常规取样装置4的剖视图和局部透视图。
常规的取样装置4包括上部室5和下部室6。通过注入口7送入上部室的熔融钢通过流道8向下流进下部室6，并且然后在其内凝固以形成用于成分分析的样品。
当使用具有与自动装置一起的取样装置的探头时，在熔融金属精炼过程中产生的大量炉渣与用于分析的样品相混合，使得成分失常并在样品中产生瑕疵，因而不能进行成分分析。
此外，由于包含在熔融金属中的大量气体在用于分析的样品中引起空穴、针孔等，也不能进行成分分析。特别是，由于不锈钢的热传导性为普通钢的1/2-1/4，当探头在熔融金属中时在下部室6中的凝固没有完成。因而当存在于该探头中心部分的气体尚未被排出到外面时探头从熔融金属中取出。在这个阶段，在其容积为下部室6的约2％的很窄的流道8中的金属首先凝固，因而在气体封闭在样品中时凝固金属导致在用于分析的样品中形成大量空穴。
由于上述缺点，在实际操作中不能使用这种探头。因此，实际上，在精炼炉倾斜后操作者用一次性使用的热电耦直接测量温度，并且用勺状物取样。
但是，由于如上所述的手工操作而使精炼时间增加，导致生产率降低，耐火材料损耗增加，并且操作安全性降低。因此，由于在精炼炉倾斜后温度用手工测量，取样用手工进行，抽液(tapping)操作被延迟。还有，因为考虑到由于炉子倾斜而使温度降低，抽液操作在比抽液目标温度高10℃的温度下进行，精炼炉的效率和生产率明显降低。
此外，在温度测量和取样操作时操作者必须靠近精炼炉的高温，由于熔融金属的溅射危险是常有的，并且两个操作者必须一起进行测量同时它们形成一个组，使劳动者的生产率明显降低。

发明内容
因此，考虑到现有技术中的上述问题提出本发明，本发明的目的是使用过滤器确保正常的样品。该过滤器设置在上部室中，以吸收炉渣，以便防止进入该上部室的少量炉渣流进下部室，并且将由钢水静压力引起的紊流转换成层流。从而实现在下部室的稳定流入。
本发明的另一个目的通过减少熔融钢的过热是确保正常的样品。为此，控制流道的尺寸并形成排气孔，以最大限度地防止包含在熔融金属中的气体流进下部室，以防止流道内的金属首先凝固，并降低流进下部室的熔融金属的温度，因而减少熔融钢的过热。
本发明的又一个目的是确保精炼过程中提高生产率和安全性。为此，下部室的热容量最大化以增大进入下部室的熔融钢的凝固速度。此外，优化样品形状并且然后在其余的固体物质没有从上部室去掉时直接保存在气动运送器中以输送到分析室。这样，在精炼过程中炉子无需倾斜的情况下，能够自动进行温度测量和取样过程，确保精炼过程中提高生产率和安全性。
为了实现上述目的，本发明提供一种用于复合探头的取样装置，包括上腔模，其具有用于送入熔融金属的注入口，和下腔模，其通过流道与该上腔模连通并且熔融钢的样品在其中凝固。在上腔模设置过滤器。
还有，本发明提供一种用于复合探头的取样装置，包括上腔模，其具有用于送入熔融金属的注入口，和下腔模，其通过流道与该上腔模连通并且熔融钢的样品在其中凝固。在这方面，该流道的形成以使其与下部室的容积比例为5-11％。
此外，本发明提供一种用于复合探头的取样装置，包括上腔模，其具有用于送入熔融金属的注入口，和下腔模，其通过流道与该上腔模连通并且熔融钢的样品在其中凝固。在这方面，在上腔模的底部形成排气孔。


本发明的上述和其他目的、特征和优点从下面接合附图的描述将更加容易理解，其中图1示出具有常规取样装置的复合探头；图2a和2b示出常规的取样装置；图3a和3b是根据本发明实施例的取样装置的剖视图；图4a和4b是根据本发明实施例的取样装置的局部透视图；图5a和5b是根据本发明实施例的上部室的下部的透视图；图6是根据本发明另一个实施例的取样装置的剖视图；以及图7a和7b示出用根据本发明的取样装置产生的样品。
具体实施例方式
下面将参考附图详细描述本发明的实施例。
图3a和3b是根据本发明实施例的取样装置的剖视图，其中过滤器设置在上部室。在图3a中，该过滤器是圆柱形的，在图3b中，该过滤器是六边形的。
插入探头的主套管中，该取样装置包括通过形成在其侧面的注入口11、具有圆柱形或部分六边形空间的上腔模10、设置在该上腔模10的下面通过流道12与该上腔模10连通的下腔模20，并且熔融金属填充在其中。由上腔模10形成的空间叫做上部室17，由下腔模20形成的空间叫做下部室18。而且，该上腔模10可以分为上部上腔模15和下部上腔模16。
圆柱形或六边形过滤器13设置在上腔模10中，具体说，在下部上腔模16中。
该上腔模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具有圆柱形空间，以使熔融金属的送入和流动变平滑。此外，由于是圆柱形的空间，弹簧形式的脱氧剂的插入将变得容易并且脱氧效率提高。在这个阶段脱氧剂的例子包括Ti、Zr、Al等。
下部上腔模16具有圆柱形空间以使设置在其内的过滤器13的表面积最大化，从而提高炉渣的收集能力和气体排出能力，并减少熔融钢的过热。
可选地，下部上腔模16可以具有六边形空间。在这种情况下，六边形的过滤器13插入该下部上腔模中。过滤器13被支撑并固定在上部上腔模15的圆柱形空间中，并且因此，生产变得容易并且改进了过滤器13的装配可操作性。
下腔模20的空间，即下部室18以这样的方式形成，其内部直径以预定的比例向下逐渐减小，以减小样品方向性的凝固。因而样品中的瑕疵向上移，并且因此能正常地确保样品的分析区。
此外，下腔模20的热容量决定于下部室材料的比热和下腔模的重量。样品的尺寸在保证分析可靠的范围内减小，以使下腔模20的热容量最大化，底部厚度(d)增加，并且下腔模的壁的厚度最大化，增大从上部室17进入的熔融金属的冷却速度，从而减少凝固时间。因此，凝固是在探头保持在熔融金属内时完成的，从而不可避免形成的凝固瑕疵从分析区移动到上部室17。所以能够确保该样品分析区的正常性。
在这种状况，优选热容量为50cal/℃或以上。此外，样品的尺寸设定为45-50mm，下腔模20的厚度(d)设定为15-25mm。
优选上腔模10由陶瓷(Al2O3-SiO2)制造而不是石英(SiO2)。陶瓷粉末用模压机模压，并且然后烧结以产生上腔模。因而，上腔模赋予暴露于高温熔融钢下的陶瓷取样装置耐热性。这是由于它能够防止由于污染的碳组分的影响所致。优选下腔模20的材料为低成本的铸铁和铸钢，其具有高比热并且容易处理，以便确保样品的正常性。
优选地，过滤器13的高度保持在与注入口11的半径，也就是，注入口11的中心一样。如果过滤器13的高度低于注入口11的中心，当样品与该探头分离时，熔融钢在从该注入口的入口向下流进过滤器的上侧时凝固，并且这种大于样品外径的不必要的熔融钢形成在注入口11。因此，必需对样品进行预处理或用锤打击样品。如果过滤器的高度高于注入口11的中心，熔融金属的送入受到妨碍，并且因此样品不充足地填充在下部室中。因而，优选将过滤器的高度设置在该注入口11的中心之上和之下-5mm到+5mm的范围内。
在这种状况，过滤器的外部宽度必须小于样品的直径。其理由是当过滤器13的高度低于该注入口的中心时，熔融钢从该注入口的入口向下流动并凝固在该过滤器的外表面上。因此，必须在该过滤器的周围设置对应于样品外径的缝隙。
实践中，由于用于将样品输送到分析室的通常的气动运送器具有约85mm的接纳长度，优选样品和上部室的总长度为约80mm。因此，当样品高度为50mm时，优选过滤器13的厚度为约30mm。
过滤器13的材料为在高温1600℃或以上的氧化锆，1500-1600℃的铝，以及1300-1500℃分石英，以便调节高温特性并精确的控制成分。
如上所述，材料的类型随着温度而变化，以便防止应用于取样装置中的过滤器在一定范围内失去功能，在范围内，材料固有的性质不随着某种材料在每个温度下的相转换而变化。当选定材料的类型时，如果以石英为基的过滤器用于1600℃或更高的高温，在约1350℃开始发生相转换，并且过滤器在1600℃熔化，因此，多孔材料的孔被堵塞，过滤器容化，并且熔化的过滤器进入下部室，从而负面影响样品的正常性。
过滤器由海绵状多孔陶瓷制造从而具有希望的多孔性，以便熔融金属无序地而不是单向地流过孔。
至于过滤器的孔，过滤器具有5-20PPI(PPI每英寸的孔数)的孔。
具有5-20PPI的过滤器其作用是增加表面积，由于其回旋状的路径，控制熔融金属的流动性，降低进入温度，并在其上部机械地过滤大于其孔的未进行反应的原材料。
此外，炉渣的碱度为1.5-2.5，并且炉渣对陶瓷过滤器具有极好的润湿性。因此，通过孔进入模具内的炉渣到达过滤器并且然后附着在过滤器内，从而从熔融金属中分离出来。
但是，当过滤器具有5PPI或更少的孔时，考虑到炉渣的控制，也就是，过滤器的主要功能，熔融钢很容易进入到下部室，同时与炉渣混合，并且降低熔融金属的温度，导致减少熔融钢的过热的作用降低，并降低了将熔融钢的紊流转变成层流以便使熔融钢实现分步填充的作用。当过滤器具有20PPI或更多的孔时，阻止熔融钢流进下部室，使样品填充不足，这是不希望的。
图4a和4b是根据本发明实施例的取样装置的透视图。其中与常规取样装置相比注入口的面积变大。在图4a中，下部上腔模具有圆柱形空间，而在图4b中，该下部上腔模具有六边形空间。
取样装置的流道12使上部室17的过滤器13与下部室18连通并用作通过注入口11进入上部室17的熔融钢的引入路径，以填充下部室18。
优选地，流道12与下部室18的容积比为5-11％。器理由是当流道12与下部室18的容积比小于5％时，由于流道12内的熔融钢比下部室的样品钢先凝固，在样品凝固时不能排出气体，并且因此，在样品中形成空穴。当容积比大于11％时，因为由于熔融钢的流动而产生紊流，降低了从下部室18排出气体的能力，由于气体而导致样品的瑕疵。
图5a和5b示出了设置在下部上腔模16的下部的排气孔14。在图5a中，该下部上腔模16具有圆柱形空间，而在图5b中，该下部上腔模16具有六边形空间。
图5a和5b示出了下部上腔模16是倒转的，优选地，在下部上腔模16的下部排气孔14这样形成，每个具有一定宽度和1-2mm长度的2-4个排气孔形成与连接上腔模10的中心点和注入口11的中心的假想线倾斜-45°至+45°，以便顺利地排出存在于下部室18中的气体。
理由如下。如果在熔融金属填充过程中气体不从下部室排出，由于气体引起的瑕疵形成在样品中，难以进行理想的样品分析。此外，为什么限制角度的数字值的理由是在熔融钢的填充过程中气体流动路径集中在注入口引导路径的前部和后部上。此外，排气孔的宽度和长度限制成以便熔融钢的渗漏不会成为使用气动运送器或分析的障碍。
图6是根据本发明另一个实施例的取样装置的剖视图。
图6的取样装置包括过滤器13、流道12和排气孔14，这些要素的组合明显地改进了生产干净样品的技术。
图7a和7b示出用根据本发明的取样装置产生的样品。
在图7a中，上部室的下部具有圆柱形形状，而在图7b中，上部室的下部具有六边形的形状。在模具移去之后，过滤器13保留在样品19的上面。然后切割该样品以产生分析样品。
通过下面的例子可以更好地理解本发明，提出这些例子是为了说明，而不应当解释为对本发明的限制。
实例1在本实例中，使用过滤器，但是在比较例中不使用过滤器。其结果列于表1中。在熔融钢被取样之后，当得到能够用于进行准确的成分分析的正常的样品时，判定为成功。另一方面，当由于炉渣与样品混合而不能理想地进行样品分析时，判定为失败的比例。
表1

在本实例中，根据使用过滤器，利用卡方统计分析法(Chi Squarestatistical analysis)确定成分分析的失败率，结果发现是相当满意的，因为P值为0.00。因而利用过滤器被确定为是影响成分分析失败率的一个重要因素。
实例2进行操作，同时改变模具的热容量，其结果列于表2中。在熔融钢被取样之后，当得到能够进行用于准确的成分分析的正常的样品时，判定为成功。另一方面，当由于炉渣与样品混合而不能理想地进行样品分析时，判定为失败的比例。
表2

在本实例中，根据模具的热容量，用逻辑回归统计分析法确定成分分析失败率，结果发现是令人满意的，因为P值为0.002。因而，模具的热容量被确定为是影响成分分析失败率的一个重要因素。
利用根据本发明的装置得到的样品进行如下处理。
在精炼熔融钢的过程中，探头下降到精炼炉内并浸没在熔融金属中到距熔融金属表面约500mm的深度，浸没时间约4-5秒，同时采用自动测量装置的精炼炉无需倾斜而是保持在精炼位置。从而，熔融钢流进设置在探头中的下部室18，以形成样品19，并且该探头被回收以将样品从与其分离。形成在上部室17中的固体被移除或切割掉，放在运送器中，并通过气动运送管输送到分析室，以分析在精炼过程中的熔融金属的成分和分析最终成分。
在本发明中，虽然探头浸没在熔融金属中并在其内保持4-5秒钟，通过注入口11进入上部室17的熔融金属流过过滤器13和流道12进入下部室18并在其内开始凝固。当该探头在熔融金属中保持一定时间(大约4-5秒钟)之后被取出时，填充在上部室17中并且这种未凝固的熔融金属由于重力的作用通过注入口11被排放出。凝固的金属保留在过滤器13和下部室18中并因此能够被直接放入气动运送器中而不需要额外的处理并且然后运送到分析室，因而减少了取样后的等待时间，结果减少表面氧化物并减少成分失常。
此外，在样品在分析室在从其底部起的17-20mm处用切割器切割之后，无论是否看到有空穴瑕疵形成在该样品的切割面，随后，结果得到的样品用分析仪进行分析。
从上面的描述可以清楚看到，本发明具有如下优点。
首先，在采用了大量炉渣、氧气和惰性气体的精炼过程期间，在认为正常样品不可能的过程中，由于瑕疵没有形成在下部时的样品中，因此不需要进行手工温度测量和取样操作。因此，能够很快地得到该过程的信息并因此减少精炼时间，从而改进精炼过程。此外，取样操作自动进行，从而提高了操作者和生产的安全性。
第二，由于不需要对填充的样品进行预处理，确保了安全性。而且，样品到分析室的输送快速进行，因此减少了处理时间并明显地提高了分析精度。
第三，使用过滤器减少了在1600℃或更高的高温下熔融钢的过热，因而防止炉渣与样品混合，并改进了样品表面的外观。
第四，设置排气孔以从样品中去除由保留在下部室中的空气引起的瑕疵。
第五，流道的容积比防止由流道的凝固引起的收缩或由于气体引起的瑕疵。
权利要求
1.一种用于复合探头的取样装置，包括上腔模，其具有用于送入熔融金属的注入口；和下腔模，其通过流道与该上腔模连通并且熔融钢的样品在其中凝固，其中在该上腔模中设置过滤器。
2.如权利要求1的取样装置，其中该过滤器每英寸具有5-20个孔(PPI)。
3.如权利要求1的取样装置，其中该过滤器由选自氧化锆、石英和铝中的任何一种材料制造。
4.如权利要求1的取样装置，其中该过滤器具有圆柱形形状或六边形形状。
5.如权利要求1的取样装置，其中该过滤器的外部宽度小于该样品的外径，并且该样品的长度为45-55mm。
6.一种用于复合探头的取样装置，包括上腔模，其具有用于送入熔融金属的注入口；和下腔模，其通过流道与该上腔模连通并且熔融钢的样品在其中凝固，其中该流道形成为使流道与下部室的容积比例为5-11％。
7.一种用于复合探头的取样装置，包括上腔模，其具有用于送入熔融金属的注入口；和下腔模，其通过流道与上腔模连通并且熔融钢的样品在其中凝固，其中在该上腔模的底部形成排气孔。
8.根据权利要求1-5中任何一项的取样装置，其中该流道形成为使流道与下部室的容积比例为5-11％。
9.根据权利要求1-6中任何一项的取样装置，其中在该上腔模的底部形成排气孔。
10.根据权利要求8的取样装置，其中在上腔模的底部形成排气孔。
全文摘要
本发明公开了一种改进的用于复合探头的取样装置，其能够在炼钢期间取样，以分析温度、氧气和熔融金属的成分，并且其取样的样品具有高纯度。该取样装置包括上腔模，其具有用于送入熔融金属的注入口，和下腔模，其通过流道与该上腔模连通并且熔融钢的样品在其中凝固，其中在上腔模中设置过滤器。
文档编号G01N1/10GK1746650SQ20051000750
公开日2006年3月15日 申请日期2005年2月6日 优先权日2004年9月8日
发明者李万业, 黄善春, 金孝相, 权镛澈, 李钟旼 申请人:株式会社又进