Устройство для получения и подготовки пробы для исследования электропроводного расплава

Изобретение относится к металлургической промышленности, в частности к исследованию электропроводных расплавов. Устройство содержит металлический зонд с пробоотборником и пробницу для отбора проб электропроводного расплава. В пробоотборнике снаружи стенок пробницы установлен линейный или кольцевой индуктор с возможностью воздействия на расплав в пробнице переменным магнитным полем и индуцирования в нем элетрических токов, магнитодвижущая сила которых обуславливает интенсивное перемешивание расплава пробы. Изобретение позволяет значительно улучшить качество контроля химического состава расплава за счет более равномерного распределения химических элементов по объему пробы. 5 ил.

 

Изобретение относится к металлургической промышленности, в частности к области получения и подготовки проб для исследования электропроводных расплавов.

Известно устройство для реализации способа электромагнитного перемешивания для непрерывного литья металлических изделий удлиненного сечения [1] для создания продольного течения металла и его циркуляции в виде «четырехлистника», осуществляемого в зоне вторичного охлаждения установки непрерывного литья металлических изделий при помощи скользящих магнитных полей, создаваемых многофазными индукторами, установленными вблизи разливаемого металла.

Однако известный способ реализуется в процессе разливки металла на установке непрерывного литья металлических изделий, где постоянно присутствует жидкая фаза металла, и реализация данного способа направлена на перемешивание металла в отливаемом изделии. В нашем случае необходимо получить твердую пробу из емкости с расплавленным металлом, которая будет наиболее точно воспроизводить атомарный химический состав в емкости с расплавленным металлом, т.е. проба должна быть максимально однородна по ее химическому составу по объему пробы.

Известно устройство получения пробы с помощью зонда по ГОСТ 7565-81 [2]. Оно предполагает заполнение пробницы, расположенной в пробоотборнике (зонде), расплавом под действием либо гидростатического давления расплава, либо давления гидродинамической струи расплава, либо вакуума, создаваемого в пробнице.

К недостаткам известного устройства можно отнести получение неоднородной пробы вследствие возникновения ликвации, с высокой шероховатостью и наличием большого непредставительного слоя на поверхности пробы, возникающего, в частности, вследствие образования дендритов и окисления неровной поверхности.

Это приводит к необходимости механической обработки пробы перед ее анализом, причем стачиваемый поверхностный слой пробы в соответствии с ГОСТ 7565-81 составляет 0,5…1,0 мм.

Известно устройство электромагнитного перемешивания жидкого металла в электрической печи для получения однородности химического состава расплава, в стенках которой смонтирован спиральный индуктор.

Однородность по объему расплава достигается за счет возникновения в нем вихревых индукционных токов, вызывающих перемешивание металла в процессе плавки [3].

Однако известным устройством невозможно осуществить получение однородности химического состава металла по объему пробы, так как размещение в тонких стенках пробницы индуктора усложнит ее конструкцию, увеличит вес и габариты всего зонда, повлечет за собой изменение температуры металла и скорости его застывания в пробнице.

Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является погружаемый в расплав металла зонд, предназначенный для взятия пробы и определения температуры ликвидуса расплавленного металла в процессе его затвердевания, содержащий теплоприемник, расположенный внутри пробоотборной камеры, внутренние стенки которой выполнены с возможностью отбора тепловой энергии от ее внутренней части [4].

К основному недостатку известного зонда следует отнести невозможность получения в пробе однородности химического состава исследуемого материала, так как заполнение пробницы расплавом статической струей и его застывание происходит практически мгновенно.

Однако для получения однородности химического состава пробы по всему объему требуется циркуляция, то есть перемешивание расплава в плоскости, параллельной или перпендикулярной направлению движения струи жидкого металла, заполняющего пробницу.

Целью предлагаемого изобретения является получение пробы из емкости с электропроводным расплавом при условии достижения следующих технических результатов: повышение однородности химического состава пробы, снижение шероховатости поверхности и уменьшение непредставительного приповерхностного слоя пробы.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для получения и подготовки пробы для исследования электропроводного расплава, содержащем металлический зонд с насаженным на него пробоотборником и пробницу для отбора проб электропроводного расплава, в пробоотборнике снаружи стенок пробницы установлен линейный или кольцевой индуктор, с возможностью воздействия на электропроводный расплав переменным электромагнитным полем и индуцирования в нем электрических токов, магнитодвижущая сила которых обусловливает перемешивание расплава пробы в замкнутом объеме пробницы, при этом индуктор выполнен в виде статора асинхронного двигателя.

В результате воздействия внешнего магнитного потока на каждую элементарную частицу расплава, например стали, возникают силы Лоренца, расположенные в плоскостях, параллельных или перпендикулярных направлению движения струи, что приводит к интенсивному перемешиванию расплава по всему объему пробницы и получению наиболее качественной пробы.

Таким образом, технический результат повышения однородности химического состава пробы согласно изобретению достигается за счет осуществления электромагнитного перемешивания затекающего в пробницу расплава в процессе его затвердевания. При этом за счет турбулентной диффузии выравнивается распределение концентраций химических элементов по всему объему пробы. Кроме того, перемешивание подавляет рост направленных кристаллов (дендритов) путем выравнивания температурного поля и механического обламывания ветвей дендритов. Бездендритная кристаллизация предотвращает выдавливание ликватов в центр пробы, что повышает ее однородность.

Технический результат уменьшения непредставительного приповерхностного слоя пробы достигается также за счет электромагнитного перемешивания расплава, например жидкого металла в пробнице. Как следствие, при этом снижается шероховатость поверхности. Для проведения оптико-эмиссионного спектрального анализа непредставительный поверхностный слой пробы обычно удаляют механической обработкой (фрезерованием и шлифовкой) в процессе пробоподготовки. С увеличением гладкости поверхности толщина слоя, подлежащего зачистке, может быть уменьшена вплоть до полного отказа от пробоподготовки.

В качестве переменного электромагнитного поля может использоваться вращающееся магнитное поле как наиболее простое в реализации.

В другом варианте реализации в качестве переменного электромагнитного поля может использоваться бегущее линейное магнитное поле, создаваемое, например, статором линейного асинхронного двигателя.

Наиболее простая реализация изобретения возможна при применении электрического тока промышленной частоты, при этом получаемое электромагнитное поле (например, вращающееся магнитное поле) также будет иметь промышленную частоту.

Краткое описание чертежей.

На фиг.1 - продольный вертикальный разрез А-А по пробнице, представлен пример устройства с линейным индуктором.

На фиг.2 - поперечный разрез Б-Б по пробнице, с линейным индуктором.

На фиг.3 - поперечный разрез, показан пример устройства с кольцевым индуктором.

На фиг.4 показана схема действия на каждую точку расплава, например, жидкого металла сил Лоренца F при действии на него линейного индуктора, создающего осевой магнитный поток B_z, параллельный направлению струи жидкого металла, втекающего в пробницу. При этом возникают индукционные токи J_r, циркуляция которых со скоростью V_ц приводит к перемешиванию жидкого металла в плоскости, перпендикулярной вертикальной оси пробницы.

На фиг.5 показана схема действия на каждую точку жидкого металла сил Лоренца F при действии на него кольцевого индуктора, создающего радиальный магнитный поток B_r, перпендикулярный направлению струи жидкого металла, втекающего в пробницу. При этом возникают индукционные токи J_z, циркуляция которых со скоростью V_ц приводит к перемешиванию жидкого металла в плоскости, перпендикулярной вертикальной оси пробницы.

В примере (фиг.1 и фиг.2) в зонде 1 используется разовый пробоотборник 2, который состоит из картонной трубки 3 с пробницей 4 и керамической пробки 5 на нижнем ее конце. Пробоотборник 2 насажен на металлический зонд 1. Пробница 4 сообщается с внешней средой посредством канала С в огнеупорной (обычно кварцевой) трубке 6. В исходном положении канал С закрыт защитным колпачком 7. В пробоотборнике 2 расположено устройство электромагнитного перемешивания жидкого металла 8, выполненное в виде линейного индуктора 9, расположенного вдоль внешних стенок пробницы 4. Линейный индуктор 9 соединен с сетью трехфазного переменного тока напрямую или через трансформатор (условно не показан) при помощи кабеля 10.

В примере (фиг.3) в пробоотборнике 2 расположено устройство электромагнитного перемешивания жидкого металла 8, выполненное в виде кольцевого индуктора 11, внутри которого располагается пробница4. Кольцевой индуктор 11 соединен с сетью трехфазного переменного тока напрямую или через трансформатор (условно не показан) при помощи кабеля 10.

Изобретение осуществляется следующим образом (фиг.2 и фиг.3). Посредством зонда 1 пробоотборник 2 погружают в емкость с расплавом металла (условно не показана) на время 3-5 секунд. После прохождения слоя шлака защитный колпачок 7 расплавляется под действием высокой температуры, и жидкий металл 8 начинает поступать по каналу С трубки 6 в пробницу 4. Линейный индуктор 9 по принципу действия и конструкции аналогичен статору асинхронного двигателя. На расплав металла воздействуют линейно бегущим магнитным полем. В расплаве индуцируются электрические токи J_r. Магнитодвижущая сила F этих токов обусловливает тангенциальное вращение расплава 8 и его перемешивание в замкнутом объеме пробницы 4. Под действием переменного магнитного поля происходит активная циркуляция расплава. При этом создаются условия затвердевания, препятствующие росту столбчатых кристаллов, что уменьшает степень макроскопической ликвации и, следовательно, повышает однородность пробы. При затекании металла в пробницу 4 тепло передается стенкам, и расплав затвердевает. Вследствие высокой температуры расплава и его движения в процессе перемешивания неровности поверхности («наплески») оплавляются («залечиваются»), что способствует снижению шероховатости поверхности. Пробница 4 выполняется разъемной, и при затекании расплава воздух вытесняется через щели (условно не показаны). По истечении 3-5 секунд пробница 4 полностью заполняется, и щели завариваются залившимся металлом. После этого пробоотборник 2 с зондом 1 вынимают из емкости с жидким расплавом. После полного затвердевания металла в пробнице 4 линейный индуктор 9 выключают и пробоотборник 2 снимают с зонда 1. Линейный индуктор 9 используют многократно при установке на зонд 1 каждого нового пробоотборника 2.

Согласно фиг.3 изобретение осуществляется следующим образом. Посредством зонда 1 пробоотборник 2 погружают в емкость с расплавом металла на время 3-5 секунд. После прохождения слоя шлака защитный колпачок 7 расплавляется под действием высокой температуры, и жидкий металл 8 начинает поступать по каналу С трубки 6 в пробницу 4. Кольцевой индуктор 11 по принципу действия и конструкции аналогичен статору асинхронного двигателя. На расплав металла воздействуют вращающимся бегущим магнитным полем В_r. В расплаве индуцируются электрические токи J_z. Магнитодвижущая сила F этих токов обусловливает тангенциальное вращение V_ц расплава 7 и его перемешивание в замкнутом объеме пробницы 4. Под действием переменного магнитного поля происходит активная циркуляция расплава. По истечении 3-5 секунд пробница 4 полностью заполняется, и щели завариваются залившимся металлом. После этого пробоотборник 2 с зондом 1 вынимают из емкости с жидким расплавом (условно не показана). После полного затвердевания металла в пробнице 4 кольцевой индуктор 11 выключают и пробоотборник 2 снимают с зонда 1. Кольцевой индуктор 11 используют многократно при установке на зонд 1 каждого нового пробоотборника 2.

Изобретение позволяет значительно улучшить качество контроля химического состава расплава за счет более равномерного распределения химических элементов по объему пробы.

Источники информации

1. Патент РФ 2357833.

2. ГОСТ 7565-81.

3. Патент США №6023113.

4. Патент РФ №2308695.

Устройство для получения и подготовки пробы для исследования электропроводного расплава, содержащее металлический зонд с насаженным на него пробоотборником и пробницу для отбора проб электропроводного расплава, отличающееся тем, что в пробоотборнике снаружи стенок пробницы установлен линейный или кольцевой индуктор с возможностью воздействия на электропроводный расплав в пробнице переменным электромагнитным полем и индуцирования в нем электрических токов, магнитодвижущая сила которых обуславливает интенсивное перемешивание расплава пробы в замкнутом объеме пробницы, при этом индуктор выполнен в виде статора асинхронного двигателя.