Способ регистрации электромагнитных волн, излучаемых расплавом, и устройство для его осуществления

 

Способ регистрации электромагнитных волн, излучаемых расплавом, в частности расплавом металла, включает задувку газа для образования газонаполненного полого пространства и наблюдение и оценку электромагнитных волн, излучаемых расплавом, через задутый газ и путем передачи электромагнитных волн через оптическую систему на детектор с целью определения температуры и/или химического состава. Для исключения ложных измерений излученные электромагнитные волны, направленные наклонно к оптической оси оптической системы и излучаемые краевой областью полого пространства, исключают из регистрации путем очистки испускаемых электромагнитных волн от электромагнитных волн, направленных наклонно к оптической оси оптической системы и находящихся за пределами допустимого радиуса вокруг оптической оси оптической системы. Это выполняют за счет того, что эти электромагнитные волны отклоняют за оптическую ось рассеивающим устройством оптической системы так, чтобы только электромагнитные волны, более или менее параллельные оптической оси оптической системы, достигали детектора, размещенного после оптической системы, и/или путем перемещения оптической системы регулирования оптической оси упомянутой системы относительно плотности до тех пор, пока интенсивность излучаемых электромагнитных волн не достигнет максимального значения. Технический результат - исключение искажений. 3 с. и 23 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к способу регистрации электромагнитных волн, излучаемых расплавом изнутри, в частности расплава металла, главным образом в видимом диапазоне и в ближнем ультрафиолетовом и инфракрасном диапазоне, при котором внутри расплава путем задувки газа образуется газонаполненное полое пространство, и электромагнитные волны, испускаемые расплавом, наблюдают через задутый газ и оценивают путем передачи электромагнитных волн через оптическую систему в детектор с целью определения температуры и/или химического состава, а также к устройству для осуществления способа.

При производстве стали в конвертере или в любом другом металлургическом реакторе путем фришевания чушкового чугуна или обработки других расплавов в такой металлургической емкости обычно стараются создать возможность непрерывной и быстрой оценки температурных характеристик и/или состава расплава во время активного процесса обработки, чтобы сделать процесс обработки по возможности более коротким и максимально приблизиться к желаемым конечным показателям состава. Быстрота требуется, в частности, потому, что химические реакции осуществляются на высоких скоростях, и возникает опасность того, что необходимое вмешательство в процесс фришевания или в процесс обработки не произойдет в нужное время. Крайне неточные операционные условия, превалирующие в таких установках, не отвечают этим целям. При производстве стали в металлургическом реакторе (конвертере, электропечи и т.д.) во время вторичной металлургической обработки расплавов стали или при обработке расплавов цветных металлов (таких как Cu, Ni, Al) желательно, кроме того, знать температуру и/или химический состав расплава после каждой стадии обработки.

Для решения этих проблем были предприняты попытки, например, получить вспомогательные данные, используемые для коррекции момента времени завершения процесса фришевания, из спектрального анализа пламени конвертера или из поглощения им относительно монохроматического света определенной длины волны. Однако сильно изменяющиеся условия дутья и вспенивания шлака в ванне расплава, а также высокое содержание пыли в отработанном газе не позволяют получить достаточно точные данные о температуре ванны и химическом составе расплава. Кроме того, было предложено измерение температуры (DE-B - 1408873) путем ввода в огнеупорное покрытие конвертера инкапсулированных термопар, выступающих внутрь конвертера и в рабочем положении конвертера лежащих ниже мениска расплава, подвергаемого фришеванию. Однако срок службы таких термопар незначителен; кроме того, на результатах измерения неблагоприятно сказывается необходимость сильного охлаждения измерительного прибора.

Далее, известен способ определения температуры расплава в предварительно заданный момент времени посредством фурм, погруженных в расплав. Этот способ неприменим при производстве стали в конвертере, так как для этого конвертер необходимо наклонять и затем снова устанавливать в правильное положение, что обусловливает потерю температуры в ванне расплава до 40^o. Кроме того, такой способ слишком трудоемок, поскольку сначала, перед наклоном конвертера, должны быть отведены дутьевые фурмы, после проведения измерения конвертер должен быть снова установлен в правильное положение, и только потом дутьевые фурмы - если необходимо - должны быть втянуты обратно и дутье может продолжаться. Другим недостатком является то, что точка измерения внутри расплава выбирается лишь произвольно, и, таким образом, результаты плохо воспроизводимы. Кроме того, не может быть точно определена глубина погружения щупа, что также ухудшает воспроизводимость.

Определение химического состава расплава является еще более сложным. Для этой цели применяется способ взятия проб посредством фурм, погруженных в расплав. При производстве стали в конвертере такой способ неблагоприятен, так как взятие этих проб также требует много времени: конвертер опять-таки нужно наклонить (за исключением измерений при помощи перпендикулярных подфурм), а взятые пробы отправить в лабораторию.

При производстве стали в конвертере известен способ проведения углеродного экспресс-анализа путем измерения температуры задержки и содержания углерода. Таким образом, при этом способе возможно лишь определение углеродного эквивалента, так что содержание некоторых сопутствующих элементов, присутствующих в расплаве, будет учитываться только при расчете действительного содержания углерода.

Далее, известен способ анализа активности углерода и кислорода и взятия проб и температурных измерений в конвертере при помощи подфурм. Однако этот способ неблагоприятен ввиду того, что подфурмы сами по себе (а также и пробы) очень дороги, подвержены очень высокому износу и применимы только для жидких шлаков ближе к завершению процесса дутья.

Из EP-B - 0162949 известен способ наблюдения за образованием шлака в дутьевом конвертере для производства стали, использующий световое излучение, испускаемое поверхностью шлака внутри пространства конвертера. В этом способе свет преобразуется в фотоэлектрические сигналы и соответствующим образом обрабатывается, при этом изменения сигналов принимают как критерий образования вспененного шлака. Приемники, вставленные в боковую стенку конвертера, расположены над шлаком/ванной расплава и непригодны для определения температуры ванны расплава и состава расплава.

Из EP-A - 0162949 известны способ и устройство для спектрально-аналитической оценки света, излучаемого центральной частью пламени горелки. В этом способе подачу топлива и воздуха для горения контролируют по световому спектру. Излучаемый свет передается в электронный измерительный прибор через оптико-волоконные проводники, а подача воздуха для горения и топлива регулируется как функция осуществляемого при этом газового анализа.

Подобное устройство для измерения температуры в технологическом процессе выработки восстановительного газа в высокотемпературном реакторе при повышенном рабочем давлении упоминалось в DE-A - 4025909.

Из EP-A - 0214483 известен способ определения химического состава железа путем нагнетания кислорода или кислородсодержащего газа сверху на поверхность расплавленного железа, при этом лучи, излучаемые поверхностью расплава, анализируются спектрометром для определения химического состава железа.

Из US-A - 4619533 и EP-A - 0362577 известны способы ранее описанного типа, в первом из которых излучение, излучаемое расплавом металла, передается в детектор через оптико-волоконный волновод. Согласно EP-A - 0362577, лазерный свет фокусируется на металлической поверхности и таким образом вырабатывает плазму. Свет плазмы, излучаемый металлической поверхностью, через систему линз и оптико-волоконный волновод подается в спектрометр для элементарного анализа. Система линз содержит регулируемые линзы. Линзы регулируются таким образом, чтобы соотношение интенсивностей двух линий железа, а именно интенсивности атомной линии и интенсивности ионной линии, было минимальным.

В способе описанного выше типа, т.е. при регистрации электромагнитных волн, излучаемых изнутри расплава, задувку газа для образования газонаполненного полого пространства преимущественно осуществляют через отверстие в стенке металлургической емкости, содержащей расплав металла, причем упомянутое отверстие должно быть расположено ниже стандартного мениска. В области перехода упомянутого отверстия металлургической емкости к расплаву, т.е. в краевой области упомянутого отверстия, возникают отражения электромагнитных волн, излучаемых расплавом, даже если отверстие очень мало, что приводит к искажению измеряемых величин. Если в результате задувки газа образуется корка отверженного расплава в форме гриба, то корка в виде бисера, окружающая краевую область отверстия по всей периферии и ориентированная по направлению к расплаву, представляет собой нарушающий фактор, несмотря на ее защитную функцию для отверстия, так как постоянно меняется в размере и расположении, за счет чего излучение, испускаемое поверхностью корки или областью перехода от корки к расплаву, будет искажать результат измерения. Показано, что точное измерение может быть выполнено только в том случае, если принимается и передается на детектор излучение, которое испускается исключительно поверхностью расплава. Отражения от краевой области отверстия или от корки оказывают сильные нарушения, т. е. вызывают искажения измеряемых величин, причем эти искажения нельзя распознать при помощи каких-либо других показаний.

Изобретение направлено на устранение вышеописанных недостатков и трудностей и ставит своей задачей создание способа ранее описанного типа, а также устройства для осуществления этого способа, при помощи которого обеспечивается возможность простого определения желаемых характеристик расплава (например, стали, нержавеющей стали, ферросплавов и расплавов цветных металлов), практически без задержки по времени и, в частности, непрерывно, а кроме того, даже при наличии вязких или сухих шлаков. Искажения измеряемых величин, вызываемые самим процессом измерения и неточными условиями функционирования сталеплавильных производств, должны быть надежно предотвращены, причем искажения измеряемых величин должны быть исключены даже в том случае, если полое пространство, образуемое внутри расплава, поддерживается очень маленьким.

В соответствии с изобретением эта цель достигается за счет того, что электромагнитные волны, направленные наклонно к оптической оси оптической системы и излучаемые краевой областью полого пространства, исключаются из обнаружения путем очистки испускаемых электромагнитных волн от электромагнитных волн, направленных наклонно к оптической оси оптической системы, за счет отражения упомянутых электромагнитных волн за оптическую ось оптической системы в рассеивающем устройстве оптической системы, таком как рассеивающая и фокусирующая система линз, и только электромагнитные волны, направленные приблизительно параллельно оптической оси оптической системы, достигают детектора, размещенного после оптической системы, и/или за счет того, что оптическую систему перемещают относительно полого пространства при регулировке ее оптической оси, до тех пор пока интенсивность излучаемых электромагнитных волн не достигнет максимума при ее оценке.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления после устройства рассеяния волн размещено устройство образования волнового пучка, такое как фокусирующая линза или система фокусирующих линз, и электромагнитные волны, направленные приблизительно параллельно оптической оси оптической системы, фокусируются при помощи устройства образования волнового пучка и подаются на детектор непосредственно или через оптико-волоконный волновод, а наклонные волны и волны, находящиеся за пределами допустимого радиуса, не охватываются таким фокусированием.

Следующий предпочтительный вариант осуществления отличается тем, что и устройство рассеяния волн, и расположенное за ним устройство образования волнового пучка перемещают относительно полого пространства при регулировке их оптической оси до тех пор, пока интенсивность излучаемых электромагнитных волн не достигнет максимума при ее оценке. Таким образом, обеспечивается возможность получения оптимальных результатов измерения даже при интенсивном образовании корки и/или крайне неравномерном, однобоком образовании корки, т. е. при большой склонности расплава к образованию корки или в том случае, когда полые пространства внутри расплава имеют малые диаметры.

Для осуществления анализа состава расплава через газонаполненное полое пространство в расплав подают энергию, и часть расплава за счет подаваемой энергии испаряется, в частности, вдуваемый газ вступает в химическую реакцию с расплавом и, таким образом, обусловливает испарение части расплава.

Для защиты во время измерений газ, задуваемый в расплав с образованием полого пространства, на участке ввода в расплав окружают газовой рубашкой или несколькими газовыми рубашками, включающими углеводородсодержащую защитную среду, предпочтительно смешанную с инертным газом.

Это вызывает образование корки отвержденного расплава, гарантируя подачу газа, а также обеспечивает значительно более мягкие условия работы устройства для проведения измерений и увеличивает срок его службы.

Упрощение и ускорение способа обеспечивается в том случае, если определение температуры или химического состава расплава сочетается с предварительно рассчитанными или измеренными параметрами, например, с вычисленным содержанием углерода в отработанном газе или с приблизительным расчетным составом расплава в момент измерения, и, кроме того, если определяется содержание лишь отдельных элементов расплава, например, содержание Mn, Cr, C в расплавах железа, а содержание других элементов или соединений, имеющихся в расплаве металла и в расплаве шлака, рассчитывается из них.

Точность способа по изобретению может быть увеличена за счет того, что для максимального приближения измеряемой температуры к действительной температуре расплава внутри полого пространства и/или непосредственно перед ним регулируется во время измерения путем ввода газовой смеси.

Предпочтительно химический состав расплава скоординированно изменяют, и расплав, или расплав и шлак, тщательно перемешивают при помощи газа или нескольких различных газов, вводимых в расплав.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления газонаполненное полое пространство образуется на верхней поверхности расплава, например, при помощи трубопровода подачи газа, включающего оптическое устройство, оптико-волоконный волновод, детектор и т.д., погруженного в расплав.

Устройство для осуществления способа, включающее: емкость, вмещающую расплав, трубопровод подачи газа, ведущий к отверстию емкости и включающий выходное отверстие газа, ориентированное в направлении к упомянутому отверстию емкости и, следовательно, к расплаву, оптическую систему для наблюдения за выходным отверстием газа, детектор для регистрации электромагнитных волн, испускаемых расплавом, и (необязательно) волновод, передающий электромагнитные волны в детектор, отличается оптическим устройством рассеяния волн, таким как рассеивающе-фокусирующей системой линз и/или оптической системой, имеющей возможность перемещения, предпочтительно поворота, относительно металлургической емкости.

Предпочтительный вариант осуществления отличается: устройством образования волнового пучка, расположенным после устройства рассеяния волн, таким как фокусирующая линза или система последовательно размещенных фокусирующих линз, и
детектором, расположенным в фокусирующей зоне устройства образования волнового пучка, или оптико-волоконным волноводом, расположенным в этой зоне и ведущим к детектору.

Оптическая система оснащена защитной трубой, содержащей устройство газовой промывки, в частности, устройство газовой промывки для очистки передней сторона системы линз. Это особенно требуется в том случае, если твердые вещества, такие как шлакообразующие вещества, пыль различных видов, в частности угольная пыль, вдуваются в расплав через трубопровод подачи газа между периодами измерения.

Другой предпочтительный вариант осуществления отличается тем, что устройство рассеяния волн установлено с возможностью поворота относительно выходного отверстия газа, ориентированного к расплаву, причем точка пересечения оптической оси устройства рассеяния волн с плоскостью поперечного сечения выходного отверстия газа регулируется в пределах этой плоскости поперечного сечения.

Удобно то, что и устройство рассеяния волн, и устройство образования волнового пучка установлены с возможностью вращения, причем поворотная установка осуществляется при помощи карданного шарнира.

В зоне фокусирования устройства образования волнового пучка расположен или ввод оптико-волоконного волновода, или детектор.

Удобный вариант осуществления отличается тем, что конец трубопровода подачи газа выполнен в виде двух- или многотрубного мундштука. Кольцеобразный зазор (зазоры) рубашки мундштука соединен (соединены) с трубопроводом, подающим газообразный углеводород. За счет этого образуется корка отвержденного расплава, окружающая входное отверстие газа, благодаря чему многотрубный мундштук располагается в области емкости, т.е. в ее кирпичной облицовке, надежно защищенным образом.

Предпочтительно конец трубопровода подачи газа оснащен многоканальным мундштуком, отверстия которого могут соединяться с одним или несколькими подающими трубопроводами для углеводорода, моноокиси углерода, двуокиси углерода, инертного газа, пара, масла или воды и/или их смесей. За счет этого могут быть оптимизированы срок службы рубашки мундштука и точность измерений как при осуществлении процедуры измерения, так и в остальное время посредством регулирования количества и/или состава газов или жидкостей, вводимых через кольцеобразные промежутки.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, имеется устройство генерирования лазерного луча, ориентированного в направлении к выходному отверстию трубопровода подачи газа, которое уже было описано в EP-A - 0362577, при этом удобно то, что с устройством генерирования лазерного луча связано фокусирующее устройство.

Предпочтительно, имеется трубопровод подачи газа, включающий устройство рассеяния волн и погруженный в расплав.

Способ функционирования устройства по изобретению отличается тем, что для защиты той части устройства, которая входит в емкость, подачу защитной среды регулируют путем непрерывного или скачкообразного увеличения подачи углеводородсодержащей защитной среды при увеличении агрессии расплава, т.е. при подъеме температуры или при перегреве расплава.

Далее изобретение будет описано более подробно при помощи нескольких примерных вариантов осуществления, схематически представленных на рисунках, где фиг. 1 представляет собой схематический общий вид (с частичным разрезом) устройства по изобретению, а каждая из фиг. 2 и 3 показывает детали фиг. 1 в увеличенном масштабе, для различных конфигураций. На фиг. 4 показан особый вариант осуществления изобретения для конфигурации, аналогичной фиг. 3. Каждая из фиг. 5 и 6 представляет собой разрезы в плоскости, поперечной плоскости фиг. 2, для других вариантов осуществления. На фиг. 7 и 8 схематически показаны пути лучей в соответствии с изобретением. На фиг. 9 представлен предпочтительный вариант осуществления для конфигурации, аналогичной фиг. 3. Фиг. 10, аналогично фиг. 4, представляет поперечное сечение трубопровода подачи газа. Фиг. 11 относится к следующему варианту осуществления.

Металлургическая емкость 1, например, конвертер с огнеупорной футеровкой (это может быть также вакуумная емкость, или электропечь, или любой другой реактор), приспособленная для вмещения расплава стали 3, покрытого слоем шлака 2, на высоте ниже мениска 4 расплава стали 3 при нормальном заполнении конвертера 1 имеет отверстие 5 в боковой стенке 6, в котором установлен трубопровод подачи газа 7, выходное отверстие 8 которого расположено на внутренней стороне 9 боковой стенки 6 конвертера 1 и открыто в его внутреннюю часть 10. Через трубопровод подачи газа 7 могут вводиться различные газы, например, кислород, азот, воздух, природный газ или их смеси, а также, возможно, твердые вещества, такие как пылевидный углерод, и/или шлакообразующие вещества, и/или пыль различных видов, при этом вышеупомянутые газы могут действовать как газы-носители для твердых веществ. Газы содержатся в емкостях 11 и по мере необходимости перекачиваются из них через трубопроводы 12. Твердые вещества содержатся в одной или нескольких передаточных емкостях 13 или перекачиваются из имеющихся систем и подаются в конвертер 1 при помощи транспортировочного газа, такого как воздух (фиг. 1). Выбор состава газов и их количественное регулирование может осуществляться при помощи схематически показанный на рисунке клапанной стойки 14.

Согласно варианту, показанному на фиг. 2, конец трубопровода подачи газа 7 выполнен в виде мундштука с рубашкой 15, и газообразный углеводород, возможно, в смеси с азотом вводится в конвертер 1 через кольцеобразный зазор 17, окружающий центральную трубу 16 мундштука с рубашкой, вызывая таким образом образование кольцеобразной корки 18, защищающей устье мундштука с рубашкой 15 от растрескивания. Конец трубопровода подачи газа 7 также может быть выполнен в виде одиночной трубы (без защитной газовой рубашки), если долговечность не имеет значения. Отводной трубопровод 16', расположенный вдоль оси мундштука с рубашкой 15 и оснащенный экраном 19, который может содержать несколько смежных проходных отверстий для электромагнитных волн, открывается в центральную трубу 16. Позади экрана 19 расположена оптическая система 20, работающая как фокусирующая линза, а позади оптической системы 20 - конец оптико-волоконного волновода 21, например, стекловолоконный проводник. Оптико-волоконный волновод 21 ведет к детектору 22 электромагнитных волн, который соединен с усилителем и электронным измерительным прибором 23.

Оптико-волоконный волновод 21 и оптическая система 20 установлены в защитной трубе 24, что является преимуществом. Удобно то, что через трубопровод 25 в отводной трубопровод 16' может нагнетаться инертный газ, который обеспечивает очистку оптической системы 20 от пыли.

Устройство функционирует следующим образом.

Чтобы произвести измерение температуры, чистый газ, т.е. без твердых частиц, предпочтительно инертный газ, задувают в конвертер 1 через трубопровод подачи газа 7. Под давлением газа образуется полое пространство 26, заполненное этим газом, которое расположено непосредственно за образовавшейся из расплава кольцеобразной коркой 18 и, таким образом, ограничено этой коркой и поверхностью расплава 27. Проходные отверстия для газа, предохраняемые коркой 18, предположительно имеют минимальный размер около 0,2·1,0 см².

Поверхностью 27 расплава 3, ограничивающей газонаполненное полое пространство 26, излучаются электромагнитные волны, в частности в видимом световом диапазоне и в ультрафиолетовом диапазоне. Эти электромагнитные волны через открытый экран или щиток 19 и оптическую систему 20 попадают в оптико-волоконный волновод 21, а через волновод - в детектор 22. Электронный измерительный прибор 23 обеспечивает определение температуры, эквивалентной электромагнитным волнам, которые излучаются естественным путем.

В соответствии с вариантом осуществления, представленным на фиг. 3, защитная труба 24 вместе с оптико-волоконным волноводом 21 непосредственно введена в трубопровод подачи газа 7 в области его конца, выполненного в виде мундштука с рубашкой 15. Защитная труба 24 может промываться азотом, что на рисунке детально не показано.

В соответствии с фиг. 4, который показывает разрез в поперечной плоскости трубопровода подачи газа, трубопровод подачи газа 7 в его концевой области выполнен в виде многоканального мундштука. В центре многоканального мундштука размещена защитная труба 24 и оптическая система 20, включающая оптико-волоконный волновод 21. Защитная труба 24 по периферии окружена двумя кольцеобразными зазорами 28'', 28''', выполненными на некотором радиальном расстоянии друг от друга, через которые в конвертер 1 могут нагнетаться, например, газообразные углеводороды.

Еще один кольцеобразный зазор 28, расположенный между двумя кольцеобразными зазорами 28'' и 28''', подразделяется на несколько каналов 28' посредством радиальных перемычек, при этом каждый из упомянутых каналов занимает частичную область по периферии, видимую в поперечном сечении. По этим каналам 28' в конвертер могут вводиться другие газы, например, кислород, инертный газ или их смеси.

На фиг. 5 показано измерительное устройство по изобретению, включающее прибор лазерного луча 29, который может быть использован для осуществления анализа расплава. В этом случае защитная труба 24, содержащая оптиковолоконный волновод 21, установлена несколько эксцентрически относительно трубопровода подачи газа 7. Лазерный луч 30, генерируемый прибором лазерного луча 29, наклонно ориентирован по направлению к выходному отверстию газа 8 так, чтобы проходить приблизительно через центр выходного отверстия газа 8, испаряя таким образом расплав внутри конвертера на переходе барботирующий газ - жидкость. Электромагнитные волны 31, испускаемые испаренным расплавом, которые на фиг. 5 показаны волнистыми стрелками, воспринимаются оптико-волоконным волноводом 21 и оцениваются электронным измерительным прибором 23. Лазерный луч 30 предпочтительно фокусируется фокусирующей линзой, при этом фокусное пятно образуется у отверстия 5 между газообразной и жидкой поверхностями расплава 3. Устройство выполнено таким удобным образом, что оно может перемещаться в направлении луча, обеспечивая оптимальное размещение фокусного пятна. Трубопровод подачи газа 7 в его концевой области выполнен в виде мундштука с рубашкой, при этом через кольцевой промежуток или кольцевой зазор 17 в конвертер 1 нагнетаются газообразные углеводороды, инертные газы или их смеси.

На фиг. 6 представлено поперечное сечение концевой области трубопровода подачи газа 7 слегка модифицированной формы. Трубопровод подачи газа 7 снаружи содержит двойную рубашку 32, при этом через кольцевой промежуток 33, образованный двойной рубашкой, нагнетаются газообразные углеводороды, азот и т. д. Внутренний объем трубопровода подачи газа 7 разделен на несколько частей радиальными стенками 35, проходящими в продольном направлении, т.е. на четыре промежутка 34 приблизительно одинакового размера, в соответствии с показанным примерным вариантом осуществления. Через один из промежутков 34 лазерный луч 30 направляют внутрь конвертера 1, а через второй промежуток 34 проходит защитная труба 24, содержащая систему линз и оптико-волоконный волновод 21. В каждый из промежутков 34 могут подаваться различные газы, например, кислород или инертный газ, или их смеси.

На фиг. 7 и 8 схематически показаны предпочтительные пути лучей в соответствии с изобретением. Электромагнитные волны 36, излучаемые краевой областью 35 полого пространства 26 и отверстия 5 соответственно, и, в частности, электромагнитные волны 37, отраженные от корки 18, а также электромагнитные волны 39, распространяющиеся наклонно к оптической оси 38 оптической системы 20 и электромагнитные волны 40, находящиеся за пределами допустимого радиуса 41 вокруг оптической оси 38 оптической системы 20, исключаются из регистрации за счет того, что указанные электромагнитные волны отражаются за оптическую ось 38 оптической системы 20 посредством устройства рассеяния волн 42, выполненного, например, в виде рассеивающей и фокусирующей системы линз.

После устройства рассеяния волн 42 размещено устройство образования волнового пучка 43, при помощи которого фокусируются электромагнитные волны, ориентированные приблизительно параллельно оптической оси 38 оптической системы 20. Электромагнитные волны 39, 40, ориентированные наклонно к оптической оси 38 оптической системы 20 и находящиеся за пределами допустимого радиуса 41, проведенного от оптической оси 38 оптической системы 20, не охватываются этим фокусированием.

Различие между вариантами, показанными на фиг. 7 и фиг. 8, состоит в том, что в первом варианте (фиг. 7) детектор 22 расположен непосредственно в зоне фокусирования 44 устройства образования волнового пучка 43, а во втором варианте (фиг. 8) в зоне фокусирования расположен ввод 45 оптико-волоконного волновода, ведущего к детектору, включающему электронный измерительный прибор.

В соответствии с вариантом осуществления, показанным на фиг. 9, оптическая система 20 - которая предпочтительно содержит устройство рассеяния волн 42 и устройство образования волнового пучка 43 - установлена с возможностью вращения в центральной трубе 16 предпочтительно таким образом, чтобы каждая точка внутри поперечного сечения отверстия 5 находилась в пределах досягаемости оптической оси оптической системы 20. Такая подвижная установка может осуществляться за счет нескольких гидравлических цилиндров 46, приводящих в движение оптическую систему и показанных стрелками на фиг. 9, или за счет карданного шарнира. Таким образом, имеется возможность регулирования оптической оси 38 оптической системы 20 таким образом, чтобы ее можно было направлять на расплав 3 даже при боковом нарастании корки, как показано на фиг. 9, за счет чего можно избежать искажений измеряемых величин, вызываемых коркой 18. В этом случае оптическая система 20 поворачивается до тех пор, пока интенсивность испускаемых электромагнитных волн во время измерения не достигнет максимума. Это является критерием того, что оптическая ось оптической системы 20 действительно направлена к расплаву 3, а не к краевой области корки 18 или к краевой области отверстия 5. Смещение оптической системы 20 может осуществляться при помощи электромеханического привода, автоматически регулирующего оптическую систему 20 таким образом, чтобы достигалась максимальная интенсивность.

Кроме того, может быть обеспечена возможность осевого смещения оптической системы 20, как показано двойной стрелкой 47; с этой целью также устанавливаются электрические двигатели или гидроцилиндры.

На фиг. 10, аналогично фиг. 4, показано поперечное сечение трубы подачи газа, включающей четыре концентрически размещенных цилиндрических трубы 24, 48, 49, 50 с внутренними промежутками 51, 52, 53 между цилиндрическими трубами. Внутренняя труба 24 служит газоподающей трубой для проведения измерений. В ней расположены оптическая система 20 и оптико-волоконный волновод 21, а также, возможно, детектор 22. Внутренний промежуток 51, радиально расположенный между цилиндрическими трубами 24 и 48, заполнен огнеупорным материалом 54, причем по внешней периферии огнеупорного материала размещены канавки 55, облицованные, если это желательно, листовым металлическим покрытием 56. Защитный газ, например, CH₄, CH₄ + N₂ и т.д., направляется к концу трубопровода подачи газа 7 через эти канавки. Кольцеобразный промежуток 52, радиально расположенный следующим в направлении к периферии, заполнен огнеупорным материалом 54 примерно на четверть, а остальные три четверти кольцеобразного промежутка 52 свободны и служат для подачи кислорода или кислорода, смешанного с другими газами. Последний по направлению к внешнему краю кольцеобразный промежуток 53, в свою очередь, служит для подачи защитного газа.

В соответствии с вариантом осуществления, представленным на фиг. 11, трубопровод подачи газа 7, в котором установлены оптическая система 20 и датчики сигналов (оптико-волоконный волновод 21 и/или детектор 22), посредством механизма смещения (подробно не показанного), обеспечивающего перемещение в направлении стрелок 57, 58, показанных на фиг. 11, вводится сверху в расплав 3 через его верхнюю поверхность 59, вызывая таким образом образование газонаполненного полого пространства 26 внутри расплава 3. Кроме того, в этом случае конец трубопровода подачи газа 7 может быть выполнен в виде мундштука с рубашкой с целью образования защитной газовой рубашки.

Измерения могут проводиться в соответствии с двумя различными основными принципами, а именно - при помощи пирометра или при помощи спектрометра. Затем производится количественная оценка посредством специальных электронных измерительных приборов, различных для этих двух систем.

Излучение, испускаемое в случае чисто температурного измерения, отличается от излучения, предназначенного для анализа состава расплава. Во время анализа состава наблюдается спектр, генерируемый лазером и испускаемый плазмой (ультрафиолетовый диапазон).

Формула изобретения

1. Способ регистрации электромагнитных волн, излучаемых расплавом (3), в частности расплавом металла, главным образом в видимом световом диапазоне и в ближнем ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, при котором внутри расплава (3) путем задувки газа образуют газонаполненное полое пространство (26), и электромагнитные волны (31), излучаемые расплавом (3), наблюдают через задутый газ и оценивают путем передачи электромагнитных волн через оптическую систему (20) на детектор (22) с целью определения температуры и/или химического состава, отличающийся тем, что электромагнитные волны (39, 36, 37), направленные наклонно к оптической оси (38) оптической системы (20) и излучаемые краевой областью полого пространства (26), исключают из регистрации путем очистки испускаемых электромагнитных волн (31) от электромагнитных волн (36, 37, 39, 40), направленных наклонно к оптической оси (38) оптической системы (20) и находящихся за пределами допустимого радиуса (41) вокруг оптической оси (38) оптической системы (20), за счет отражения электромагнитных волн (36, 37, 39, 40) за оптическую ось (38) оптической системы (20) в рассеивающем устройстве (42) оптической системы (20), выполненной в виде рассеивающей и фокусирующей системы линз, и при этом только электромагнитные волны, направленные приблизительно параллельно оптической оси (38) оптической системы (20), достигают детектора (22), размещенного после оптической системы (20), и/или за счет того, что оптическую систему (20) перемещают относительно полого пространства (26) при регулировке ее оптической оси (38) до тех пор, пока интенсивность испускаемых электромагнитных волн не достигнет максимума при ее оценке.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после устройства рассеяния волн (42) размещено устройство образования волнового пучка (43), такое, как фокусирующая линза или система фокусирующих линз, и электромагнитные волны, направленные приблизительно параллельно оптической оси (38) оптической системы (20), фокусируют при помощи устройства образования волнового пучка (43) и подают на детектор (22) непосредственно или через оптико-волоконный волновод (21), а наклонные волны и волны, находящиеся за пределами допустимого радиуса (36, 37, 39, 40), не охватываются таким фокусированием.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что и устройство рассеяния волн (42), и расположенное за ним устройство образования волнового пучка (43) перемещают относительно полого пространства (26) при регулировке их оптической оси (38) до тех пор, пока интенсивность излучаемых электромагнитных волн не достигнет максимума при ее оценке.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что через газонаполненное полое пространство в расплав (3) подают энергию и часть расплава за счет подаваемой энергии испаряют, в частности вдуваемый газ вступает в химическую реакцию с расплавом (3) и таким образом обусловливает испарение части расплава (3).

5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что газ, задуваемый для образования полого пространства (26), на участке ввода в расплав (3) окружают газовой рубашкой или несколькими газовыми рубашками, включающими углеводородсодержащую защитную среду, предпочтительно смешанную с инертным газом.

6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что определение температуры или химического состава расплава (3) сочетают с предварительно рассчитанными или измеренными параметрами, например с вычисленным содержанием углерода в отработанном газе с приблизительным расчетным составом расплава в момент измерения.

7. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что определяют содержание лишь отдельных элементов расплава (3), например содержание Mn, Cr, C в расплавах железа, а содержание других элементов или соединений, имеющихся в расплаве металла (3) и в расплаве шлака (2), рассчитывают из них.

8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что для максимального приближения измеряемой температуры к действительной температуре расплава (3) внутри полого пространства (26) и/или непосредственно перед ним регулируют во время измерения путем ввода газовой смеси.

9. Способ по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что химический состав расплава скоординированно изменяют и расплав (3) или расплав (3) и шлак (2) тщательно перемешивают при помощи газа или нескольких различных газов, вводимых в расплав.

10. Способ по любому из пп.1 - 9, отличающийся тем, что газонаполненное полое пространство (26) образуют на верхней поверхности (59) расплава.

11. Устройство для осуществления способа по любому из пп.1 - 10, включающее емкость (1), вмещающую расплав (3), трубопровод подачи газа (7), ведущий к отверстию (5) емкости (1) и включающий выходное отверстие газа (8), ориентированное в направлении к отверстию (5) и, следовательно, к расплаву (3), оптическую систему (20) для наблюдения выходного отверстия газа (8), детектор (22) для регистрации электромагнитных волн (31), излучаемых расплавом (3), отличающееся тем, что содержит оптическое устройство рассеяния волн (42), выполненное в виде рассеивающе-фокусирующей системы линз.

12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что дополнительно содержит волновод (7, 21), передающий электромагнитные волны (31) на детектор (22).

13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что оптическая система (20) установлена с возможностью перемещения, предпочтительно поворота, относительно металлургической емкости (1) при регулировке ее оптической оси (38).

14. Устройство по п.11 или 13, отличающееся тем, что содержит устройство образования волнового пучка (43), расположенное после устройства рассеяния волн (42), в виде фокусирующей линзы или системы последовательно размещенных фокусирующих линз, причем детектор (22) или оптико-волоконный волновод (21), ведущий к детектору (22), расположены в фокусирующей зоне (44) устройства образования волнового пучка.

15. Устройство по любому из пп.11 - 14, отличающееся тем, что оптическая система оснащена защитной трубой (24), содержащей устройство газовой промывки (25), в частности устройство газовой промывки, очищающее переднюю сторону системы линз (20).

16. Устройство по любому из пп.11 - 15, отличающееся тем, что устройство рассеяния волн (42) установлено с возможностью поворота относительно выходного отверстия газа (8), ориентированного в направлении к расплаву (3), причем точка пересечения оптической оси (38) устройства рассеяния волн (42) с плоскостью поперечного сечения выходного отверстия газа (8) регулируется в пределах этой плоскости поперечного сечения.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что и устройство рассеяния волн (42), и устройство образования волнового пучка (43) установлены с возможностью вращения.

18. Устройство по п.16 или 17, отличающееся тем, что поворот осуществляется при помощи карданного шарнира.

19. Устройство по любому из пп.11 - 18, отличающееся тем, что в зоне фокусирования (44) устройства образования волнового пучка (43) расположен ввод (45) оптико-волоконного волновода (21).

20. Устройство по любому из пп.11 - 19, отличающееся тем, что в зоне фокусирования (44) устройства образования волнового пучка (43) расположен детектор (22).

21. Устройство по любому из пп.11 - 20, отличающееся тем, что конец трубопровода подачи газа (7) выполнен в виде двух- или многотрубного мундштука (15), причем кольцеобразный зазор (зазоры) (17) рубашки мундштука соединяется с трубопроводом, подающим газообразный углеводород.

22. Устройство по любому из пп.11 - 21, отличающийся тем, что конец трубопровода подачи газа (7) оснащен многоканальным мундштуком, отверстия которого могут соединяться с одним или несколькими подающими трубопроводами для углеводорода, моноокиси углерода, двуокиси углерода, инертного газа, пара, масла или воды, и/или их смесей.

23. Устройство по любому из пп.11 - 22, отличающееся тем, что содержит устройство генерирования лазерного луча (29), ориентированного в направлении к выходному отверстию (8) трубопровода подачи газа (7).

24. Устройство по п.23, отличающееся тем, что устройство генерирования лазерного луча (29) связано с фокусирующим устройством.

25. Устройство по любому из пп.11 - 24, отличающееся тем, что трубопровод подачи газа (7) содержит устройство рассеяния волн (42) и погружено в расплав (3).

26. Способ работы устройства по любому из пп.11 - 25, отличающийся тем, что для защиты части устройства (7, 21, 23, 15), которая входит в емкость (1), подачу защитной среды регулируют путем скачкообразного или непрерывного увеличения подачи углеводородсодержащей защитной среды при увеличении агрессии расплава (3), в частности при подъеме температуры или при перегреве расплава (3).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11