[发明专利]测定钢水中碳、氢和氮浓度的方法和装置

说明书

本发明的第一个方面涉及一种顺序和连续测定钢水中碳、氢和氮浓度的方法和装置。

本发明的第二个方面涉及一种快速测定未脱氧或稍脱氧钢水中痕量碳的方法和装置。第二个方面的方法和装置与第一个方面的方法和装置大体相同。更具体地是，本发明的第二个方面涉及快速和精确地测定钢水中痕量碳的方法和装置，这样的碳是无法用常规方法直接测定的。在用真空脱碳装置，如RH脱气装置从未脱氧或稍脱氧的钢水中去除溶解碳时，可有效地使用该方法和装置。

在钢厂中控制钢水中的碳、氢和氮的浓度是极为重要的。事实上，需控制氮和氢浓度，或需控制氮和碳浓度，这取决于涉及的精炼设备。在这三种元素中，碳近来格外受到关注。特别是，测定超低碳钢板的碳浓度引起了很大的注意。其原因在下文解释。

超低碳钢板大部分被广泛地用于汽车中。与低碳钢相比，它有优越的延展性和强拉伸性能(deep-drawability)。另一方面，其缺点是机械强度不足。因此，作了很多努力以在保持延展性的同时改善其机械强度。这一目的，比如通过添加元素Ti,Nb、Mn和P中的一种或两种而可达到。要考虑的另一重要因素是控制痕量的碳。如果能控制痕量碳，则就能减少添加剂的种类和用量。为此，在炼钢工业中需要能将痕量碳的浓度在含10-100ppm碳的钢水中控制到ppm级精确度的技术。

钢厂中生产超低碳的方法包括采用真空脱碳装置(典型地是用RH脱气装置)。按照此方法，脱碳通过钢水(来脱氧的或稍脱氧的)中溶解碳和氧在真空中反应生成一氧化碳来完成。这就是在建立测定钢水中痕量碳的方法时要考虑的背景因素。

现有很多快速测定钢水中碳浓度的方法。包括凝固点测量和发射分光光度测定法。遗憾的是，它们不适于快速测定低的碳浓度。

有一种技术正被用来实验性地计算RH脱气装置中的碳浓度。按此技术，自在真空下抽自钢水的气体中取CO和CO₂气样，然后用质谱仪分析此气样。CO和CO₂的累积量表示已去除的碳量。该技术的缺点在于很难从真空系统中进行采样，而且计算有误差，因为不能确切地知道逸出的气体总量。另外，真空容器的泄漏使精确地计算钢水中的碳浓度产生困难。钢水中碳浓度越低，困难就越大。现在还没有形成快速测定痕量碳浓度的方法。

尽管已推荐过数种快速测定碳浓度的方法，但它们之中尚无一种能令人满意。

除需要快速测定痕量碳浓度的方法外，还需要连续测定钢水中所含的、除碳之外的其它元素(如氢和氮)浓度的装置。虽然需要同时测定这三种元素的例子可能还没有；然而在钢厂中需要连续测定两个元素，即氮和碳或氮和氢的例子确实存在。

有一种涉及测定几种元素，即碳、氢和氮的先进技术。它公开于日本专利No.5O2776/1989中。它主要是想要非连续地测定氢浓度。其方法包括将载气(一种惰性气体)吹入钢水中使之起泡，回收此气体，然后测定回收气体中的氢。测定的结果表示钢水中的氢浓度。这篇公开文献还建议可将同样的方法用来非连续地测定回收气体中的一氧化碳和氮。

图16中示意性地示出了用于此方法的装置。它由以下部分组成：下端置于被测钢水中的、使气体起泡并收集气体的探头150，及一个气体循环回路151，该回路由载气源及气体分析仪构成。探头150由气体吹管100(其下部弯成U-形)和气体收集管101(其开口端位于U-形之上)。在气体吹管100开口的上方是有效地收集载气并防止钢水进入气体收集管101的多孔材料的钟型(bell-shaped)部分102。

气体循环回路151由过滤器103、导热性探测器104、泵105、四通旋转阀106、压力计107及流量计108构成，上述部件沿气流安置。

该装置按以下面方式运行以测定氢浓度。自气瓶109的载气通过气体吹管100使钢水鼓泡。与溶于钢水中的氢混合的载气用气体收集管101收集。将收集到的载气经气体循环回路151循环流动，以使该气中的氢浓度与钢水中的氢浓度相平衡。最后用导热性探测器104测定氢浓度。