專利名稱：測定鋼水中碳、氫和氮濃度及快速測定痕量碳的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的第一個方面涉及一種順序和連續(xù)測定鋼水中碳、氫和氮濃度的方法和裝置。
本發(fā)明的第二個方面涉及一種快速測定未脫氧或稍脫氧鋼水中痕量碳的方法和裝置。第二個方面的方法和裝置與第一個方面的方法和裝置大體相同。更具體地是，本發(fā)明的第二個方面涉及快速和精確地測定鋼水中痕量碳的方法和裝置，這樣的碳是無法用常規(guī)方法直接測定的。在用真空脫碳裝置，如RH脫氣裝置從未脫氧或稍脫氧的鋼水中去除溶解碳時，可有效地使用該方法和裝置。
在鋼廠中控制鋼水中的碳、氫和氮的濃度是極為重要的。事實上，需控制氮和氫濃度，或需控制氮和碳濃度，這取決于涉及的精煉設(shè)備。在這三種元素中，碳近來格外受到關(guān)注。特別是，測定超低碳鋼板的碳濃度引起了很大的注意。其原因在下文解釋。
超低碳鋼板大部分被廣泛地用于汽車中。與低碳鋼相比，它有優(yōu)越的延展性和強(qiáng)拉伸性能(deep-drawability)。另一方面，其缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度不足。因此，作了很多努力以在保持延展性的同時改善其機(jī)械強(qiáng)度。這一目的，比如通過添加元素Ti，Nb、Mn和P中的一種或兩種而可達(dá)到。要考慮的另一重要因素是控制痕量的碳。如果能控制痕量碳，則就能減少添加劑的種類和用量。為此，在煉鋼工業(yè)中需要能將痕量碳的濃度在含10-100ppm碳的鋼水中控制到ppm級精確度的技術(shù)。
鋼廠中生產(chǎn)超低碳的方法包括采用真空脫碳裝置(典型地是用RH脫氣裝置)。按照此方法，脫碳通過鋼水(未脫氧的或稍脫氧的)中溶解碳和氧在真空中反應(yīng)生成一氧化碳來完成。這就是在建立測定鋼水中痕量碳的方法時要考慮的背景因素。
現(xiàn)有很多快速測定鋼水中碳濃度的方法。包括凝固點(diǎn)測量和發(fā)射分光光度測定法。遺憾的是，它們不適于快速測定低的碳濃度。
有一種技術(shù)正被用來實驗性地計算RH脫氣裝置中的碳濃度。按此技術(shù)，自在真空下抽自鋼水的氣體中取CO和CO2氣樣，然后用質(zhì)譜儀分析此氣樣。CO和CO2的累積量表示已去除的碳量。該技術(shù)的缺點(diǎn)在于很難從真空系統(tǒng)中進(jìn)行采樣，而且計算有誤差，因為不能確切地知道逸出的氣體總量。另外，真空容器的泄漏使精確地計算鋼水中的碳濃度產(chǎn)生困難。鋼水中碳濃度越低，困難就越大?，F(xiàn)在還沒有形成快速測定痕量碳濃度的方法。
盡管已推薦過數(shù)種快速測定碳濃度的方法，但它們之中尚無一種能令人滿意。
除需要快速測定痕量碳濃度的方法外，還需要連續(xù)測定鋼水中所含的、除碳之外的其它元素(如氫和氮)濃度的裝置。雖然需要同時測定這三種元素的例子可能還沒有;然而在鋼廠中需要連續(xù)測定兩個元素，即氮和碳或氮和氫的例子確實存在。
有一種涉及測定幾種元素，即碳、氫和氮的先進(jìn)技術(shù)。它公開于日本專利No.502776/1989中。它主要是想要非連續(xù)地測定氫濃度。其方法包括將載氣(一種惰性氣體)吹入鋼水中使之起泡，回收此氣體，然后測定回收氣體中的氫。測定的結(jié)果表示鋼水中的氫濃度。這篇公開文獻(xiàn)還建議可將同樣的方法用來非連續(xù)地測定回收氣體中的一氧化碳和氮。
圖16中示意性地示出了用于此方法的裝置。它由以下部分組成下端置于被測鋼水中的、使氣體起泡并收集氣體的探頭150，及一個氣體循環(huán)回路151，該回路由載氣源及氣體分析儀構(gòu)成。探頭150由氣體吹管100(其下部彎成U-形)和氣體收集管101(其開口端位于U-形之上)。在氣體吹管100開口的上方是有效地收集載氣并防止鋼水進(jìn)入氣體收集管101的多孔材料的鐘型(bell-shaped)部分102。
氣體循環(huán)回路151由過濾器103、導(dǎo)熱性探測器104、泵105、四通旋轉(zhuǎn)閥106、壓力計107及流量計108構(gòu)成，上述部件沿氣流安置。
該裝置按以下面方式運(yùn)行以測定氫濃度。自氣瓶109的載氣通過氣體吹管100使鋼水鼓泡。與溶于鋼水中的氫混合的載氣用氣體收集管101收集。將收集到的載氣經(jīng)氣體循環(huán)回路151循環(huán)流動，以使該氣中的氫濃度與鋼水中的氫濃度相平衡。最后用導(dǎo)熱性探測器104測定氫濃度。
如果使用上述方法測定碳、氫和氮的濃度，那么，需將這單個的導(dǎo)熱性探測器104換成多個按系列安置的導(dǎo)熱性探測器，其中每一個(第一個除外)均要用過濾器處理以去除不希望有的氣體成分。這第一導(dǎo)熱性探測器測量一氧化碳、氫、氮和載氣的總壓力。用氫過濾器處理過的第二導(dǎo)熱性探測器測量一氧化碳、氮和載氣的總壓力。用一氧化碳通過濾器處理過的第三導(dǎo)熱性探測器測定氮和載氣的總壓力。用氮過濾器處理過的最后一個導(dǎo)熱性探測器測量載氣本身的總壓力。這樣，就可從相鄰兩階段的總壓力差分別得到一氧化碳、氫和氮的分壓。
上述公開文獻(xiàn)建議連續(xù)測定一氧化碳、氫和氮。然而，它卻根本沒有提及測碳的相關(guān)手段。該文獻(xiàn)完全沒提到快速測定鋼水中的碳使得鋼廠對這一點(diǎn)的需求落了空。
另外，上述裝置是這樣設(shè)計的自鋼水中回收的含一氧化碳、氫和氮的載氣經(jīng)氣體循環(huán)回路循環(huán)，而在此期間這些氣體順序被過濾和測定。然而這種方法基本上是無法實施的。
上述裝置只有在鋼水含有的是以原子態(tài)溶解的、在給定溫度和壓力下平衡時呈現(xiàn)確定分壓的氫和氮(欲被測定的)時才有用?？偟膩碚f它不能用來定碳。在通常的精煉溫度下存在于鋼水中的碳本身不具有其固有的分壓。因此，不可能以與載氣混合的氣體狀態(tài)對碳取樣。
對自鋼水中回收的載氣組分的研究表明氫和一氧化碳不可能同時存在于載氣中。含低濃度氧的鋼水中不會放出一氧化碳，而相反地，含高濃度氧的鋼水根本不放出氫。通過研究發(fā)現(xiàn)只有鋼水的含氧量低到鎮(zhèn)靜鋼的程度時它才放出氫。這暗示，在鋼水以高濃度含氧時溶解的氫與氧反應(yīng)而生成水(蒸汽態(tài))。通過研究還發(fā)現(xiàn)只有鋼水的氧含量高于200ppm(如在未脫氧和稍脫氧鋼的情況下)時，它才放出一氧化碳。這表明溶解的碳與氧反應(yīng)放出一氧化碳。由于參加反應(yīng)的氧量過少，含低濃度氧的鋼水根本不放出一氧化碳。結(jié)果弄清楚的是，一氧化碳是通過與真空精煉中的脫碳相同的反應(yīng)而形成的。從上述可知上述日本專利公開的技術(shù)不能用來測定來脫氧或稍脫氧鋼水的痕量碳，而對痕量碳的測定正是本發(fā)明的目的。
此外，上述現(xiàn)有技術(shù)在用含氫和一氧化碳的載氣來連續(xù)測定氫和一氧化碳方面有所不足。即，如果氫進(jìn)入存在高濃度氧的載氣，則它將與載氣中的氧反應(yīng)而生成水，結(jié)果使之不能測定氫，而這正是主要目的。為避免這一點(diǎn)，需在幾乎無氧存在才能測出氫濃度。反之，需在有高濃度氧存在時測定一氧化碳的濃度，因為在幾乎無氧時形不成一氧化碳。
如上所述，測定氫濃度的先決條件與測定碳濃度的先決條件不同。因此用回收自鋼水的載氣來測定氫和碳二者的濃度是沒有道理的。
在使用導(dǎo)熱性探測器來測定特定元素的濃度的情況下，要精確測定則希望該元素和載氣間有盡可能大的導(dǎo)熱率的差。遺憾的是，氫和氮之間的導(dǎo)熱率的差很大，因而難于用單一的載氣測出二者的濃度。需要某種裝置來克服這一困難。
由于上述日本專利No.502776/1989所公開的技術(shù)不能用來連續(xù)地測碳，氫和氮，所以在鋼廠為測定鋼水中幾種元素的濃度，通常的作法是設(shè)置幾個分析儀，每個僅設(shè)計用來測一種元素的濃度。幾臺分析儀的運(yùn)作需要大量的時間而且麻煩，這阻止了將測定結(jié)果有效地用于反饋控制。
上述內(nèi)容構(gòu)成了本發(fā)明的第一個方面。相應(yīng)地，本發(fā)明第一方面的目的在于提供一種用單一裝置順序和連續(xù)地測定鋼水中碳、氫和氮濃度的方法和裝置。
本發(fā)明第二方面的目的在于提供一種精確并快速測定用常規(guī)方法無法測出的痕量碳的方法和裝置。
圖1是表示鋼水中碳和一氧化碳關(guān)系的曲線圖。
圖2是與本發(fā)明有關(guān)的連續(xù)和順序測定裝置的一個實施方案的示意圖。
圖3是與本發(fā)明有關(guān)的連續(xù)和順序測定裝置的另一個實施方案的示意圖。
圖4是實施方案中氣體供給-回收探頭的剖面圖。
圖5是表示在裙部有蓄氣筒的氣體供給-回收探頭重要部分的剖面圖。
圖6是表示氣體循環(huán)回路運(yùn)行的示意流程圖。
圖7是表示氣體循環(huán)回路運(yùn)行的示意流程圖。
圖8是表示測定氫濃度時的載氣流經(jīng)的通道的示意圖。
圖9是表示測定氮濃度時的載氣流經(jīng)的通道的示意圖。
圖10是表示測定碳的氧化物濃度時的載氣流經(jīng)的通道的示意圖。
圖11是與本發(fā)明有關(guān)的連續(xù)和順序測定裝置的另一個實施方案的示意圖。
圖12是與本發(fā)明有關(guān)的、用于快速測定鋼水中痕量碳的裝置的一個實施方案的示意圖。
圖13是與本發(fā)明有關(guān)的、用于快速測定鋼水中痕量碳的裝置的另一個實施方案的示意圖。
圖14是表示測定碳的氧化物濃度裝置運(yùn)行的示意圖。
圖15是表示測定碳的氧化物濃度裝置運(yùn)行的示意圖。
圖16是公開于日本專利No.502776/1989中的常規(guī)的測定氫濃度裝置的示意圖。
在廣泛研究之后，本發(fā)明人形成一個想法通過只要是與測定鋼水中的氫和氮有關(guān)的，對上述日本專利的氣體探頭和氣體循環(huán)回路作稍許改變就可達(dá)到該目的。難題在于如何測定鋼水中的痕量碳。
如果找到某些促進(jìn)一氧化碳形成的方法，那么就可通過分析自鋼水中逸出的一氧化碳來計算鋼水中的碳濃度。此想法基于這樣的事實，當(dāng)將含痕量碳和氧的鋼水置于真空或低濃度一氧化碳的環(huán)境中時，則形成痕量的一氧化碳并自鋼水中逸出，一氧化碳的平衡濃度是與鋼水中的碳及氧濃度相關(guān)的。為了能計算碳濃度，必須知道鋼中的氧濃度，或能預(yù)言其變化。然而，可以有把握地假設(shè)在諸如RH脫氣裝置之類的精煉裝置的情況下(其中鋼水的氧濃度很高，而且穩(wěn)定于數(shù)百個ppm)，自鋼水中逸出的氣體中的一氧化碳濃度僅取決于鋼水中的碳濃度。
通過以上述氫分析儀所用的相同方式將載氣吹入鋼水，則可有效地達(dá)到在鋼水中形成、并自其中逸出一氧化碳的目的。換言之，鋼水中痕量碳與氧的反應(yīng)通過鼓入載氣(無一氧化碳)于鋼水中而加強(qiáng)，結(jié)果氣泡攪動了鋼水，在鋼水中產(chǎn)生大而新的反應(yīng)表面。順便說一句，由于氣泡不僅增加一氧化碳形成，也形成極少量的二氧化碳(在下文中將統(tǒng)稱為碳的氧化物)，所以必需測出二者，以便精確地定碳。
上述概念導(dǎo)出了本發(fā)明的涉及順序和連續(xù)測定鋼水中碳、氫和氮的方法。
本發(fā)明的方法包括將根據(jù)鋼水中欲測定的碳、氫和氮中任一特定元素而選擇的載氣(或惰性氣)鼓過鋼水;通過浸入鋼水中的氣體供給-回收探頭回收含該特定元素的載氣;使回收的載氣在氣體循環(huán)回路中循環(huán)或通過;進(jìn)行上述鼓入和回收載氣過程一次或幾次以使載氣中的特定元素的濃度與其在鋼水中的濃度大致或完全平衡;用裝在所述氣體循環(huán)回路中的或自該氣體循環(huán)回路中分出的氣體回路中的測定一種或多種特定元素濃度的裝置測定該特定元素的濃度;自氣體循環(huán)回路中排出載氣以完成測定該特定元素的一系列步驟;然后用更換的載氣重復(fù)上述步驟以測定剩余的要測元素。
本發(fā)明的方法大致包括根據(jù)要測的碳、氫和氮中的任一種選擇適宜的載氣;每次在測定了特定元素后從氣體循環(huán)回路中排出用過的載氣。然而，如果載氣是經(jīng)適當(dāng)選擇的話，就可能用同樣的載氣測定碳、氫和氮。
本發(fā)明的一個實施方案包括測定氫濃度、測定碳濃度和測定氮濃度這三個步驟中的至少兩個，這將在下文述及。
測定氫濃度的步驟包括將載氣(主要是氦或氬)鼓入鋼水以使之起泡，借此攪動鋼水并使鋼水中的氫擴(kuò)散到載氣中;通過浸入在鋼水中的探頭(用于氣體供給和回收)回收載氣;經(jīng)循環(huán)回路使回收的載氣循環(huán)或通過;如果需要，重復(fù)吹入和回收載氣的步驟，以使載氣中的氫濃度逐步提高，直到與鋼水中的氫濃度平衡;按需要的次數(shù)或在規(guī)定的時間期限重復(fù)載氣的循環(huán);用設(shè)在該氣體循環(huán)回路中的或自其分出的支回路中的氫分析儀測定平衡載氣中的氫濃度;最后從該氣體循環(huán)回路中排出載氣。
測定碳濃度的步驟包括將載氣(主要是氦或氬)鼓入鋼水中以使之起泡，借此攪動鋼水并使碳與氧在鋼水和氣泡間的界面上反應(yīng)，使在載氣中得到一氧化碳和二氧化碳，用浸在鋼水中的探頭(用于氣體供給和回收)回收載氣(含有碳的氧化物);經(jīng)設(shè)有碳氧化物的分析儀的循環(huán)回路使回收的載氣循環(huán)或通過;如果需要，重復(fù)吹入和回收載氣的步驟，以使載氣中的碳氧化物濃度逐步提高，直至其與鋼水中的碳和氧濃度平衡;按需要的次數(shù)或在規(guī)定的時間期限重復(fù)載氣的循環(huán);用碳氧化物分析儀測定平衡了的載氣中的碳氧化物濃度;從該碳氧化物濃度和鋼水中的氧濃度間的關(guān)系推算出鋼水中的碳濃度(氧濃度單獨(dú)測出，或在這一測定中同時測出)。
測定氮濃度的步驟包括將載氣(主要是氦或氬)鼓入鋼水使之起泡，借此攪動鋼水并使其中的氮擴(kuò)散到載氣中;用浸入鋼水的探頭(用于氣體供給和回收)回收該載氣;經(jīng)設(shè)有氮分析儀的循環(huán)回路使回收的載氣循環(huán)或通過;如果需要重復(fù)吹入和回收載氣步驟以使載氣中的氮濃度逐步增加，直至其與鋼水中的氮濃度平衡;按需要次數(shù)或規(guī)定時間重復(fù)載氣的循環(huán);用氮分析儀測定平衡載氣中的氮濃度。
這一實施方案的特征在于用于氣體供給和回收的探頭及氣體循環(huán)回路為測定氫、碳和氮時所共用。
要化很長的時間才能達(dá)到平衡，因為氮的擴(kuò)散要比一氧化碳和氫擴(kuò)散慢。為了加快測定進(jìn)程，需要從測定的初始階段得到的氮濃度上升曲線預(yù)測氮濃度平均平衡值及根據(jù)此預(yù)測值強(qiáng)制地自氮?dú)馄吭黾拥?，以便盡可能快地建立平衡。
上述方法通過順序和連續(xù)測定鋼水中的碳、氫和氮的裝置而付諸實施，所述裝置包括一個或多個根據(jù)要測元素而定的作為載氣的惰性氣體氣源;一個氣體供給-回收探頭，它由帶開孔端的吹氣管和回收載氣的氣體回收管組成，載氣通過位于鋼水中的，在氣體吹管開孔端上方的多孔部分回收;一條氣體循環(huán)回路，自載氣源供入的載氣由循環(huán)泵迫使經(jīng)氣體供給-回收探頭按需要的次數(shù)或規(guī)定時間經(jīng)氣體循環(huán)回路循環(huán);一組測定特定元素濃度的裝置(如測定碳氧化物、氫和氮濃度的裝置)，它們裝在氣體循環(huán)回路中或裝在自此回路分出的氣體支回路;與氣體供給-回收探頭構(gòu)成一體的，或與之分開的測定氧濃度的裝置;以測定碳氧化物和氧濃度的裝置接收碳氧化物和氧濃度數(shù)據(jù)并以此數(shù)據(jù)計算鋼水中碳濃度的計算裝置。
在氧濃度已知或可預(yù)知的精煉設(shè)備中進(jìn)行測定的情況下，無需設(shè)置測定氧濃度的裝置。
希望測定特定元素的裝置設(shè)有預(yù)先提純引起測定誤差的載氣有關(guān)組分的手段。
測定特定元素濃度的裝置可以是各種形式的。希望用紅外線氣體分析儀作測定碳氧化物濃度的裝置，用半導(dǎo)體氣體探測器作測氫濃度的裝置，導(dǎo)熱性探測器作測定氮濃度的裝置。
下面是本發(fā)明的順序和連續(xù)測定鋼水中碳、氫和氮濃度裝置的操作程序。首先，自氣源供載氣(根據(jù)需測定氣體選擇)。經(jīng)氣體供給-回收探頭的氣體以管將載氣吹入鋼水。使吹入的載氣在鋼水中鼓泡。氣泡攪動鋼水并使鋼水中的要測定元素擴(kuò)散入載氣中。經(jīng)氣體供給-回收探頭回收此載氣。氣泡不僅使溶在鋼水中的氫、氮和載氣一起被收集，而且它還促進(jìn)在鋼水和氣泡界面上的碳-氧反應(yīng)，借此形成一氧化碳。這一氧化碳也與載氣一起被回收。這種一氧化碳伴隨有痕量的二氧化碳，它也與載氣一起被回收。
上升的氣體經(jīng)該多孔部分由氣體回收管所回收，然后通過氣體循環(huán)回路按所需次數(shù)并經(jīng)所規(guī)定的時間期限循環(huán)直至達(dá)到平衡。通過設(shè)置在氣體循環(huán)回路中的裝置(用于測定特定元素的濃度)測定載氣中特定元素的濃度?？捎羞@樣的例子其中載氣僅經(jīng)氣體循環(huán)回路循環(huán)一次。
根據(jù)欲測定的元素(碳、氫和氮)采用不同的載氣。每次元素的測定結(jié)束，此載氣由氣體循環(huán)回路中排出并使用新的載氣以進(jìn)行后續(xù)的操作。
氫和氮的濃度通過測定氫濃度的裝置和測定氮濃度的裝置直接測定，這些裝置設(shè)置在氣體回路中或由氣體循環(huán)回路中分出來的氣體循環(huán)回路中。然而，碳的濃度是間接測定的。該方法是，通過設(shè)置在氣體循環(huán)回路中的裝置首先測定載氣中一氧化碳和二氧化碳的濃度(總稱為碳氧化物的濃度)。然后，此測定的結(jié)果通過計算與已經(jīng)分別測定的氧濃度比較。用這一方式推算碳氧化物的濃度。順便要提示的是，在氧濃度接近飽和或已知或可預(yù)知的情況下(從而氧濃度視作常數(shù))，則有可能明確地僅以碳氧化物推算碳濃度。
在測定氫濃度時，可立即達(dá)到平衡;然而，在測定碳和氮濃度時，在達(dá)到平衡前要用相當(dāng)長的時間。從而，在后一種情況下，一般的作法是在達(dá)到平衡前推算出濃度。例如，在測定碳濃度時，在鋼水中碳氧化物的濃度和載氣中碳氧化物濃度之間達(dá)到平衡之前，在一定次數(shù)(或時間)循環(huán)周期之后測定碳氧化物的濃度。如果在一定次數(shù)(或時間)循環(huán)周期后，在鋼水中碳濃度和載氣中碳氧化物濃度之間確定了一種關(guān)系，則這一作法是可行的。從而，這導(dǎo)致了快速測定并可以使此測定的結(jié)果用作精煉中的反饋控制。
由于氮的擴(kuò)散是緩慢的，因此測定氮濃度的一般作法是由測定起始階段中所得的氮濃度的上升曲線預(yù)測氮濃度的平均平衡值，并按照此預(yù)測的值由氮?dú)馄繌?qiáng)制添加氮，以使盡可能快地建立平衡。
根據(jù)上述構(gòu)思，以如下方式實現(xiàn)了快速測定鋼水中的痕量碳通過鼓入載氣使之起泡并回收鼓過泡的載氣。
工藝步驟的組成如下將一種載氣(一種惰性氣體)鼓過鋼水，由此攪動鋼水并使碳和氧在氣泡和鋼水之間的界表面相互反應(yīng)，得到一氧化碳和二氧化碳;將一氧化碳和二氧化碳與載氣一起回收;使回收的載氣循環(huán)或通過氣體回路，在該回路中設(shè)置有測定碳氧化物濃度的裝置;進(jìn)行鼓泡和回收載氣工序一次或多次，由此逐步提高載氣中一氧化碳和二氧化碳的濃度直至它們與鋼水中的那些氧和碳的濃度達(dá)到平衡;在循環(huán)已達(dá)到所需次數(shù)或在預(yù)先規(guī)定的時間期限循環(huán)后，用上述測定碳氧化物濃度的裝置測定載氣中一氧化碳和二氧化碳的濃度，由一氧化碳和二氧化碳的濃度和鋼水中氧的濃度之間的相互關(guān)系推算出鋼水中碳的濃度。
在氧濃度是已知的或可預(yù)測到的精煉設(shè)備中進(jìn)行測定的場合，則可不必測定氧濃度，而是可根據(jù)以假設(shè)氧濃度為常數(shù)時測出的碳和氧化物的濃度精確測定鋼水中的碳濃度。
上述快速測定鋼水中痕量碳的方法通過一種設(shè)備而被具體體現(xiàn)，該設(shè)備包括一個供給一種惰性氣體作為載氣的氣源;由具有一個開口端的吹氣管和一個位于鋼水之中，由位于吹氣管上方的多孔部分回收載氣的氣體回收管所組成的氣體供給-回收探頭;一個氣體循環(huán)回路，通過該回路，由載氣源供給的載氣由循環(huán)泵通過氣體供給-回收探頭按需要次數(shù)或在規(guī)定的時間周期強(qiáng)制循環(huán)，在所述的氣體循環(huán)回路中設(shè)置一個測定碳氧化物濃度的裝置;一個測定氧濃度的裝置，該裝置與氣體供給-回收探頭整體地或分離地構(gòu)成;以及一個計算裝置，該裝置接收來自測定碳氧化物和氧濃度裝置的碳氧化物濃度和氧濃度的數(shù)據(jù)并由這些數(shù)據(jù)計算出鋼水中碳的濃度。
在氧濃度是已知或可預(yù)測的精煉設(shè)備中進(jìn)行測定的情況下，可不必設(shè)置測定氧濃度的裝置。
快速測定鋼水中痕量碳的設(shè)備以如下方式操作。首先，將自氣體供給源供給的載氣通過吹氣管吹入鋼水中。吹入的載氣攪動鋼水并加速鋼水中碳和氧之間的反應(yīng)，從而得到一氧化碳和二氧化碳。一氧化碳和二氧化碳與載氣一起上升至表面。載氣通過多孔部分由氣體回收管回收?；厥盏妮d氣通過氣體循環(huán)回路按所需次數(shù)或經(jīng)預(yù)定的時間周期循環(huán)。通過設(shè)置在氣體循環(huán)回路中的裝置(為測定氧化物碳濃度)測定載氣中一氧化碳和二氧化碳的濃度(下文中總稱為碳氧化物)。通過一個計算單元與通過測定氧濃度的裝置所測定的氧濃度一起處理測定的結(jié)果。這樣就可能精確測定鋼水中碳的濃度。附帶指出，有可能是這樣一種情況，其中載氣僅通過氣體循環(huán)回路循環(huán)一次。合乎要求的是，在鋼水中碳氧化物的濃度和所收集的載氣中碳氧化物的濃度之間已達(dá)到平衡之后進(jìn)行碳氧化物的測定。然而，如果需要縮短測定的時間，則可在通過氣體循環(huán)回路的循環(huán)已重復(fù)所需次數(shù)或經(jīng)預(yù)定的時間周期時測定碳氧化物的濃度。如果一定次數(shù)(或時間)的循環(huán)周期后，鋼水中碳濃度和載氣中碳氧化物濃度之間確定了相互關(guān)系時，這一作法是可行的。從而，導(dǎo)致了快速測定，而不必等待達(dá)到平衡，并可以使此測定的結(jié)果用于精煉時的反饋控制。
實施例參照如下的實施例將更詳細(xì)地描述本發(fā)明，這些實施例以


。
圖1是表示鋼水中一氧化碳分壓(Pco)和鋼水中碳濃度之間相互關(guān)系的已知曲線圖。所示的四條曲線分別代表在氧活度(ao)為300ppm、400ppm、500ppm和600ppm場合下一氧化碳的分壓(或濃度)和碳濃度之間的相互關(guān)系。由該曲線圖可明顯看出，如果氧活度(或氧濃度)值是已知的，則能夠通過測定氣相中的一氧化碳濃度來明確地推算出鋼水中碳的濃度。由該曲線圖中也可看到，能夠通過測定范圍為1-15%的一氧化碳濃度來測定10-100ppm范圍的痕量碳濃度。換言之，能夠通過測定百分率級的一氧化碳濃度而精確推算出ppm級的碳濃度。本發(fā)明根據(jù)這一原則來測定鋼水中碳的濃度。
圖2是本發(fā)明用于順序和連續(xù)測定裝置的一個實施方案的圖解表示。這一裝置主要由以下部件組成氣體循環(huán)回路50，其中設(shè)置有測定碳氧化物濃度的單元61和測定氮濃度的單元62;氣體分支回路51，其中設(shè)置測氫濃度的單元63;通過連接器(未示出)可互換地連接氣體循環(huán)回路50的氣體供給-回收探頭70;測定氧濃度的單元64，該單元獨(dú)立于氣體循環(huán)回路50;以及計算單元65，該單元由通過測定碳氧化物濃度單元61和測定氧濃度單元64所得的值計算出鋼水中碳的濃度。若在典型為RH脫氣裝置的裝置中氧濃度高而穩(wěn)定的情況下，則可假定氧濃度是常數(shù)。在這一場合，能夠去掉測定氧濃度的單元64，如圖3所示。在參照如下說明的附圖中，測定氧濃度的單元64是有意未示出的。然而，如果必要可以設(shè)置。
氣體供給-回收探頭70示于圖4。它由具有開口端的吹氣管1和氣體回收管2組成。這兩條管通過并保持在如像卡紙板圓筒那樣的固定件3(holder)中。氣體回收管2的開口設(shè)置在吹氣管1開口的上方。供氣體收集用的裙部(skirt)4連接在固定件3的下端。裙部4由穩(wěn)定材料，如石英制成，當(dāng)測定期間它浸沒在鋼水中時不會熔化且不釋放任何造成誤差的組分。吹氣管1或至少其浸在鋼水中的部分由耐火材料，如氧化鋯制成，以使其在浸入鋼水中時不會熔化且不會釋放不必要的組分。固定件3用耐火材料7復(fù)蓋以阻止鋼水的熱。合乎要求的是，吹氣管1的開口端用低熔點(diǎn)材料塞住，該材料能被鋼水的熱熔化，以使當(dāng)吹氣管1被浸入鋼水中至預(yù)定的深度時，被塞住端自動打開。
裙部4具有充填多孔耐火材料5，如多孔氧化鋁的開口的底部。多孔耐火材料5使由鋼水釋出的載氣通過，但堵住鋼水。裙部4連接在充填細(xì)粒氧化鋁的較小直徑的部件上(鄰接多孔耐火材料5)。細(xì)粒氧化鋁起去除回收的載氣中粉塵的濾器6作用。吹氣管1貫穿濾器6和多孔耐火材料5，以使其開口位于鋼水75中。氣體回收管2的開口被埋入濾器6的上層中，以使其回收通過多孔耐火材料5和濾器6的載氣。
在固定件3的底部，通過連接器(未示出)將吹氣管1和氣體回收管2連接到下文中所述的氣體循環(huán)回路50上。所述的這些連接器可以使氣體供給-回收探頭70易于拆除以便在使用后進(jìn)行處理。
多孔耐火材料5僅使載氣通過，而堵住鋼水;然而，如果鋼水中氧濃度高時，它可以使亞氧化物(如FeO和MnO)沉積在其上面。這些亞氧化物由于腐蝕而堵塞多孔耐火材料5。為了克服這一情況，必須適當(dāng)?shù)乜刂茪怏w供給量和氣體回收量，以使在將多孔耐火材料5與鋼水75分離的裙部4中形成氣體儲層76，如圖5所示。
將上述構(gòu)成的氣體供給-回收探頭與打算分析回收氣體的單元連接。這一單元由氣體循環(huán)回路50和氣體分支回路51組成，圖3示出了其中一個實施方案。
氣體循環(huán)回路50構(gòu)成如下泵10、流量計11、閥12、壓力表13、壓力表14、H2O濾器15、轉(zhuǎn)換閥16、支管17、轉(zhuǎn)換閥18、閥19以及測定氧濃度的紅外氣體分析儀20。它們以載氣流動的方向順序排列。閥12、19通過一個管子彼此連接，該管在其中間分支出以便通過流量控制閥27、壓力表28，和混合器29與氬氣瓶30、氮?dú)馄?1、和氦氣瓶32連接。閥12、19可以轉(zhuǎn)換氣流。
與支管17平行配置有測定氮濃度的單元62，該單元由氧化爐21、CO2濾器22、和熱導(dǎo)檢測器(TCD)23組成。支路17和單元62都可借助于轉(zhuǎn)換閥16、18被選擇作為載氣的通道。由泵10向流量計11的通道被連接在分支回路51上，構(gòu)成了由流量控制閥24、H2O濾器25、和半導(dǎo)體氣體傳感器26組成的測定氫濃度的單元63。附帶說明，轉(zhuǎn)換閥16、18由簡化的符號指明以表示其功能。
氣體循環(huán)回路50裝備有H2O濾器15，以使回收的載氣在回收后立即經(jīng)其通過。H2O濾器15可去除在紅外氣體分析儀測定一氧化碳和二氧化碳濃度時造成誤差的水。
測定碳氧化物濃度的單元61事實上就是紅外氣體分析儀20。其原因是該分析儀尺寸緊湊并能快速和準(zhǔn)確的分析。在使用紅外分析儀20測定碳氧化物濃度的場合，載氣為氬。
測定氮濃度的單元62事實上就是熱導(dǎo)檢測器23。其原因是熱導(dǎo)檢測器是能夠準(zhǔn)確分析氮的唯一設(shè)備，因為氮用其他任何裝置分析都是太穩(wěn)定而不能被分析。
對于用作準(zhǔn)確分析的熱導(dǎo)檢測器而言，合乎要求的是，在欲被分析的元素和載氣之間的導(dǎo)熱性方面有大的差。對于氮的測定，必須使用氦作為載氣，因為氦在導(dǎo)熱性方面與氮大為不同。可能有這樣一種情況，在測定的結(jié)果可得到以前需化很長時間，因為氮比氫和一氧化碳擴(kuò)散入載氣中要緩慢并且在循環(huán)通過氣體循環(huán)回路50十多次后仍不能立刻達(dá)到平衡。為了避免這種麻煩，可由測定起始階段所測得的氮濃度上升曲線預(yù)測出近似的平衡值并且按照此預(yù)測到的值通過控制氣體混合器29強(qiáng)制地將來自氮?dú)馄?1的氮加入載氣中，以使盡可能快地達(dá)到平衡。氧化爐21將載氣中的一氧化碳氧化成二氧化碳，隨后其被CO2濾器22去除。這一原因是，一氧化碳造成測定氮濃度的誤差，因為它的導(dǎo)熱性與氮的導(dǎo)熱性非常接近。
測定氫濃度的單元63被裝在代替氣體循環(huán)回路50的通道的氣體支回路51中，這是因為氫快速地擴(kuò)散，因而不必重復(fù)循環(huán)通過氣體循環(huán)回路50，而因為在測定之前大量氧被供給至半導(dǎo)體氣體傳感器26表面，并因此測定后的載氣不能返回到氣體循環(huán)回路50。附帶要說明，在使用半導(dǎo)體氣體傳感器測定氫濃度的場合，須使用氬或氮作為載氣(盡管能夠使用氦作為載氣，但氦在經(jīng)濟(jì)上是不利的)。
上述結(jié)構(gòu)的順序和連續(xù)測定的裝置如圖8-10所示，以如下方式操作依次轉(zhuǎn)到測定氫濃度單元63、測定氮濃度單元62、和測定碳氧化物濃度單元61。在一個實際的煉鋼廠中，須連續(xù)測定氫和氮或連續(xù)測定碳和氮。通常，須測定氫濃度的鋼水具有低的氧濃度而須測定碳濃度的鋼水具有高的氧濃度。因此，不同品種鋼水在待測的元素濃度方面有差別。
在欲測定氫濃度的場合，由氦氣瓶32中將氦(作為載氣)供至氣體循環(huán)回路50而該載氣通過氣體循環(huán)回路50被引入氣體供給-回收探頭。然后該載氣通過吹氣管1被吹入鋼水中以使之鼓泡。通過氣體回收管2將已通過鋼水的載氣回收入氣體循環(huán)回路50。回收后的載氣通過支管17和泵10被引入氣體支回路51，而不返至氣體循環(huán)回路50中。在氣體支回路51中它被暴露在氧化氣體中并通過半導(dǎo)體氣體傳感器26測出氫的濃度。載氣最終由氣體支回路51中排出。在這一過程中，紅外氣體分析儀20應(yīng)避開，因為當(dāng)載氣通過它時，會得到無意義的讀數(shù)。
在欲測定氮濃度的場合，控制轉(zhuǎn)換閥16、18使得已通過H2O濾器15的載氣被導(dǎo)向測定氮濃度的單元62，如圖9所示。流量控制閥24被關(guān)閉以隔斷氣體支回路51。用按上述布置的裝置，由氦氣瓶32中將氦(作為載氣)供至氣體供給-回收探頭70?？墒乖撦d氣在鋼水中鼓泡，然后回收之。回收的載氣通過氮濃度測定單元62和氣體循環(huán)回路50然后重新進(jìn)入鋼水。重復(fù)這一循環(huán)若干次直至載氣中氮的濃度達(dá)到平衡。通過連續(xù)監(jiān)測熱導(dǎo)檢測器23的讀數(shù)找出平衡。為了加快氮的擴(kuò)散，可以由氮?dú)馄?1中將適量的氮添加到載氣中。測定后，載氣由氣體循環(huán)回路50中排出以使裝置準(zhǔn)備好用于后續(xù)的測定。
在欲測定一氧化碳和二氧化碳濃度的場合，將轉(zhuǎn)換閥16、18轉(zhuǎn)得使測定氮濃度的單元62與氣體循環(huán)回路50分開，以及載氣通過支路17，如圖10所示。用按上述布置的設(shè)備，由氬氣瓶30中將預(yù)定量的氬供至氣體供給-回收探頭70。該載氣通過氣體供給-回收探頭70的吹氣管1被吹入鋼水中以使之鼓泡。鼓泡加速了鋼水中碳和氧的反應(yīng)，而得到一氧化碳和二氧化碳。含有一氧化碳和二氧化碳的載氣被載氣回收管2回收并隨后用紅外氣體分析儀20分析。回收的載氣被吹入鋼水中并被回收再通過紅外氣體分析儀20和氣體循環(huán)回路50，這樣重復(fù)多次直至載氣中氮濃度達(dá)到平衡。在通過氣體循環(huán)回路50的循環(huán)已進(jìn)行所需次數(shù)或經(jīng)預(yù)定的時間周期后，在紅外氣體分析儀20上讀出一氧化碳和二氧化碳的峰值。根據(jù)這些值，測定出鋼水中碳氧化物的濃度。這樣，能夠測定鋼水中的碳濃度至ppm級的精確度。
為了使載氣中碳氧化物的濃度達(dá)到平衡并從而改進(jìn)測定的準(zhǔn)確度，使氣體循環(huán)所需次數(shù)或經(jīng)預(yù)定的時間周期。通過加深吹氣深度而使氣體僅循環(huán)一次而不是重復(fù)氣體循環(huán)也能夠產(chǎn)生相同的效果。然而，由于這需要大尺寸設(shè)備，所以這并不合乎要求。為了快速完成測定，循環(huán)次數(shù)或循環(huán)的時間長度受到限制。盡管重復(fù)氣體循環(huán)提高了碳氧化物的濃度，但對相同測量設(shè)備而言提高率在一定限度內(nèi)。從而，如果在循環(huán)所需次數(shù)或經(jīng)預(yù)定的時間周期后所測定的碳氧化物濃度與鋼水中碳濃度之間確定了相互關(guān)系，則能夠通過利用這一相互關(guān)系準(zhǔn)確地測定鋼水中碳的濃度。這一點(diǎn)已得到證明。氣體循環(huán)的實際循環(huán)次數(shù)取決于進(jìn)行測定的條件。本發(fā)明人的研究表明，在將300cc氬循環(huán)10次后，能對碳濃度進(jìn)行精確的測定(至ppm級精確度)。這一測定所需的時間約為30秒。換言之，這一速度尤可快速測定隨時間變化的鋼水中碳濃度。用這一方法測定的碳濃度可用于精煉的反饋控制。
由紅外氣體分析儀20得到的碳氧化物濃度被用以推算鋼水中的碳濃度。這一推算參照由裝有氧濃差電池的測定氧濃度單元64上所讀出的值進(jìn)行。這一單元64是與測定碳氧化物濃度單元61分開的。然而，可以將一個氧傳感器裝入氣體供給-回收探頭70。
附帶說明，在典型為RH脫氣裝置的裝置中的氧濃度高且穩(wěn)定場合，能夠假設(shè)氧濃度為常數(shù)。在這一場合，能夠由紅外氣體分析儀20直接推算鋼水中碳的濃度，而不用測定氧濃度。
如上所述，每次進(jìn)行氫、氮、和碳濃度測定時，載氣由一種轉(zhuǎn)換至另一種。反之，除非鋼水品種改變，否則就不必重復(fù)地將氣體供給-回收探頭70浸入鋼水中，而僅需轉(zhuǎn)換載氣，同時該探頭保持浸在鋼水中。以這一方式可連續(xù)進(jìn)行氫濃度和氮濃度的測定或碳濃度和氮濃度的測定。在一個實際煉鋼廠中，對同一鋼種的鋼水不必全測碳、氫和氧的濃度。然而，如果按照所用的實際設(shè)備對載氣和測定這些元素的裝置進(jìn)行了合適的選擇，則可以連續(xù)并順序地測定這三種元素的濃度。
在這個實施方案中，當(dāng)測定氫和氮的濃度或碳和氮的濃度時，對同種鋼水交替使用不同載氣。但是，如果適當(dāng)構(gòu)制測定不同氣體的裝置，可以使用同種載氣。此外，如果適當(dāng)改變測定步驟和開始步驟，也可以避免更換載氣的必要性。換句話說，在測定鋼水中每種元素(例如氫和氮)達(dá)到平衡時可以使用相同的載氣。在這種情況下，可能減少所需的氣瓶數(shù)。
上述方法采用半導(dǎo)體氣體傳感器26作測定氫濃度的儀器，采用熱導(dǎo)檢測器23作測定氮濃度的儀器，并采用紅外氣體分析儀20作測定碳氧化物濃度的儀器。為測定特定的元素選擇特定的單元取決于環(huán)境和所需的精度。這種選擇的例子示于圖11。氣體回路50配有高精度熱導(dǎo)檢測器33，它位于支路38之前。平行于支路38裝有為測定碳氧化物進(jìn)行預(yù)處理的單元34和為測定氮進(jìn)行預(yù)處理的單元35，通過轉(zhuǎn)換閥門36，37可以選擇其中之一。
在這個實施方案的裝置中使用的氣體回路50起如下所述的作用，參閱圖6和圖7。氣流的方向由沿著氣體回路的箭頭表示。氣體回路的連接由閥門12，19中的實線表示。不管泵10開或關(guān)，由其上方標(biāo)記“ON”或“OFF”表示。
(1)該裝置隨時可以連接到氣體供給-回收探頭70上，同時氣流控制閥門27關(guān)閉以及泵10關(guān)閉。
(2)開啟泵10通過噴口從管道中抽空氣。將從氣瓶運(yùn)送來的載氣通過吹口排出。
(3)開或關(guān)泵10時，固定氣體供給-回收探頭。在用低熔點(diǎn)材料塞住探頭70的吹管的開口端場合，通過由泵10產(chǎn)生的壓力增加來判明探頭70的固定。將吹口轉(zhuǎn)換到載氣回路。在吹管的開口端不塞住的場合，為轉(zhuǎn)換到載氣回路，立刻關(guān)上泵10，并浸入探頭70。
(4)當(dāng)氣體供給-回收探頭70浸入鋼水至規(guī)定的深度時，因為低熔材料被熱的鋼水熔化，吹管端口打開。這樣，載氣吹入鋼水。探頭的浸入通過壓力降低來判明，載氣由吹管和吸管放出(圖6)。
(5)開動泵10，使得殘氣從管中排出。此時該裝置隨時準(zhǔn)備好可以氣體循環(huán)。
(6)將氣瓶與回路隔離，載氣的循環(huán)開始。開始進(jìn)行用紅外氣體分析儀20測定碳的氧化物的濃度(圖7)。
(7)當(dāng)測定完成時，停止泵10并將探頭70拔出。載氣從吹管和吸管經(jīng)合適的時間排出使裝置易于連續(xù)進(jìn)行。
以這一方式，載氣通過氣體回路50循環(huán)，并測定特定元素的濃度。上述氣體回路50僅是一個例子，它的結(jié)構(gòu)不特別限制，只要它允許載氣循環(huán)。
本發(fā)明的第二個方面是包括一種能迅速測定鋼水中痕量碳的裝置。該裝置如下所示，參閱圖12進(jìn)行說明。這一裝置是上述連續(xù)和順序測定三種元素的裝置的一個特定型式。該特定型式是通過從上述設(shè)備中去除測定氫和氮的裝置而完成的。但是，這一特定設(shè)備和上述連續(xù)和順序測定三種元素的裝置一樣具有某些特點(diǎn)。這就是，這一裝置被設(shè)計成，使得載氣通過鋼水鼓泡回收載氣，將回收的載氣通過氣體回路循環(huán)，直到在回收的載氣中所分析的元素的濃度和鋼水中所分析的元素的濃度之間達(dá)到平衡，最后測定載氣中所分析的元素的濃度。
這一裝置主要由測定碳氧化物濃度的單元90、測定氧濃度的單元81和由該兩個單元獲得的數(shù)值來計算鋼水中碳濃度的計算單元82組成。在氧濃度高并在以RH脫氣儀所代表的儀器中穩(wěn)定的場合，可以假定氧的濃度是常數(shù)。在這種情況下，可以拆除測定氧濃度的單元81，如圖13所示。
測定氧濃度的單元90由浸入鋼水中的氣體供給-回收探頭70和構(gòu)成回收氣體分析器91的氣體回路組成。氣體供給-回收探頭70是上面參閱圖4和圖5說明過的一種探頭。
氣體供給-回收探頭被連接到氣體回路91上，如圖13所示。
氣體回路91由以下部件組成泵40、流量計41、閥門42、壓力計43、壓力計44、閥門45和紅外氣體分析儀46，它們被順序地安裝在載氣流動的方向上。閥門42，45由一個管子連接，在該管子的中間分路到氣瓶49，同時中間放有控流閥47和壓力計48。紅外氣體分析儀46測定一氧化碳和二氧化碳的濃度;可是，它可以用熱導(dǎo)檢測器或半導(dǎo)體氣體傳感器替換。在本實施方案中，由氣瓶49供給的載氣是氬氣;可是，可以用其它任何惰性氣體替換。在使用熱導(dǎo)檢測器作為測定碳氧化物濃度的裝置情況下，合乎要求的是，載氣與一氧化碳和二氧化碳在導(dǎo)熱性方面大為不同。
測定碳氧化物的裝置90，它如上所述由回路91和氣體供給-回收探頭70構(gòu)成，其操作按如下方式進(jìn)行首先，由氣瓶49供給適量的載氣，使載氣通過氣體供給-回收探頭70的吹氣管1在鋼水中鼓泡。氣泡促進(jìn)鋼水中碳和氧的反應(yīng)，使產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳。將載氣與一氧化碳和二氧化碳一起用氣體回收管2回收，將回收的載氣用紅外氣體分析器46分析。將回收氣體按照要求進(jìn)行多次循環(huán)或在規(guī)定的時間周期進(jìn)行循環(huán)。并測定載氣中碳氧化物的濃度。用這樣獲得的值推算鋼水中碳濃度，達(dá)到ppm級的精度。使氣體按要求進(jìn)行多次循環(huán)或在規(guī)定的時間周期內(nèi)進(jìn)行循環(huán)的目的是提高載氣中碳氧化物的濃度以達(dá)到平衡，由此改進(jìn)測定的精度。通過增加吹氣的深度和僅使氣體循環(huán)一次以代替重復(fù)循環(huán)氣體可以產(chǎn)生同樣效果。但是，這并不合乎要求，因為這樣做需要大型的設(shè)備。為了迅速完成測定要限制循環(huán)次數(shù)或循環(huán)時間的長度。雖然重復(fù)氣體循環(huán)提高了碳氧化物的濃度，但對同一測定裝置來說，濃度提高的比率是在一定的限度內(nèi)的。所以，如果循環(huán)所需的許多次或經(jīng)規(guī)定時間周期后測定的碳氧化物的濃度和鋼水中碳的濃度之間的相互關(guān)系確定，就可以利用這種關(guān)系準(zhǔn)確測定鋼水中碳的濃度。這已經(jīng)被證實。氣體循環(huán)的實際循環(huán)數(shù)取決于測定進(jìn)行的條件。本發(fā)明人研究表明在300cc氬氣循環(huán)10次以后準(zhǔn)確測定碳濃度(精度為ppm級)是可能的。該測定所需時間為30秒。換句話說，這個速度實際上可以實時(real-time)測定不時地變化的鋼水中的碳濃度。用這種方法測定的碳濃度可用來反饋控制精煉。
由紅外氣體分析儀46獲得的碳氧化物的濃度用來推算鋼水中碳的濃度。這種推算參照測定氧濃度單元81中讀出的數(shù)值來進(jìn)行，該單元由氧濃差電池構(gòu)成。這一單元81與測定碳氧化物濃度單元90隔開。但是，可以將氧傳感器裝入氣體供給-回收探頭70中。
順便提一下，在氧濃度高并且在由RH脫氣裝置代表的裝置中是穩(wěn)定的情況下，可以假定氧的濃度是恒定的。在這種情況下，可以直接由紅外氣體分析儀46中的讀數(shù)推算鋼水中碳的濃度，而不用測定氧濃度。
測定碳氧化物濃度單元90的作用如下所述，參閱圖14和圖15。氣流的方向由沿著氣體回路的箭頭表示。氣體回路的連接由閥門42，45中的實線表示。不管泵40是開或關(guān)都由其上標(biāo)記“ON”或“OFF”表示。
(1)該裝置隨時可連接氣體供給-回收探頭70，同時關(guān)上控流閥47，并關(guān)閉泵40。
(2)打開泵40從管中通過吹口抽空氣。將從氣瓶49運(yùn)送來的載氣通過吹口排出。
(3)開或關(guān)泵40時，將氣體供給-回收探頭70固定。在該探頭70的吹管的開口端用低熔材料塞住的情況下，探頭70的固定由泵40引起的壓力增加來判明。將吹口轉(zhuǎn)換到載氣回路。在吹管的開口端不塞的情況下，立刻關(guān)泵40，以轉(zhuǎn)換到載氣回路，立即將探頭70浸入。
(4)當(dāng)氣體供給-回收探頭70浸入到鋼水中規(guī)定的深度時，因為低熔點(diǎn)材料被熱的鋼水熔化，吹管的端口打開。這樣，載氣被吹入鋼水。探頭的浸入由壓力降低來判明，并且載氣由吹管和吸管排出(圖14)。
(5)開動泵40，使得殘氣從管中排出。這時，該裝置可隨時進(jìn)行氣體循環(huán)。
(6)將氣瓶49與回路隔開，開始載氣的循環(huán)。用紅外氣體分析儀46開始測定碳氧化物的濃度(圖15)。
(7)當(dāng)測定完成時，停止泵40并拔出探頭70。在適當(dāng)?shù)臅r間期間內(nèi)從吹管和吸管中排出載氣，使該裝置隨時準(zhǔn)備進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行。
以這一方式，可以迅速測定(幾乎實時的方式)不時地變化的鋼水中碳的濃度，不用脫氧或稍微脫氧。上述氣體回路91僅是一個例子，它的結(jié)構(gòu)不特別限制，只要它允許載氣的循環(huán)。
本發(fā)明的第一方面，包括一種順序和連續(xù)測定鋼水中碳、氫和氮濃度的方法和設(shè)備，該方法通過按照欲測定的元素選擇一種載氣，通過對全部被測元素共同使用的單一氣體供給-回收探頭使載氣吹氣和鼓泡通過鋼水，鼓泡后由鋼水中回收載氣，將回收的載氣通過或循環(huán)通過對全部被測元素共同使用的單一氣體循環(huán)單元，在通過或循環(huán)期間測定典型的元素，如碳、氫和氮，在測定被分析的元素濃度結(jié)束時更新載氣，重復(fù)上述步驟以測定另一種特定元素的濃度。這種技術(shù)構(gòu)成使其能夠連續(xù)高精度地測定典型元素，例如碳、氫和氮的濃度，而不需要換測定設(shè)備。此外，由于主要單元，例如氣體供給-回收探頭和氣體回路對所有待測定元素可以公用，不需要安裝新的測定設(shè)備。這節(jié)約了設(shè)備的總成本，并便于設(shè)備的維修。
按照本發(fā)明，鼓泡攪拌鋼水，使鋼水中痕量碳與氧反應(yīng)，產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳。測定這些化合物使其能測算鋼水中碳的濃度。這一方法使其能測定按照普通方法不能測定的鋼水中非常少量的碳。本發(fā)明的測定可以如此快的進(jìn)行，以致于(以幾乎實時的方式)可使人們知道鋼水中時常變化的碳濃度。測定的結(jié)果可用于反饋控制精煉。
在已知鋼水中氧濃度的情況下，不需要測定氧濃度，設(shè)備可以簡化，測定所需時間可以縮短。
在測定氮(它擴(kuò)散慢)時，需要從測定的最初階段測定獲得的氮濃度的增長曲線預(yù)測氮濃度的平均平衡值，并按照預(yù)測值從氮?dú)馄恐袕?qiáng)制增加氮，以使盡快建立平衡。這種方法可使人們極快速地測定氮的濃度。
本發(fā)明的第二個方面，包括一種快速測定鋼水中痕量碳的方法和設(shè)備，而不用脫氧或稍微脫氧。該方法是通過使載氣通過鋼水鼓泡，由此攪拌鋼水并使鋼水中痕量的碳與氧反應(yīng)，產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳，測定一氧化碳和二氧化碳的濃度，并由這樣測定的結(jié)果推算鋼水中碳的濃度。這種方法使其能測定鋼水中用普通方法不能測定的非常少量的碳，如同在對順序和連續(xù)測定鋼水中碳、氫和氮濃度的方法和設(shè)備(與本發(fā)明的第一方面相稱)的情況下一樣。
權(quán)利要求
1.一種順序和連續(xù)測定鋼水中碳、氫和氮濃度的方法，該方法包括使按照鋼水中碳、氫和氮中被測定的任一特定元素選擇的載氣(或惰性氣體)通過鋼水鼓泡，通過浸入鋼水中的氣體供給-回收探頭回收包含特定元素的載氣，使回收的載氣通過一個氣體回路循環(huán)或通過，進(jìn)行鼓泡并回收載氣一次或數(shù)次，使得載氣中特定元素的濃度與鋼水中該特定元素的濃度達(dá)到大致或完全平衡，通過測定一種或幾種特定元素濃度的裝置測定特定元素的濃度，該裝置被裝在所述氣體回路中或裝在從該氣體回路分支出的氣體回路中，從氣體回路排出載氣，以完成測定特定元素濃度的一系列步驟，用更新的載氣重復(fù)上述步驟，以測定剩余的要測定的元素。
2.一種順序和連續(xù)測定鋼水中碳、氫和氮濃度的裝置，該裝置包括一個或一個以上按照要測定元素供給一種作為載氣的惰性氣體的氣源;一個氣體供給-回收探頭，該探頭的組成為一個帶有開口端的吹氣管和一個通過多孔部分回收載氣的氣體回收管，該回收管位于浸入鋼水中吹氣管的開口端的上方;一個氣體回路，通過該回路，使由載氣源供給的載氣由一個循環(huán)泵強(qiáng)制通過氣體供給-回收探頭，循環(huán)所需的次數(shù)或在規(guī)定的時間周期循環(huán);一組被安裝在氣體回路或從氣體回路分支出的氣體回路上的測定特定元素濃度的裝置(例如測定碳的氧化物濃度的裝置，測定氫濃度的裝置和測定氮濃度的裝置);測定氧濃度的裝置，它與氣體供給-回收探頭整體構(gòu)成或與氣體供給-回收探頭分開;和接受由測定碳氧化物和氧濃度的裝置得到的碳氧化物和氧濃度數(shù)據(jù)并由這些數(shù)據(jù)計算鋼水中碳濃度的計算單元。
3.一種按照權(quán)利要求2所述的順序和連續(xù)測定鋼水中碳、氫和氮濃度的裝置，其中測定特定元素濃度的裝置帶有一個預(yù)處理單元以除去載氣中的有害組分。
4.一種按照權(quán)利要求2或3所述的順序和連續(xù)測定鋼水中碳、氫和氮濃度的裝置，其中測定碳氧化物濃度的裝置是紅外氣體分析儀，測定氫濃度的裝置是半導(dǎo)體氣體傳感器，而測定氮濃度的裝置是熱導(dǎo)檢測器。
5.一種快速測定鋼水中痕量碳的方法，該方法包括將載氣(一種惰性氣體)通過未脫氧或稍微脫氧的鋼水鼓泡，由此攪拌鋼水并在氣泡和鋼水之間的界面引起碳和氧發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳將一氧化碳和二氧化碳與載氣一起回收，使回收的載氣通過氣體回路循環(huán)或通過，氣體回路中安裝有測定碳氧化物濃度的裝置，進(jìn)行鼓泡步驟并回收載氣一次或數(shù)次，由此逐漸提高載氣中一氧化碳和二氧化碳的濃度，直到它們與鋼水中的氧和碳的濃度平衡，在循環(huán)已進(jìn)行所需的許多次或在規(guī)定的時間周期內(nèi)循環(huán)后，通過上述測定碳氧化物濃度的裝置測定載氣中一氧化碳和二氧化碳的濃度，并由一氧化碳和二氧化碳的濃度與鋼水中氧的濃度之間的相互關(guān)系推算鋼水中碳的濃度。
6.一種快速測定鋼水中痕量碳的裝置，它包括供給一種惰性氣體作為載氣的氣源;一個由帶有開口端的吹氣管和通過位于鋼水中并在吹氣管開口上方的多孔部分回收載氣的氣體回收管組成的氣體供給-回收探頭;一個氣體循環(huán)回路，通過該回路，使由載氣源供給的載氣由循環(huán)泵強(qiáng)制循環(huán)通過氣體供給-回收探頭所需的次數(shù)或在規(guī)定的時間周期內(nèi)循環(huán)，所述氣體循環(huán)回路中裝備一個測定碳氧化物濃度的裝置;一個測定氧濃度的裝置，它與氣體供給-回收探頭整體地構(gòu)成或與氣體供給-回收探頭分開;和一個接受由測定碳氧化物和氧濃度的裝置得到的碳氧化物和氧濃度數(shù)據(jù)的并由這些數(shù)據(jù)計算鋼水中碳濃度的計算單元。
全文摘要
一種用一個單獨(dú)裝置順序和連續(xù)測定鋼水中碳、氫和氮濃度的方法，以及一種測定鋼水中痕量碳的方法和裝置。所述方法包括按鋼水中待測的任何特定元素選擇一種載氣通過鋼水鼓泡，回收含特定元素的載氣，使回收的載氣在氣體循環(huán)回路循環(huán)或通過，以使載氣中特定元素的濃度與鋼水中該元素的濃度大致或完全平衡，通過測定一種或幾種特定元素的裝置測定元素的濃度。在測定幾種元素時，通過更新載氣并重復(fù)上述步驟可以測定待測的剩余元素。
文檔編號G01N33/20GK1113570SQ9411568
公開日1995年12月20日 申請日期1994年9月2日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月3日
發(fā)明者小野昭纮, 伊奈正樹, 小坂博昭, 小倉敏弘 申請人:日本賀氏電測騎士公司