专利名称：用于光学分析金属熔池的系统的制作方法
用于光学分析金属熔池的系统
狱领域
本发明一股涉JIM金属，例如钢铁，的精炼，尤其涉及分析情炼鹏中
的金属熔池。
背景駄
钢之类的金属一般是在有耐火衬里的容器中生产和精炼的，通过加热诸如
含金属的废料、生铁、矿石、石灰石、白云石等炉料至m状态，并向得到的 金属熔池中吹入氧气以氧化杂质。并非总能在开始处理之前得知炉料的准确化 学组成。因此，在炉料融化并完全混合之后必须确定其舰。此外，至少应定 期确定金属熔池的组成改变以获知需添加到精炼容器内的添加剂的定时和数 量。确定金属熔池组成的标准方法是中止生产过程，取出一小部，料样本， ^^质谱仪分析该样本。
更加需要进行持续的在线观懂，但是髙温和灰尘、烟和沪渣的存在不允许 在金属熔池中方爐测量设备。为解决这些问题，本领域駄人员已经尝试通过
^fflM:金属像 te面的光纤^使用如透镜、反射境及棱镜之类的辅助设备 来将魏M属熔池传想吩析仪。但^i^样的錢安装复杂，在精炼3il呈中 难以保持，因此影响到所收集数据的精度，也影响到基于这些数据而进行的分 析的識性，因此，该體不令人满意。
发明内容
本发明的一个方面是 光学分析金属熔池的方法，其包括-
(A) Mi3M趨气流穿过喷枪并朋外焰(flame envelope)包围織气流,
形,贯的氩气流；
(B) 将该连贯的氩气^A金属熔池；
(C) 纵向穿31^贯的氩气流进行观察，以观测金属熔池并从中获取光学 ,和
(D) 将光学数据提@分析仪。本发明的另一个方面是 用于光学分析金属熔池的装置，包括
(A) 金属熔炉，包括金属熔池；
(B) 具有喷射端的喷枪，用于将连贯氩气MA鍋熔池
(C) 窥镜，其安装在喷枪上与喷射端相对的一端，以提供防ihM气从喷
枪中泄漏的压力密封同时n^光学透明的观察口，并对准以便纵向穿^i贯氩
气^^见察金属熔池，以获取光学 ;和
(D) 分析皿将光学数据提供给分析仪的工具。 如此^^用术语"外焰"指围姬少一种其他非燃烧气流的燃烧流。 如此^t^f用术语"连贯气流"指直径基本保持不变的气流。 如此皿用术语"金属熔池"指包括熔l^^属、也可包括炉渣的金属精炼
炉中的容^。
如此处所用术语"光学数据"指用于描M属熔池的特性的数值，其可以 被与金属熔池隔开的接收 观倒。
如此^!^f用术语"纵向"指与长轴一致。
如此处所用术语"窥镜"指光学透明材料，如蓝宝石^F英，可以在喷枪
中的压缩氩气流与纤维光缆或者其他光学元件之间提供密封。光源，如激光， 可以安置在窥镜上以增加m^贯氩气喷射mia行观测的金属熔池的育遣，从 而改善分析的有效性。 附图
简述
唯一的附图是可用于本发明的实施中的一种,装置的简化,面图。 详细描述
结合附图对本发明进行详细说明。现参考附图，如图所示金属熔炉10 内含有包括熔融金属4和位于;l^^属ite上的炉渣层5的金属熔池，炉渣层 5可以为熔融态禾n/或固态。 一般而言，熔齢属包括减钢。炉渣层一般包括 氧化药、二氧化硅、氧化镁、氧化铝及氧化铁中的一种或多种。
为向金属熔池提供氩气而设置喷枪1。图中描述的实施方案是优选实施方 案，其中，喷柏-5设置以垂直于金属熔、,面的方向向金属熔池提供氩气。作 为另一种选择，喷枪可以经设置穿过炉10的側歷，以便与熔池表面成一定角 度提供氩气。在本发明的实施中，用氩气作为舰其进行光学观察的气体。与<魏氧或 其他反应气体的常规传感系统不同，由，目对于熔融金属的惰性，其可以从 超歡见察位置对熔齢属进行更加清晰的光学观察。此外，与常规系统中4顿
的常规较^:体相比，氩气的重量可以，融金属上形，确定的冲击点。由 于氩气的不反应性而减少了气体金属冲击点处的飞 其它可视的阻碍，而且 由于氩气的密度而具有更确定的冲击点，基于以上特性的结合，就能够进行比 用常规系统更加清晰的光学观察。这种更力鹏晰的光学观察肖辦改善繊采集 和,分析。
氩气从喷枪中高速喷出，优选以皿^g葡塞。 一般而言，从喷枪中喷出
的氩气流3的速度至少1000英尺每秒(扭)，雌至少1500fys。最鶴趟 气流从喷枪中喷射时具有超音速，并且当它接触到熔池的表面时也具有超音速。
燃料和氧化剂从喷枪中围纖气流喷出，并燃娜成氩气流3周围的外焰 2。雌地，如图中所示，夕卜焰延伸到在熔炉中的氩气流从喷枪喷射端到熔池 的 ^:度。用于形成外焰2的燃料雌是气体，可以是任何燃料，如甲驗 天然气。用于形戯卜焰2的氧化齐何以是空气、氧气浓S^i31空气中氧浓度的 富氧空气或者氧气浓度至少90摩尔％的市售氧气。
外焰2用来防止周围气体例如熔炉气 卩&\或者夹^\氩气流3中，从而 防lhM气流3在通常至少20d的距离内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、位于喷枪喷射端的喷嘴直径。也就是说，外焰2用于建 立和维护氩气流在通常至少20d的距离内为连贯气流。如图所示，^i;气流 3从喷枪到熔池是连贯气流。
常规方法并没有想到利用氩气的连贯喷射穿透熔池上面的炉渣层和烟。从 标准喷枪中喷出的气流不能长距离穿透炉渣层，不能提供对金属熔池的清晰观 察以精确测量其特性。要产生集中或连贯的氩气流需要使用围绕的燃料气体 (shroud foelgas)。由于如钠、钾、CaO及MnO等元素和針的燃烧，围約 体也产生#^波长的光信号，可以用来确定炉渣是否被完全穿透。
采用肖滩测量数种不同波长的光强的^fc计或者其他仪器。两个单独的波 长用来测量驗。其他波长用来测量各种元素如碳、硅、铜及铬等的量。另外 其他波长表明在观察范围内存在如CaO、 MnO及MgO之类的氧化物，可以用来确定包含这些氧化物的炉渣是否完全被穿透。穿透炉渣层的进一步指示是钠 和钾因围绕燃料而燃烧所产生的光信号从发射光谱转化为吸收光谱。已经表 明，当惰飽气完錄透炉渣层时就会发^J^J嫁。
气流3中传^ij熔池的嵐气，通过混合熔池来帮助精炼j^金属。im池，
如附图所示，氩气流3的髙速度和连贯特性驱使气流3穿过炉渣层5并深入到 熔i^属4中，从而改善了氩气流3中输glj熔池的气体的混合作用。
如上所述，理想的是对熔,属的状 ，行至少定期， 控， 以确定例如其组成、温自或已熔废料的比例。在本发明的实施中，M5iA窥 镜9观察来监控这些参数。如附图所示，窥镜9安置在n^: 1的与喷射端相对 的一端上，提供防止氩气从喷枪中泄漏的压力密封，同时提供光学透明的观察 口。此种防止泄漏不仅用来减4,体损失，而且用来减少压力不平衡的机率， 压力不平衡对于连贯氩气流的形成和维持可能产生副面影响。连贯气流的形成 和维持是不肯繩过常规感知系统获得的。
氩气流3的连贯特性防止炉气、烟、微粒等被^A^氩气流3中，使得从 窥镜9到金属熔池形自晰的韦鹏。这样^ili^见察纵向穿过由连贯氩气流3 提供的无阻碍通道彩见测金属熔池。该观测能够錯池收集光学数据。通过连 贯氩，流观察金属熔池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、鹏通过光学髙温测定法测定，元素M过光 谱分析获得，工艺条件例如熔 料的比例通^^^势的分析确定。
光学 31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^ 1和娜镜系统。分析仪7可以是例如光谱仪、光学髙温测定仪或这些 仪器的组合。分析仪7禾,这S^测量金属熔池的皿和组成，从而使操作 者可以调整补充的炉料、燃lj、合金、电能和诸如氧气的反应剂的量和加入时
间，以便超'j精炼o:艺的所需目标。
皿观察熔池的当前、亂度和金属熔池中所剩碳、铬、锰或其它元素的量， 操作人员可以确定金属的,在何时达到了正在制备的金属鄉的特定条件。 而且，如果观察到某些痕量元素例如铜的量超过了正在制备的金属的质量限 制，那么操作人员可以做些调整，以使制品在处理完成前满足技术规范。通过 了解熔融废料的比例，操作人员会知道将补充废料加入到熔炉中的适当时间。
利用本发明，人们可以实3E鹏金属熔池特性的ii^线测量，无需4顿靠M属像皿面的光纤或^ffi比如，、^镜和棱镜等辅助^。虽然在详 细描述本发明时参考了雌实駄案，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，其包括(A)通过使氩气流穿过喷枪并且用外焰包围该氩气流，形成连贯的氩气流；(B)将该连贯的氩气流通入金属熔池；(C)纵向穿过连贯的氩气流进行观察，以观测金属熔池并从中获取光学数据；和(D)将光学数据提交至分析仪。
2、 权利要求1所述的方法，其中夕卜焰从喷枪延伸至金属熔池。
3、 权利要求1所述的方法，其中连贯氩气流,到金属熔池时具有超音速。
4、 用于光学分析金属熔池的^S，包括(A) 金属熔炉，其包括金属熔池；(B) 具有喷射端的喷枪，用于将连贯氩气MA金属熔池；(C) 窥镜，其安装在喷枪上与喷射端相对的一端，以提供防止氣气从喷枪中泄漏的压力密封同时皿光学透明观察口，并对准以便纵向穿皿贯氩气mn察金属;^池，从而获取光学 ;禾口(D) 分析皿将光学 提供给分析仪的工具。
5、 权利要求4的體，进一步包括用于产生穿腿贯氩气流的光的光源。
6、 权利要求5的體，其中光源是激光。
7、 权利要求4的錢，其中喷樾5设置以向金属熔池沿着垂直于金属熔池的表面的方向,所,贯氩气流。
8、 权利要求4的装置，其中用于将光学 提^分析仪的工具包括光导组件，其包括从窥镜至分析仪的光纤。
9、 权利要求4的體，其中分析仪包括光谱仪。
10、 权利要求4的装置，其中分析仪包括高温测定仪。
全文摘要
用于光学分析金属熔池(4)的系统，其中将高速氩气流(3)从喷枪(1)传送到熔池，并用外焰(2)使气流保持连贯，以提供通过该氩气流的清晰的观察路径，从而纵向通过氩气流从远处或间隔开的观察点(9)观察该金属熔池。
文档编号C21C5/46GK101535507SQ200680005210
公开日2009年9月16日 申请日期2006年2月8日 优先权日2005年2月18日
发明者L·E·卡特斯 申请人:普莱克斯技术有限公司