CN110595831B

CN110595831B - 用于从熔融金属浴中取样的取样器

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Publication number: CN110595831B
Application number: CN201910475341.7A
Authority: CN
Inventors: J·德茨; G·奈伊恩斯; D·拜恩斯; J-P·费尔赫芬; A·伯塔根特
Original assignee: Heraeus Electro Nite International NV
Current assignee: Heraeus Electro Nite International NV
Priority date: 2018-06-12
Filing date: 2019-06-03
Publication date: 2022-09-02
Anticipated expiration: 2039-06-03
Also published as: ZA201903142B; EP3581913A8; UA127934C2; JP7355788B2; RU2718077C1; AU2020201458A1; KR102363775B1; US20210370286A1; UA124975C2; CN110595831A; KR20210069019A; AU2019202988A1; AU2019202988B2; BR102019011243A2; US11117127B2; US11660594B2; KR20190140851A; TW202001211A; JP6983197B2; US20190374937A1

Abstract

本发明涉及一种用于从熔融金属浴中取样的取样器，该取样器包括具有浸入端的承载管和设置在所述承载管的浸入端上的样品室组件，该样品室组件包括盖板和壳体，其中，所述壳体包括具有用于流入管道的第一开口的浸入端和具有用于气体联接器的第二开口的对向端。本发明还涉及一种用于从熔融金属浴中取样的取样器，该取样器包括具有浸入端的承载管；设置在所述承载管的浸入端上的样品室组件，该样品室组件包括盖板和壳体，其中盖板包括密封构件，该密封构件构造成在盖板与壳体之间提供基本上气密的密封。

Description

用于从熔融金属浴中取样的取样器

技术领域

本发明涉及一种用于从熔融金属浴中取样、特别是从钢水浴或铁水浴中取样的取样器。

背景技术

在加工熔融状态的金属期间，必须在该过程的各个阶段获得熔融金属的代表性样品，例如，用于分析或评估样品的化学组成或金相组织。在制造和进一步加工期间分析熔融金属的不同方法在本领域中是已知的。

过去，通常使用火花源光学发射光谱法/火花光发射光谱法(Spark-OES)设备来确定固化金属样品的组成。火花源光谱仪***通常由于其快速的分析时间和固有的准确性而是最有效的用于确定金属样品的化学成分并且用于控制熔融金属的加工的***。因此，在熔融金属加工工艺期间通常使用火花源光电直读光谱分析来控制熔融金属生产的进程。

火花源光谱法包含激发所要了解其组成的目标样品的原子，以及检查在从激发态到低能态的转变期间由原子发射的光子的波长。周期表中的每个元素在其原子从激发态回到低能态时发射一组特征离散波长。通过检测和分析这些波长，可以根据校准曲线来确定样品的元素组成，从而显示光谱强度比(即元素的绝对辐射功率/基础金属的绝对辐射功率)与标准样品中元素的浓度之间的关系。

光谱光可以通过用电磁辐射照射产生，例如通过激光或X射线产生，但通常由入射在所要了解其元素组成的对象上的、通过火花发生器产生的短火花产生以用于火花源光谱测定。在这种情况下，所述对象是金属样品。火花发生器、它们的强度和它们的脉冲状态根据具体的火花源光谱仪设备而变化。无论火花能量输入如何，已知这种发射光谱仪的准确性和可靠性取决于用于接收从样品发射的辐射的检测器和光学器件的精度及质量以及金属样品本身的均匀性。

广义上讲，火花源光谱法分析程序开始于导电金属样品以其分析表面朝下的状态定位在火花源光谱仪——即光发射光谱仪——的工作台的预定区域上。更具体地，样品定位成跨越并封闭光谱仪的分析开口，并且阳极几乎邻接样品的分析表面。一旦实现了样品的所需定位以及阳极和分析表面的接近，就在阳极与电连接到光谱仪工作台的导电金属样品之间放出火花。在大多数情况下，这种连接是通过重力与小的负载相结合实现的。光发射光谱仪上的分析开口通常宽约12mm。该距离避免了阳极与仪器壳体之间的火花电弧。光学检测器接收从样品表面的被挖掘材料发出的光。部分由阳极与金属样品之间的空间形成的火花室用氩气或其它惰性气体连续吹扫，以避免会导致错误分析值的空气进入。

为了平放在光谱仪的分析开口上，金属样品不能具有任何延伸部，并且金属样品的分析表面必须是光滑的。样品或样品外壳的任何部分都不会破坏分析表面的平面。样品必须跨越光谱仪的分析开口并且具有足够的平整度，以便于惰性气体吹扫火花室并呈现朝向阳极的连续样品表面。

获得金属的代表性分析的程序和方法在本领域中是公知的，如In Dulski,T.R.的《金属化学分析手册》(ASTM国际组织，1996年)中所述。到目前为止，人们普遍认为金属样品和用于其分析的仪器是相互独立的，因此，一者不影响另一者。

提供用于光谱分析的固体金属试样或圆盘的常规取样装置是已知的。通过这种取样装置获得的凝固金属试样的几何形状和尺寸有时将特定于金属类型或金相学需求。通过用于火花源光谱法分析的浸入装置获得的一般类别的样品是具有圆盘或椭圆形状并且直径或长度为28至40mm的样品。最常见的是，这种样品的直径或长度为约32mm，厚度为4至12mm。一些取样器(通常称为棒式取样器)可根据用户的要求产生不同形状的样品，范围从圆形到椭圆形或更长，但大多数样品仍具有约32mm的直径或长度。另一些取样器(通常称为双厚度取样器)将同一样品内的两种厚度组合起来。

设计成获得熔融金属样品以通过火花源光谱仪进行分析的典型取样装置包括样品室或型腔，其构造成在将取样装置浸入熔融金属浴中时被填充以熔融金属。界定型腔或取样室的模具通常是两部分蛤壳型布置或在上侧和下侧由平板覆盖的环。一旦金属样品凝固，就丢弃模具并将样品冷却，运送到实验室，研磨分析表面，进行进一步的冷却步骤，此时将样品运送到火花源光谱仪以进行分析。

美国专利No.3,646,816描述了这种类型的消耗性浸入式取样器，其中盘状样品的两个平坦表面由用于实现更快冻结的冷却板和在分析之前需要较少清理的一对更光滑的表面形成。另一些现有技术专利，例如美国专利No.4,211,117，涉及类似的概念，而美国专利No.4,401,389和5,415,052提供了该冶金样品与其它传感器组合的示例，其中一个传感器可以是温度测量传感器。

通过常规取样装置产生的样品在平行于光谱仪开口的方向上具有约32mm的直径，在垂直于光谱仪开口的方向上具有4至12mm的厚度。已经发现，常规厚度的凝固样品需要对铸态表面进行0.8至5mm的表面研磨，以获得不含金属和非金属偏析的分析表面。传统样品只能在制备过程之后达到这种表面状态，以产生在平行于光谱仪开口的方向上的直径通常至少为28mm、在垂直于开口的方向上的厚度通常小于12mm的几何形状。这种制备之后的几何形状通常由预分析制备设备处理，所述预分析制备设备以机械方式研磨样品表面并且也便于机械手操纵器操作，所述机械手操纵器将样品从准备状态推进经过分析以及移除，以等待下一个样品。

消除对表面准备的需求缩短了分析时间并且对金属制造商在经济上是有利的。在EP3336513A1、EP3336514A1、EP3336512A1和EP3336511A1中描述了此问题的各种解决方案。这些文献涉及直接分析(DA)取样器，其是一种新开发的产生DA样品的熔融金属浸入式取样器。DA样品在分析之前不需要任何类型的表面准备，并且因此可以通过利用火花源光谱法分析方法在及时化学结果的可用性以及实验室时间节省方面产生显著的经济效益。特别地，上述现有技术描述了样品腔的均匀填充和熔融金属样品的快速冷却，使得为分析呈现的整个样品区段均匀地冻结并且没有表面氧化。在从取样室模具中取出之前，凝固金属的热含量降低以使取样的金属接近室温。所获得的样品的体积比现有技术中描述的样品小，从而不会有不必要的大的样品体积来妨碍熔融金属样品的快速凝固。因此，EP3336513A1、EP3336514A1、EP3336512A1和EP3336511A1中描述的样品可以在不进行表面准备的情况下通过火花源光谱仪进行分析并从而获得潜在的经济效益。

然而，用上述现有技术DA取样器获得的DA样品仍然具有缺点，例如样品的高温、样品在样品室中的固定较差、DA样品被不需要的元素污染以及/或者不受控制的填充、部分填充或过早填充。

因此，本发明旨在提供一种用于改善DA取样器的质量以及因此改善相应获得的DA样本的质量的解决方案。

本发明的一个目的是提供一种改进的样品室并提供一种用于密封样品室的密封构件，该密封构件不会污染样品，并且还允许形成具有最小外部尺寸的样品室。

发明内容

本发明提供一种用于从熔融金属浴、特别是钢水浴或铁水浴中取样的取样器，该取样器包括：

-具有浸入端的承载管；和

-设置在承载管的浸入端上的样品室组件，该样品室组件包括盖板和壳体，其中壳体包括：

-具有用于流入管道的第一开口的浸入端和具有用于气体联接器的第二开口的对向端，

-在浸入端与对向端之间延伸的第一面，第一面具有靠近浸入端的第一凹部和第二凹部，第一凹部是分析区，第二凹部是通气区，分析区的一部分与分配区重合，该分配区与第一开口直接流动连通并且构造成从流入管道接收熔融金属，

-其中，第一凹部沿着中心纵向轴线形成为凹形，并且具有圆弧形或三角形的横截面构型，

-其中，盖板和壳体构造成组装在一起以形成包括分配区、分析区和通气区的样品腔，使得在样品腔内形成的凝固的金属样品的分析表面处于第一平面，并且

-其中，第一和第二开口与第一平面间隔开。

有利地，由于向内凹入成形的缺口，样品的温度可以降至最低，同时可以增大样品的厚度。尤其是，通过产生具有圆弧形或三角形横截面的样品来减小样品的质量。这使得能在不增加火花发生期间的发热效应的情况下将取样质量减少高达50％。申请人可以得出推断，当被提供给光谱仪时，样品的温度和样品的散热能力对于分析准确性是重要的。尽管样品是在处于其外壳中的状态下被提供给光谱仪的，但申请人可以推断，在火花位置处，基本样品厚度会影响分析的准确性。壳体的质量有助于使得样品温度在整个分析周期内均化，即，比较至少2个火花分析结果以验证输出结果。此外，样品的长度可以减至最小并且样品在第一凹部中具有优异的固定性。

在一个实施例中，第二凹部形成为凹形并且具有圆弧形或三角形的横截面构型，和/或第二凹部的深度朝向第一凹部连续增大。火花旨在聚焦在样品的最大深度轴线上。已考虑：4mm的最大深度可用于对宽度为10mm的样品进行分析。增大样品宽度应当相应地引起样品的最大深度的减小。这可以通过局部降低样品壳体的冷却能力来解释。凹形或三角形的样品和通气区也减少了闪蒸的形成，所述闪蒸形成在样品腔模具与盖之间的小的间隙中。具体而言，在通气区中形成的闪蒸可能会导致样品中的裂缝并产生可能落入光谱仪分析室中的样品松散部分，从而导致电气短路。

在另一实施例中，第一凹部具有基本均匀的深度，或者第一凹部的深度朝向第二凹部或朝向浸入端增大。

此外，在另一实施例中，样品腔以及第一和第二开口沿着共同的纵向轴线对齐。

在又一实施例中，分析区、分配区和通气区被构造为邻接的多个部段，每个部段具有长度与深度之比，多个部段的长度与深度之比的总和大于25。

在一个实施例中，分配区、分析区和通气区被构造为邻接的多个部段，每个部段具有长度与深度之比，各部段的长度与深度之比随着与第一开口的距离增大而相继增大。

在另一实施例中，分析区的至少一部分的宽度尺寸沿着熔融金属的流动方向不增大，所述流动方向从分配区的端部朝向第二开口延伸。

在一个实施例中，分析区和通气区的总长度在20mm与50mm之间，优选地长30mm。

在另一实施例中，分析区的横截面积沿着熔融金属的流动方向逐渐变小，和/或通气区的横截面积沿着熔融金属的流动方向逐渐变小。

在一个实施例中，取样器包括测量头，该测量头被支承在承载管上并适于容纳样品室的至少一些部分。

本发明还提供了一种用于从熔融金属浴、特别是钢水浴或铁水浴中取样的取样器，该取样器包括：

-具有浸入端的承载管；

-设置在承载管的浸入端上的样品室组件，该样品室组件包括盖板和壳体，其中盖板包括密封构件，该密封构件构造成在盖板与壳体之间提供基本上气密的密封，其中密封构件由对样品室中的样品基本上无污染的材料构成。

这里，术语“取样器”可用于指代如上所述的直接分析取样器。术语“基本上气密”意味着密封件或接头可以是完全气密的或在很大程度上是气密的。此外，“基本上不污染”意味着无污染材料不会导致不需要的元素从所述材料分离到样品中或沉积在分析表面上，即，要么根本没有不需要的元素，要么很大程度上防止了分离、从而仅微量/痕量的不需要的元素能被检测到。

有利地，密封构件防止灰尘粘附到盖板或壳体上，灰尘会污染光谱仪的表面并影响正在进行的分析和甚至接下来的分析。

在一个实施例中，密封构件、优选垫圈具有0.05mm至0.2mm的厚度，优选地0.12mm的厚度。在又一些实施例中，可以使用其它厚度，但是远离上述范围的厚度在实践中会导致复杂性。而且，密封构件可以例如被实现为O形环。

在另一实施例中，无污染材料是非浸渍的纸材料。

在一个实施例中，无污染材料是包含合成或天然弹性体的预加工件，其中可变形的弹性体材料预固化至至少100℃、优选大于120℃的温度。

在另一实施例中，密封构件通过使密封构件的至少一部分围绕盖板弯折、特别是弯在至少3mm的长度上弯折而附接到盖板上。

在一个实施例中，密封构件通过低粘性压敏粘合剂材料附接到盖板上，该粘合剂材料对样品室中的样品基本上是无污染的。所述粘合剂材料可以施加在表面的一部分上，并且优选地施加到取样器的盖部上或施加到面向盖板的密封构件侧上。理想的是粘合剂材料离开密封构件的边缘(切割侧)地施加。在将粘合剂施加在取样器主体与盖板之间的空间中的情况下，最好的做法是尽可能远离流入管道地施加粘合剂。弯折密封构件和/或使用粘合剂的目的是确保在打开样品室组件期间密封构件会与盖板一起被移除，并且防止密封构件会与取样器的主体部分保持连接、从而妨碍在火花源光谱仪上的分析。

附图说明

以下示意图示出了本发明的多个方面，以结合一些示例性说明促进对本发明的理解，其中

图1示出了根据本发明实施例的取样器的示意图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的样品室组件的示意图；

图3a、3b示出了根据本发明实施例的盖板和密封构件的示意性俯视图；

图3c-f示出了根据本发明实施例的盖板和密封构件的示意性侧视图；

图4a、4b是根据本发明的一个实施例的样品室组件的壳体的示意图；以及

图5a、5b是根据本发明另一实施例的样品室组件的壳体的示意图。

具体实施方式

图1示出了用于从熔融金属浴中取样的取样器1。取样器1适合于浸入钢水中并对钢水取样。所示的取样器1包括测量头3，测量头3可以由树脂粘合的硅砂制成。测量头3被支承在承载管5上，承载管5可以是纸质承载管。在使用时，探头架或探头管(未示出)优选地***承载管5的内部容积中，以提供将测量头3在浸入方向I上浸没在熔融金属浴(未示出)的表面下方所需的机械作用。

测量头3包括用于收集和取回熔融金属样品的样品室组件7。如图所示，样品室组件7是由壳体9和盖板11组成的两部分式样品室，如图2中更详细地所示。壳体9优选地由一种或多种材料形成，这些材料是良好的导热和导电体，例如但不限于铝、铜以及具有类似导热和导电性能以用于电联接到取回的金属样品的其它金属。样品室组件7的壳体和盖板9、11可以通过夹具13保持在一起，如图2中更好地示出，其压缩力足以抵抗样品室7组件的两个部分9、11由于熔融金属流入并填充样品室组件7的力和在填充样品之前的吹扫阶段期间的力而分离的趋势。夹具13可以是金属夹具。

图1还示出了具有第一端和对向的第二端的测量头3。测量头3的第一端对应于测量头3的浸入端15。测量头3的第二端构造成面向探头管或探头架。此外，样品室组件7具有第一端和对向的第二端。样品室组件7的第一端对应于样品室组件7的浸入端17。本领域技术人员会理解，用语“浸入端”是指主体的首先浸入熔融金属中的一端。样品室组件的第一端17附接到流入管道19上，其中流入管道被接纳在壳体9中的开口处。流入管道19使得熔融金属能够从熔融金属浴流入样品室组件7中。这样，熔融金属沿与平行于样品腔的纵向轴线X的浸入方向I相反的方向引入样品室组件7中。流入管道19可以由石英材料制成，更优选地由熔融石英材料制成。

如上所述和图中所示的样品室组件7需要在填充之前预加压。在将该单元送至所需深度之后，需要产生这种压力以获得规定的填充势差。在开始填充样品室组件7之前在等待时间期间将取样器保持在该位置能够使液体浴变得均匀。需要如此，以允许取样单元的保护罩帽18和入口罩帽16燃烧和/或熔化，以及允许来自盖16、18的金属成分分散在熔体中。

为了在样品室组件7中产生压力，需要密封样品室组件7。可以基于所施加的惰性气体流量来确定最大泄漏。允许最小气体流量被认为是有益的。该气体去除在储存期间滞留在样品室组件7中的空气/氧气。在样品室组件7呈现出限定样品室组件7的多个部件之间的泄漏的情况下，存在不受控制的填充、部分填充或过早填充的风险。所有这些失效模式将导致样品无法分析或输出有偏差的分析结果。需要将样品室组件7预加压至超过铁水静压力水平的水平。

因此，图3a和3b中所示的密封构件21由对样品室组件中的样品基本上无污染的材料组成，例如非浸渍纸材料，或者包含合成或天然弹性体的预加工件，该预加工件预固化至至少100℃、优选超过120℃的温度。应该结合整个加工工艺期间样品室组件的最高温度来看待该预固化温度。样品室组件的温度越低，预固化温度就会越低。样品室组件的温度越高，所需的预固化温度就会越高。这些材料具有吸收污垢——例如在浴中加热传感器期间形成的焦油——的能力。

出于组装的实际目的，盖板11可以具有与壳体9大致相同的宽度和长度。盖板11优选地具有在1mm至5mm之间的厚度。盖板11的第一侧构造成面向壳体9。密封构件21设置在盖板11的一侧，以便在样品室组件的组装构型中定位在壳体9与盖板11之间。

在所示实施例中，密封构件21是垫圈，其尺寸设计成在样品室组件的组装构型中包围或围绕脊部。密封构件21可以通过对样品室组件中的样品基本上无污染的低粘性压敏粘合剂材料附接到盖板11上，或者可选地通过使密封构件21的至少一区段围绕盖板11弯折、特别是在至少3mm的长度上弯折而附接到盖板11上。

图3c示出了盖板11的侧视图，其中密封构件21以松散的方式布置。

图3d示出了盖板11的侧视图，其中密封构件21利用粘合剂22布置。

图3e示出了盖板11的侧视图，其中密封构件21折叠到盖板11的外表面上。

图3f示出了盖板11的侧视图，其中密封构件21折叠到盖板11的外表面上并且用粘合剂22固定到盖板11的外表面上。

图4a示出了根据本发明的一个实施例的样品室25’的壳体7’的示意图，图4b示出了切开图4a中所示的壳体7’的剖视图。图中所示的第一面23’是分析面，意味着它是壳体7’的在其中收集样品并且因此构造成在分析期间面朝下定位在光发射光谱仪的工作台上的几何学侧面。

可以看出，第一面23’分别在壳体7’的以及样品室25’的浸入端17’与对向端之间延伸。在与样品室25’的浸入端17’相对的第二端处，设置有气体端口，该气体端口优选地完全包含在壳体7’内。

图4a和4b还示出了第一面23’被形成中空部以形成样品室25’的用于通气和收集熔融金属的不同区域或区段。因此，第一面23’包括以下共同形成样品室25’的样品腔的各种凹部：第一凹部27’是分析区，第二凹部29’是通气区。分析区的一部分与分配区重合，该分配区与位于浸入端17’处的开口直接流动连通并且构造成从流入管道接收钢水。

第一凹部27’由形成在壳体7’的第一面23’中的细长的凹形缺口或凹陷部限定。

由于凹形缺口，可以使样品的温度降至最低，同时可以增大样品的厚度。尤其是，通过产生圆弧形样品来减小样品的质量。这使得能在不增加火花发生期间的发热效应的情况下将取样质量减少高达50％。此外，样品的长度可以减至最小并且样品在第一凹部27’中具有优异的固定性。降低的样品温度相应地降低了密封的温度要求。样品的最高温度对于从密封处释放的可能影响分析结果的成分造成了最大的风险。

图4a和4b示出了第二凹部29’也具有凹形的横截面构型。在又一些实施例中，第二凹部29’的深度也可以朝着第一凹部27’连续增大。

图5a示出了根据本发明另一实施例的样品室25”的壳体7”的示意图，图5b示出了切开图5a中所示的壳体7”的剖视图。

所示出的壳体7”基本上对应于如图4a和4b所示的壳体，但与图4a和4b所示的实施例的区别在于，第一凹部27”由长的三角形缺口限定，而第二凹部29”也由长的三角形缺口限定。

然而，本领域技术人员将知道可以使用其它形状(例如多边形形状)来实现类似的结果。

无论是单独还是彼此任意组合，权利要求、说明书和附图中公开的特征对于所要求保护的发明的不同实施例可能是重要的。

附图标记

1 取样器

3 测量头

5 承载管

7,7’,7” 样品室组件

9 壳体

11 盖板

13 夹具

15 测量头的浸入端

16 入口罩帽

17 样品室的浸入端

18 保护罩帽

19 流入管道

21 密封构件

22 粘合剂

23’,23” 第一面

25’,25” 样品室

27’,27” 第一凹部

29’,29” 第二凹部

I 浸入方向

X 纵向轴线

Claims

1.一种用于从熔融金属浴中取样的取样器，该取样器包括：

-具有浸入端的承载管；和

-设置在承载管的浸入端上的样品室组件，所述样品室组件包括盖板和壳体，其中，壳体包括：

-在浸入端与对向端之间延伸的第一面，所述第一面具有第一凹部和第二凹部，第一凹部靠近浸入端并且是分析区，第二凹部是通气区，所述分析区的一部分与分配区重合，所述分配区与第一开口直接流动连通并且构造成从流入管道接收熔融金属，

-其中，所述盖板和所述壳体构造成组装在一起以形成包括所述分配区、所述分析区和所述通气区的样品腔，使得在该样品腔内形成的凝固的金属样品的分析表面处于第一平面，并且

-其中，所述第一开口以及所述第二开口与所述第一平面间隔开。

2.根据权利要求1所述的取样器，其中，第二凹部形成为凹形并且具有圆弧形或三角形的横截面构型，以及/或者，第二凹部的深度朝向第一凹部连续增大。

3.根据权利要求1所述的取样器，其中，第一凹部具有基本均匀的深度，或者第一凹部的深度朝向第二凹部或朝向浸入端增大。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的取样器，其中，样品腔以及第一开口和第二开口沿着共同的纵向轴线对齐。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的取样器，其中，分析区、分配区和通气区被构造为邻接的多个部段，每个部段具有长度与深度之比，所述多个部段的长度与深度之比的总和大于25。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的取样器，其中，分配区、分析区和通气区被构造为邻接的多个部段，每个部段具有长度与深度之比，这些部段的长度与深度之比随着与第一开口的距离增大而相继增大。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的取样器，其中，分析区的至少一部分的宽度尺寸沿着熔融金属的流动方向不增大，所述流动方向从分配区的端部朝向第二开口延伸。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的取样器，其中，分析区和通气区的总长度在20mm与50mm之间。

9.根据权利要求8所述的取样器，其中，分析区和通气区的总长度为30mm。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的取样器，其中，分析区的横截面积沿着熔融金属的流动方向逐渐变小，以及/或者，通气区的横截面积沿着熔融金属的流动方向逐渐变小。

11.根据权利要求1所述的取样器，其中，所述熔融金属浴是钢水浴或铁水浴。