专利名称：用于熔池光学分析的系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及熔融金属例如钢的精炼，更具体而言涉及分析精炼中的金属熔池。
背景技术：
金属比如钢通常在有耐火衬底的容器中制造和精炼，将炉料比如含金属的废料、生铁、矿石、石灰石、白云石等加热到熔融状态，并且向所得金属熔池中吹入氧气，使杂质氧化。通常在开始处理之前，不可能知道炉料的精确化学组成。所以，在炉料变成了熔融态并且充分混合后，必须确定其组成。而且，为了知道向精炼容器所含物中加入添加剂的时间和数量，必须至少定期确定金属熔池一直在变的组成。确定金属熔池组成的标准方法是中止制造过程，取出少量材料样品，用质谱仪对其进行分析。
人们更希望进行连续在线测量，但高温以及灰尘、烟和熔渣的存在不允许将测量装置设置在金属熔池里。本领域技术人员已经试图解决这些问题，方法是采用靠近金属熔池表面的光纤或采用诸如透镜、反射镜和棱镜的辅助装置，将数据从金属熔池传给分析仪。但是，这种装置不令人满意，因为安装复杂而且在精炼过程中难以维持，所以收集数据的精度和基于这些数据的分析统一性都大打折扣。
因此，本发明的目标是提供对金属熔池光学分析的系统，该系统可以在精炼期间连续使用，克服了现有分析系统固有的问题。
发明综述本发明实现了上述和其它目标，这些目标在本领域技术人员阅读了本公开内容后是显而易见的，其中一个方法是；光学分析金属熔池的方法，包括(A)从喷枪喷出气流并用火焰包裹物将该气流围绕起来，形成相干气流(coherent gas stream)；(B)将该相干气流传送到金属熔池；(C)通过相干气流轴向查看金属熔池，得到其光学数据；以及
(D)将光学数据传给分析仪。
本发明的另一方面是光学分析金属熔池的装置，包括(A)含有金属熔池的金属熔炉；(B)具有喷射端，用以将相干气流传送到金属熔池的喷枪；(C)安装在喷枪上的观察玻璃，校准后通过相干气流轴向观察金属熔池，以获取光学数据；和(D)分析仪以及将光学数据传给分析仪的设备。
本文所用的术语“火焰包裹物”是指围绕至少一种其它非燃烧气流的燃烧流。
本文所用的术语“相干气流”是指直径基本保持不变的气流。
本文所用的术语“金属熔池”是指金属精炼炉的内含物，包含熔融金属，还可以包括熔渣。
本文所用的术语“光学数据”是指描述金属熔池特征的数值，该数值可以由和金属熔池间隔开的接收器感知。
本文所用的术语“轴向”是指和主轴保持一致。
本文所用的术语“观察玻璃”是指诸如蓝宝石或石英的光学透明材料，能够在喷枪的压缩气流和纤维光缆或其它光学元件之间提供密封。光源比如激光可以安装在观察玻璃上，增加通过相干射流观察的金属熔池的能量，从而提高分析的有效性。
附图
简述唯一的附图是可用来实践本发明的一个优选装置的简化横截面示意图。
发明详述下面将参考附图详述本发明。现在请参考该图，金属熔炉10包含金属熔池，该金属熔池包含熔融金属4和位于熔融金属池上的渣层5，渣层可以是熔融态或者固态。熔融金属通常包括铁或钢。渣层通常包括氧化钙、二氧化硅、氧化镁、氧化铝和铁氧化物中的一种或多种。
设置喷枪1，以向金属熔池提供气体。附图示出的实施方案是优选的实施方案，其中设置了喷枪以垂直于金属熔池表面的方向向金属熔池中提供气体。或者，可以设置喷枪通过熔炉10的侧壁，倾斜于熔池表面提供气体。
虽然任何有用的气体可用在从喷枪提供给熔池的气流中，但该气体通常优选是氧气，比如商用氧气或者含有氧气的气体混合物。其它可用于实践本发明的气流中的气体包括氮气、氩气、二氧化碳、氢气、氦气、蒸汽、碳氢化合物气体和含有其中一种或多种的气体混合物。气体从喷枪中高速提供，优选以声速或超声速。通常，通过喷枪提供的气流3的速度至少是1000英尺每秒(fps)，优选是至少1500fps。最优选气流从喷枪喷射出来时是超声速，当它和熔池表面接触时仍是超声速。
从喷枪向外提供围绕气流的燃料和氧化剂，燃烧后形成围绕气流3的火焰包裹物2。如图所示，该火焰包裹物优选在熔炉中从喷枪喷射端部延伸至熔池，即气流的整个长度。用来形成火焰包裹物2的燃料优选是气态的，可以是任何燃料比如甲烷或天然气。用来形成火焰包裹物2的氧化剂可以是空气、氧浓度超过空气中氧浓度的富氧气体、或者氧浓度至少是90摩尔％的商用氧气。
火焰包裹物2用来防止周围气体例如熔炉气体被吸入或者夹入气流3中，从而防止气流3在通常至少20d的距离内的速度明显下降和直径显著增加，其中d是气流3从中喷射的、位于喷枪喷射端部处的喷嘴直径。也就是说，火焰包裹物2用来在通常至少20d的距离里创建并将气流3维持为相干气流。如图所示，优选的气流3从喷枪到熔池是相干气流。
气流3中传递到熔池的气体或气体混合物，通过和熔池组分反应和/或混合熔池来精炼熔融的金属。优选地，如附图所示，气流3的高速度和相干本质驱使它通过渣层5深入到熔融金属4中，促进在气流3中输送到熔池的气体的精炼和/或混合作用。在附图所示的本发明的实施方案中，气流3中的气体包含氧气，它和熔融金属中的碳反应从而脱去熔融金属中的碳，在该工艺中形成二氧化碳和/或一氧化碳的气泡6。
如上所述，需要对熔融金属的状况进行至少周期性优选连续地监控，以确定例如其组成、温度和/或已熔的废料比。在本发明的实践中，通过从观察玻璃9观察来监控这些参数。如附图所示，观察玻璃优选安装在喷枪1的和喷射端相对的一端上，提供防止氧气或其它气体从喷枪泄漏的压力密封，同时提供光学透明的观察口。
气流3的相干性质防止熔炉气体、烟、颗粒等夹入到气流3中，使得在观察玻璃9和金属熔池之间形成清晰的视线。这种观察能够从熔池中收集光学数据。透过相干射流观察熔融金属可以收集的数据包括温度、金属熔池和熔渣所含的各种元素的量以及工艺条件，其中温度通过光学高温测定法测定，元素含量通过光谱分析获取，工艺条件比如熔融废料的比例通过对温度趋势的分析确定。
光学数据通过例如光导组件8传给分析仪7，光导组件8可以包括纤维光缆或透镜和反射镜系统。分析仪7可以是例如分光光度计、光学高温测定仪或这些仪器的组合。分析仪7根据这些数据测量金属熔池的温度和组成，从而使操作者可以调整附加炉料、助熔剂、合金、电能和比如氧气的反应剂的量和加入时间，以便达到精炼工艺的所需目标。
通过观察熔池的当前温度和金属熔池中所剩碳、铬、锰或其它元素的数量，操作人员可以确定金属的处理在什么时间达到了正制备的金属类型所规定的条件。而且，如果经观察某些痕量元素例如铜的数量超过了正制备的金属的质量限制，那么操作人员可以作些调整，使制品在处理完成前满足规格。通过了解熔融的废料的比例，操作人员会知道将附加废料加入到熔炉中的合适时间。
利用本发明实现了对金属熔池性能的连续和在线测量，无需使用靠近金属熔池表面的光纤或者使用比如透镜、反射镜和棱镜的辅助手段。虽然本发明在详细描述时参考了优选实施方案，但本领域技术人员会认识到，在权利要求的精神和范围内本发明还有其它实施方案。
权利要求
1.光学分析金属熔池的方法，包括A)通过将气流通过喷枪(1)喷出并用火焰包裹物(2)围绕该气流，形成相干气流(3)；B)将所述相干气流传送金属熔池(4，5)；C)通过所述相干气流轴向观察金属熔池，从中获取光学数据；和D)将光学数据传送给分析仪(7)。
2.权利要求1的方法，其中所述火焰包裹物从喷枪延伸到金属熔池。
3.权利要求1的方法，其中所述相干气流在和金属熔池接触时具有超声速。
4.光学分析金属熔池的装置，包括A)含有金属熔池(4，5)的金属熔炉(10)；B)具有用于将相干气流(3)传到金属熔池的喷射端的喷枪(1)；C)安装在喷枪上的观察玻璃(9)，经校准后通过所述相干气流轴向观察所述金属熔池以获取光学数据；和D)分析仪(7)和将光学数据传给分析仪的装置。
5.权利要求4的装置，还包含用于产生通过所述相干气流的光的光源。
6.权利要求5的装置，其中所述光源是激光。
7.权利要求4的装置，其中所述观察玻璃位于喷枪上与其喷射端相对的一端。
8.权利要求4的装置，其中传送光学数据到分析仪的装置包括含有通过观察玻璃到分析仪的光纤的光导组件。
9.权利要求4的装置，其中所述分析仪包括光谱计。
10.权利要求4的装置，其中所述分析仪包括高温测量仪。
全文摘要
光学分析金属熔池(4)的系统，其中将高速气流(3)从喷枪(1)传送到熔池(4)，并用火焰包裹物(2)将该气流维持相干状态，以提供通过该气流(3)的清晰视线，从而轴向通过气流从远处或有间隔的观察点(9)观察该金属熔池。
文档编号C21C5/30GK1761839SQ200480006959
公开日2006年4月19日 申请日期2004年3月4日 优先权日2003年3月14日
发明者L·E·卡特斯 申请人:普莱克斯技术有限公司