专利名称：钢液中氢的测定仪及测量方法
技术领域：
本发明属于借助于测定材料的物理性质来分析材料的领域，主要适用于钢液中氢的测定。
传统的测定钢液中氢含量的方法是先从钢液中取样，经急冷、选取、表面处理、清洗、吹干和称重等环节后，在分析仪器用熔融抽取法或固态热抽取法进氢含量分析。一般从取样到得出分析结果需8-12分钟(或更长)。另外，在取样和试样表面处理过程中，可能会有氢的散失，也可能由于取样器不清洁等原因而带入无关的氢，使分析结果不能代表钢液中氢的真实含量(《冶金分析》1990,10(3)P42-45(中文))。
在现有技术中，美国专利US4998432提供了一种直接测定钢液中氢的装置，该专利所述的装置能较好地反映钢液中氢的含量，特别是在连铸中间包中测量时通常可得到较理想的结果，但该专利的测头、仪器和测量方法尚有不足之处。主要表现在以下几方面(1)、该设备测头吹气管前端由胶堵上，插入钢水后胶熔化，载气直接由吹气管进入钢液，吹出的气泡没有经过细化，比表面积较小；(2)、测头回气管采用多孔石或陶瓷纤维以阻止钢液的进入且保持气流通畅，但实验发现，使用该测头测量模铸中氢含量得不到理想的结果；(3)、测头与测枪采用小爪一凸柱连接，使测头易于插入测枪同时也易于取下，并使测头与测枪间有一定的连接强度，但在测量流动的钢液特别是在浇铸的钢水浇铸口处，该连接不够牢固，测头易脱落；(4)、测头外部保护材料由三层组成，即最内层、最外层由纸构成，中间浇铸以树脂和砂子，该种结构可以保证测头在钢水中一段时间不损坏，但对于所需测量时间长(如大于100秒)的场合不能得到理想的结果，甚至会毁坏测枪；(5)、仪器中检测器直接接在循环气路上，测量过程中气流的微小波动会影响检测器对载气中氢含量的正确反映；
(6)、测头插入钢水，待堵在吹气管末端的胶熔化后，泵才开始工作，这意味着在分析开始后的一段时间里，检测器中载气气流经历一个波动过程，检测器(特别是热导池检测器)的基线将发生变化；(7)、在测量钢液中氢含量时，测头插入钢液之前取零点，这种做法简便易行，但需基于一个假设取零点时气路中载气流量和压强状况与测量时是一样的。而实际测量过程中测头个体之间的差异、测头插入深度以及钢液的温度都会影响上述参数；(8)、测量过程中气流一直在测头、测枪及主机气路中循环，测量过程中流速或压强的波动都会引起检测器输出信号的波动，从而影响测量的准确性。
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种在任何工况条件下能得到稳定可靠测量结果的钢液中氢的测定仪及测量方法。
针对上述目的，本发明的主要技术方案是本发明所述的钢液中氢测定仪由主机部分、测枪和测头组成，所述的主机部分由气路系统、数据处理及控制系统组成；所述的气路系统由测量系统和校正系统组成。
本发明所述的钢液中氢的测量方法包括如下步骤主机启动、校正、气路冲洗、放空过程和确定测量载气基线、循环测量和闭环测量。
现结合附图对本发明作详细说明。
附图1为本发明钢液中氢的测定仪主机部分(测试部分)的示意图。
附图2为本发明钢液中氢的测定仪的测头结构示意图。
附图3为本发明钢液中氢的测定仪的测枪结构示意图。
附图4为测枪和测头的连接示意图。
由上述附图看出，本发明所述的钢液中氢的测定仪包括主机部分、测枪和测头。主机部分通过接头31和38与测枪的气管23和22相连，测枪通过接头(21)上的卡槽(24)与测头接头(10)上的卡栓(13)相连。
所述的主机部分由气路系统、数据处理及控制系统组成。
所述的气路系统由测量系统和校正系统组成。
所述的测量系统由接头31和38、过滤器30、流量计28和29、切换阀26和32、三通电磁阀27、吸水装置25、吸收二氧化碳装置20、泵19、热导池14、阻力器15、流量计34组成。其中，阻力器15与热导池14并联连接，形成双循环测量流路；热导池14采用四臂热导池，用氮气作载气。
所述的校正系统由气源46和47、转换阀36、流量计35、切换阀32和26、吸水装置25、吸二氧化碳装置20、泵19、热导池14、阻力器15、流量计34和纯氢注射阀33组成。该校正系统通过切换阀32和26与测量系统相连。
所述的数据处理和控制系统由微处理器16、显示器17和打印机18组成。并通过热导池14与测量系统和校正系统相连。
所述测枪43由外壳49接头21、接头48、气管22和23组成；接头48与主机部分接头37和38相连，接头21与测头接头10相连。
所述的测头由接头10、纸管9、保护套管45、吹气管7、回气管8、过滤片3、多孔塞2、防渣帽1、套管4和耐火棉套5组成。接头10上有O型密封圈41和42。吹气管7和回气管8为同心的石英管；纸管9、保护套管45和套管4依次套装在回气管8外边；多孔塞2与吹气管7的顶端相连，过滤片3与回气管8的顶端相连。
在上述测头中，防渣帽1由特定金属制成，该金属在渣中不熔化，而接触钢液时即刻熔化；所述的过滤片3由Al2O3含量≥80％的高铝陶瓷制成；所述的多孔塞2由多孔材料制成；所述的保护套管45由耐火纤维制成；所述的套管4由Al2O3组成多孔子材料制成。
本发明所述的钢液中氢的测定方法包括如下步骤主机启动、校正、气路冲洗、放空过程和确定测量载气基线、循环测量和闭环测量。
现将上述各步骤分述如下(1)、主机启动接上气源46、启动电源和泵19，此时氮气沿稳压阀37、转换阀36、切换阀32和26、吸水装置25、吸二氧化碳装置20、泵19、热导池14、阻力器15、流量计34，再经切换阀32放入大气中，并打开热导池14，主机完成启动；主机启动后，泵19一直工作。
(2)、校正可用纯氢气校正或用含氢标准混和气校正；本发明的测量原理是测量与钢水平衡气氛中氢气的平衡分压，进而推算出钢液的氢含量。
校正过程也是通过测量仪器气路中氢的分压，从而计算出在设定条件(如钢液温度、活度系数)下，与之平衡的钢液中的氢含量。
采用纯氢气校正时，向循环气路系统中注入已知体积的纯氢气，由于循环气路系统的体积是一定的，因而气路系统中就有稳定的氢分压达到校正的目的。
同理用含氢混和气充满气路可达到校正仪器的目的，校正时含氢混和气经气口47，沿稳压阀47、转换阀36、切换阀32和26、吸水装置25，吸收二氧化碳装置20、泵19、热导池14、阻力器15、流量计34、再经切换阀32放入空气中。
仪器可定期校正，但无需每次测量前都校正。
(3)、对气路系统、测枪和测头进行冲洗当测头插入钢液中，主机部分启动、打开转换阀36和稳压阀37，用纯氮气分别对测头、测枪及气路系统进行冲洗，使整个测量系统充满纯氮气。具体冲洗流程路线如下第一路纯氮气由气源46经稳压阀37、转换阀36、切换阀32和26、吸水装置25、吸收二氧化碳装置20、泵19、热导池14、阻力器15，流量计34，再经切换阀32放放大气中。
第二路纯氮气由气源46经切换阀27、流量计28、接头38、测枪气管22、测头气管12、吹气管7及多孔塞2，然后进入钢液。
第三路；纯氮气由气源46经切换阀27、流量计29、过滤器30、接头31、测枪中气管23、测头中气管11、回气管8及过滤片3，然后进入钢液；
整个冲洗时间5-15秒；冲洗的目的是清除气路系统、测枪及测头中残存的不纯物质及其它气体；同时，冲洗的另一个重要作用是预热测头。
(4)、放空过程和确定测量载气基线气路系统、测枪及测头经氮气冲洗后，接着进行放空过程，即纯氮气由气源46经稳压阀37、转换阀36、切换阀32和26、流量计28、接头38、测枪中气管22、测头中气管12、吹气管7、多孔塞2，并吹入钢液，然后该氮气又由钢液经过滤片3、回气管8、测头中气管11、测枪中气管23、接头31、过滤器30、切换阀26、吸水装置25、吸二氧化碳装置20、泵19、热导池14、阻力器15、流量计34，再经切换阀32，放入大气。
整个放空时间为5-15秒；放空过程开始2-10秒后，微处理器16确定测量纯载气基线；因为在正常情况下，放空过程中载气在气路系统的流量、压强等参数与测量过程中载气的上述参数是一致的，因此在放空过程所确定的载气测量基线完全可代表循环时载气的测量基线。这种在放空过程确定载气测量基线能提高测量结果的准确度。
另外，通过放空过程，继续清除气路系统、测枪及测头，特别是多塞孔2、过滤片3及过滤器30中的不纯物质及其它气体，保证测量的准确性。
(5)、循环测量和闭环测量放空过程结束后，本发明测定仪进入循环过程。在循环取样过程中，由吹气管7吹入钢液中的载气氮气，被回收管8收集，随后进入测头接头10的气管11、测枪中气管23、接头31、过滤器30、切换阀26、再经吸水装置25、二氧化碳吸收装置20，再进入泵19，该气体在泵的驱动下沿热导池14、阻力器15、流量计34、切换阀32和26、流量计28、接头38、测枪中气管22、测头中气管12，再进入吹气管7，如此循环，直至循环气氛中氢分压达到钢液中氢的平衡分压；并且，在系统流速、压力都稳定的情况下，热导池14将输出稳定氢分压信号，微处理器16将该信号转换和显示出测量结果，并结束测量；在上述循环过程中，当由于流速、压强的强烈波动使热导池(14)输出的信号有较大波动时，则仪器自动进入闭环测量阶段；闭环过程如下平衡含氢量的载气在泵(19)的驱动下，进入热导池(14)、阻力器(15)、流量计(34)、切换阀(32)和(26)、吸水装置(25)和二氧化碳吸收装置(20)、再回到泵(19)。在闭循环过程中，已平衡的含氢载气以稳定的流量流经热导池(14)，热导池(14)再将稳定的氢分压信号输入微处理器(16)，微处理器(16)将该信号转换和显示出测量结果。
至此，本发明测时过程完结。
整个循环过程时间为30-90秒。
与现有技术相比，本发明具有如下优点(1)由于本发明在测量系统中，采用了阻力器15和热导池14并联的双循环测量流路，使气流大部分通过阻力器15，而只有少部分气流通过热导池14，结果，使测量信号有效地避免了测量时气流波动的影响，避免了通过热导池气流过大，所产生的基线不稳的影响，从而提高了测量的精确度。
(2)在吹气管7的顶端置有多孔塞2，使由吹气管7进入钢液中的气泡更小，从而表面积增大，提高了载气和钢液中的氢的交换速度，可缩短测量时间。
(3)在本发明的测量方法中，采用了放空过程步骤，在放空过程确定测量载气基线，能够提高测量结果的准确度。
(4)由于采用了闭路循环测量，使已平衡的含氢载气以稳定的流量流过热导池14，消除了由于钢液流动所造成的气流不稳或循环后期由于堵塞所造成的气流不稳所造成的不良影响，使测量结果更准确。
(5)由于测枪与测头采用卡槽24和卡栓13连接，连接牢固，即使在测量流动钢液，特别是在连铸中间包浇铸口处测量时，测头也不会脱落。
(6)由于本发明测量方法中采用纯氢气校正氢气的分压，校压准确。同时也可用含氢的标准混和气校正使仪器的适用面更广。
除附图1-4如上所述外，附图5-7分别为实施例1-3钢液中氢的测量结果曲线。图中，横座标为时间(秒)，纵座标为氢分压的热导池检测值(V)。
实施例采用本发明所述的测定仪及测量方法，对3炉钢液中的氢含量进行了测量，测量在中间包中进行。首先将测定仪的主机部分与测枪及测头连接好。迅速将测头插入钢液中，同时启动主机部分，接着打开转换阀36、稳压阀37和切换阀27，对所有气路进行冲洗，然后放空，确定测量载气基线，再循环测量，最后闭路循环测量。所测钢种、钢液温度及测量参数如表1所示。氢含量测量结果如表2所示。氢含量的测量结果曲线如附图5-7所示。即附图5-7分别为实施例1-3的氢测量曲线。
表1 实施例所测钢种、钢液温度及测量参数
表2 实施例钢液中氢含量测量结果
权利要求
1.一种钢液中氢的测定仪，其特征在于[1]、该测定仪包括主机部分、测枪和测头；主机部分通过接头(31和38)与测枪的气管(23和22)相连，测枪通过接头(21)的卡槽(24)与测头接头(10)上的卡栓(13)相连。[2]、所述的主机部分由气路系统、数据处理及控制系统组成；[3]、所述气路系统又由测量系统和校正系统组成；[4]、所述的测量系统由接头(31和38)、过滤器(30)、流量计(28和29)、切换阀(26和32)、三通电磁阀(27)、吸水装置(25)、吸二氧化碳装置(20)、泵(19)、热导池(14)、阻力器(15)和流量计(34)组成；且阻力器(15)与热导池(14)并联，形成双循环测量流路；热导池(14)在其中一个流路上；[5]、所述的校正系统由气源(46和47)、转换阀(36)、流量计(35)、切换阀(32和26)、吸水装置(25)、吸二氧化碳装置(20)、泵(19)、热导池(14)、阻力器(15)、流量计(34)和纯氢注射阀(33)组成；[6]、所述的数据处理和控制系统由微处理器(16)、显示器(17)和打印机(18)组成；这两个系统通过热导池(14)与测量系统和校正系统相连；[7]、所述的测头由接头(10)、纸管(9)、保护套管(45)、吹气管(7)、回气管(8)、过滤片(3)、多孔塞(2)、防渣帽(1)、套管(4)和耐火棉(5)组成；其中吹气管(7)和回气管(8)为同心的石英管，纸管(9)、保护套管(45)和套管(4)依次套装在回气管(8)外边；多孔塞(2)与吹气管(7)的顶端相连；过滤片(3)与回气管(8)的顶端相连；[8]、所述测枪(43)由外壳(49)接头(21)、接头(48)、气管(22)和(23)组成；接头(48)与主机部分接头(37)和(38)相连，接头(21)与测头接头(10)相连。
2.根据权利要求1所述的测定仪，其特征在于测头回气管(8)顶端的过滤片(3)由Al2O3含量≥80％的高铝陶瓷制成。
3.根据权利要求1所述的测定仪，其特征在于测头的套管(4)由Al2O3组成的多孔材料制成。
4.根据权利要求1所述的测定仪，其特征在于测头的防渣帽(1)由特定金属制成，该金属在渣中不熔化，而接触钢液时即刻熔化。
5.根据权利要求1所述的测定仪，其特征在于多孔塞(2)由多孔材料制成。
6.根据权利要求1所述的测定仪，其特征在于测头接头(10)上有O型密封圈(41和42)。
7.根据权利要求1所述的测定仪，其特征在于测头接头(10)上的保护套管(45)由耐火纤维制成。
8.一种钢液中氢的测量方法，包括如下步骤主机启动、校正、气路冲洗、放空过程和确定测量载气基线、循环测量和闭环测量，[1]、主机启动接上气源(46)、启动电源和泵(19)，此时氮气沿稳压阀(37)、转换阀(36)、切换阀(32)和(26)、吸水装置(25)、吸二氧化碳装置(20)、泵(19)、热导池(14)、阻力器(15)、流量计(34)，再经切换阀(32)放入大气中，并打开热导池(14)，主机完成启动；主机启动后，泵(19)一直工作。[2]、校正可用纯氢气校正或用含氢标准混和气校正；用纯氢气校正时，由定体积注氢阀(33)向循环气路系统中注入已知体积的纯氢气；用含氢标准混合气校正时，含氢标准混合气由气源(47)向循环气路系统中注入；[3]、对气路系统、测枪和测头冲洗主机部分、测枪和测头连接好之后，将测头插入钢液中，用纯氢气对气路系统、测头和测枪进行冲洗，并分三路进行清洗第一路纯氮气由气源(46)经稳压阀(37)、转换阀(36)、切换阀(32)和(26)、吸水装置(25)、吸收二氧化碳装置(20)、泵(19)、热导池(14)、阻力器(15)，流量计(34)，再经切换阀(32)放入大气中。第二路纯氮气由气源(46)经切换阀(27)、流量计(28)、接头(38)、测枪气管(22)、测头气管(12)、吹气管(7)及多孔塞(2)，然后进入钢液。第三路；纯氮气由气源(46)经切换阀(27)、流量计(29)、过滤器(30)、接头(31)、测枪中气管(23)、测头中气管(11)、回气管(8)及过滤片(3)，然后进入钢液；整个冲洗时间为5-15秒；[4]、放空过程和确定测量载气基线气路系统、测枪及测头经氮气冲洗后，接着进行放空过程，即纯氮气由气源(46)经稳压阀(37)、转换阀(36)、切换阀(32)和(26)、流量计(28)、接头(38)、测枪中气管(22)、测头中气管(12)、吹气管(7)、多孔塞(2)，并吹入钢液，然后该氮气又由钢液经过滤片(3)、回气管(8)、测头中气管(11)、测枪中气管(23)、接头(31)、过滤器(30)、切换阀(26)、吸水装置(25)、吸二氧化碳装置(20)、泵(19)、热导池(14)、阻力器(15)、流量计(34)，再经切换阀(32)，放入大气中。整个放空时间为5-15秒；放空过程开始2-10秒后，微处理器16确定测量载气基线；[5]、循环测量和闭环测量放空过程结束后，本发明测定仪进入循环过程，在循环取样过程中，由吹气管(7)吹入钢液中的载气氮气，被回气管(8)收集，随后进入测头接头(10)的气管(11)、测枪中气管(23)、接头(31)、过滤器(30)、切换阀(26)、再经吸水装置(25)、二氧化碳吸收装置(20)，再进入泵(19)，该气体在泵的驱动下沿热导池(14)、阻力器(15)、流量计(34)、切换阀(32和26)、流量计(28)、接头(38)、测枪中气管(22)、测头中气管(12)，再进入吹气管(7)，如此循环，直至循环气氛中氢分压达到钢液中氢的平衡分压；并且，在系统流速、压力都稳定的情况下，热导池(14)将输出稳定的氢分压信号，微处理器16将该信号转换和显示出测量结果，并结束测量；在上述循环过程中，当由于流速、压强的强烈波动使热导池(14)输出的信号有较大波动时，则仪器自动进入闭环测量阶段闭环测量过程如下平衡含氢量的载气在泵(19)的驱动下，进入热导池(14)、阻力器(15)、流量计(34)、切换阀(32)和(26)、吸水装置(25)和二氧化碳吸收装置(20)、再回到泵(19)。在闭循环过程中，已平衡的含氢载气以稳定的流量流经热导池(14)，热导池(14)再将稳定的氢分压信号输入微处理器(16)，微处理器(16)将该信号转换和显示出测量结果。整个循环过程时间为30-90秒。
全文摘要
本发明属于借助于测定材料的物理性质来分析材料的领域。本发明所述的钢液中氢的测定仪包括主机部分、测枪和测头。主机部分由气路系统、数据处理及控制系统组成,其气路系统又由测量系统和校正系统组成。所述的测量方法包括如下步骤:主机启动、气路冲洗、放空过程、确定测量基线、循环和闭环测量。本发明测量结构准确,适用面广。
文档编号G01N7/14GK1210263SQ9810334
公开日1999年3月10日 申请日期1998年7月30日 优先权日1998年7月30日
发明者秦卫东, 王蓬, 吴京利, 李小佳, 张宏斌, 漆廷邦, 赵惠元, 贾云海, 王海舟 申请人:冶金工业部钢铁研究总院