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WO2003060432A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von kenngrössen einer metallschmelze - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von kenngrössen einer metallschmelze Download PDF

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Publication number
WO2003060432A1
WO2003060432A1 PCT/DE2003/000107 DE0300107W WO03060432A1 WO 2003060432 A1 WO2003060432 A1 WO 2003060432A1 DE 0300107 W DE0300107 W DE 0300107W WO 03060432 A1 WO03060432 A1 WO 03060432A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
molten metal
measuring device
measurement data
measuring
measurement
Prior art date
Application number
PCT/DE2003/000107
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Asselborn
Original Assignee
Amepa Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Amepa Gmbh filed Critical Amepa Gmbh
Priority to DE10390146T priority Critical patent/DE10390146D2/de
Priority to US10/502,019 priority patent/US20050040570A1/en
Priority to EP03704214A priority patent/EP1466143A1/de
Priority to AU2003206623A priority patent/AU2003206623A1/en
Publication of WO2003060432A1 publication Critical patent/WO2003060432A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/02—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G01K7/025—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples expendable thermocouples
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/48—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using wave or particle radiation means
    • G01D5/485—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using wave or particle radiation means using magnetostrictive devices

Definitions

  • the invention relates on the one hand to a method for determining at least one parameter of a molten metal by means of a measuring device for generating measurement data of these parameters and to a processing device arranged outside the molten metal for processing this measurement data, the measuring device being introduced into the molten metal, and on the other hand to a device for carrying out this method and finally an associated measuring device.
  • Thermocouples, optical or pyrometric measuring devices permanently installed on the converter vessel are proposed from various sides. Such measuring devices are subject to high wear due to the permanently very high temperature load and falling "boiler bears".
  • Blow lances with built-in pyrometers are used to measure the temperature without contact during blowing.
  • such measuring devices are not suitable for evaluating samples and for measuring the oxygen content.
  • two generic methods and devices for their implementation are known which use generic measuring devices for determining parameters of a molten metal.
  • the measuring devices are either thrown into the molten metal as a so-called “immersion body” from a discharge station, or are introduced into the molten metal using a lance.
  • the measuring device is connected to a cable Processing device for processing the measurement data connected.
  • data are processed - for example statistically -, used to control or regulate the steel manufacturing process, fed online into a parallel numerical simulation or displayed in the form of characteristic values.
  • US Pat. No. 3,374,122 describes an immersion body: On the one hand, it is proposed to specifically increase the weight of the measuring device by means of additionally integrated masses, so that the measuring device reliably penetrates the slag layer under its own weight, and on the other hand to equip the measuring device with tines projecting downwards in order to provide one To prevent damage to the thermocouple, which also protrudes, on impact with the slag surface.
  • a buoyant immersion body is described in US Pat. No. 4,881,824: an elongated rod-shaped probe, in particular for introducing a sampling body into a metal melt, is weighted on the one hand by a thickened steel tube at the lower end and on the other hand surrounded by a cardboard sleeve as a buoyancy body at the upper end.
  • the weighting and the buoyancy body are adapted to the known density of the molten metal - and thus to the known buoyancy forces - in such a way that the immersion body penetrates a slag layer formed on the surface of the molten metal, with its swollen end into the molten metal into one immerses defined depth and is held in a vertical position by the floating body in the molten metal floating.
  • the cable of such an immersion body remains connected to the ejection station above the converter during the measurement, the data is forwarded from the ejection station to the processing device for processing the measurement data.
  • a release station is described, for example, in US Pat. No. 5,610,346:
  • a special coordination of the suspension of a plurality of immersion bodies and the fastening of their cables in the release station and a device for separating the cable ends remaining after each measurement are proposed.
  • the cable burns in the converter.
  • the remaining cable end is cut off in the ejection station and falls into the converter, where it also burns.
  • the connecting cable to the processing device remains an essential weak point of the system:
  • the cable end remaining in the ejection station must be reliably cut off after the measurement and in particular removed from the ejection path, since otherwise it can block the subsequent immersion body. If an admission device is used as a discharge path, this can be blocked overall.
  • measuring head a so-called “measuring head” - into the molten metal at the tip of a lance from the casting platform.
  • the measuring head and the lance end are surrounded by a cardboard sleeve that protects both components from the heat of the molten metal and from metal splashes.
  • the measuring head is usually destroyed by the measurement and, after a single use, is discarded together with the cardboard sleeve.
  • the manual feeding of a measuring head by means of a lance is a very simple generic method, but has a number of decisive disadvantages - especially in mass production:
  • the accuracy of the measurement depends largely on the level of training of the operator. - If the lance is immersed in the molten metal, escaping metal splashes endanger the health of the operator.
  • the converter process must be interrupted for the duration of the measurement in order to be able to move the converter into a position inclined to the casting platform.
  • Japanese patent application JP 2000028438 describes a device for measuring temperature, certain concentrations and other physical parameters of a melt at elevated temperature.
  • This device has a so-called sub-lance, at the tip of which an exchangeable measuring head is arranged, which is moved into the melt by appropriate movement of the lance.
  • a transmitter in the measuring head converts sensor signals into a high-frequency signal, which is routed via cable and a plug connection between the measuring head and the metallic sublance.
  • the sublance is used to transmit the high-frequency signal and as an antenna to wirelessly transmit the signals to a receiver outside the melt vessel.
  • the object of the invention is to propose on the one hand a method and on the other hand a device for its implementation, which allow the determination of parameters with significantly reduced expenditure on equipment, control technology and organization, while at the same time being more reliable than in the prior art. This is intended to make it easier to carry out the measurement in general, but in particular to automate it.
  • this object is achieved according to the invention in that the measurement data are transmitted wirelessly directly from the measurement device to the processing device.
  • This measure also eliminates the above-described disadvantages of the known methods, which are inseparably connected to the cable, with the connecting cable:
  • the service life of the measuring device is no longer limited by the survival time of the cable in the molten metal. In this way, more complex, for example multistage, measuring methods can be carried out by one measuring device.
  • Immersion bodies in a discharge station no longer have to be provided with a separate connection for each immersion body
  • the processing device comprises a receiving device, e.g. a receiving antenna placed several 100 m in front of the rest of the processing device, e.g. in the form of a computer with the usual peripheral devices, such as a screen, keyboard, printer etc., can be removed. While the receiving device should generally not be too far away from the molten metal for reasons of transmission security, it is advisable to arrange the remaining processing device in a well-protected manner at a sufficient distance from the molten metal. The transmission from the receiving device to the computer will generally take place via a cable.
  • the measuring device comprises an integrated transmitting device with which the radiation of signals of the measured values to be transmitted is possible.
  • Another important advantage of the method according to the invention can be seen in the fact that the use of a lance can be dispensed with entirely, so that the method can be used cost-effectively in connection with almost all metallurgical vessels.
  • the invention is characterized by the omission of all plug connections in the area of the measuring device, since the latter have very often proven to be the weak point of existing devices due to the extreme conditions in operation in the past.
  • the embodiment of the method according to the invention is preferred in such a way that the measuring device is introduced into the molten metal from a discharge station using gravity. The measurement can then be carried out without interrupting the converter process.
  • the method according to the invention is carried out - in the form of a measuring cycle comprising initialization, selection and preparation of a measuring device, introduction of the measuring device into the molten metal, me and transmission of the data and completion of the measurement - preferably automated.
  • a measuring cycle can be triggered by a regular pulse or depending on measured or calculated parameters of the process.
  • ISM Industrial Scientific Medical
  • IEEE 802.11 in particular at 2.4 GHz or at 433 MHz.
  • other frequency ranges can also be used as long as they are sufficiently suitable to transmit measurement data from the measuring device to the processing device during the measurement.
  • the object of the invention is further achieved in that with such a device the measurement data can be transmitted wirelessly directly from the measuring device to the processing device.
  • This device also has the advantages described above, which result from the elimination of the transmission cable and any plug connections to a lance. Due to the elimination of the cable connection and cable cutting devices, the device according to the invention can be built much more simply and therefore more cost-effectively than the known devices. With the reduced number of assemblies, the space requirement of the device according to the invention is reduced, as is the maintenance and monitoring effort during operation. Overall, the device according to the invention significantly facilitates the automated measurement of parameters of a molten metal.
  • the device according to the invention can be used to measure physical or chemical parameters in or on the molten metal.
  • thermocouples for measuring the temperature EMF measuring probes for oxygen measurement, sensors for determining the fill level and slag thickness as well as combinations of the sensor elements mentioned are used.
  • the determined data can either be transferred directly in analog form or after A / D conversion.
  • the measuring device of the device according to the invention can have an integrated transmission element which protrudes from the molten metal during the measurement.
  • the receiving antenna can be designed so that it is automatically covered or retracted during the measurement breaks.
  • the interference-free transmission is further promoted if the transmitting element, which is designed as an antenna, for example, is largely protected from metal splashes by a cardboard sleeve or by a ceramic coating.
  • the projecting transmission element can also be designed as a holder for an immersion body in a discharge device.
  • the measuring device can also have an energy storage element, in particular batteries or high-performance capacitors, which are connected or charged to the sensor electronics immediately before the start of the measurement.
  • the device according to the invention can be designed in a particularly simple manner in such a way that the measuring device can be introduced manually into the molten metal.
  • the embodiment of the device according to the invention is preferred in such a way that the measuring device can be introduced into the molten metal from a discharge station using gravity. This enables the measurement to be carried out without interrupting the converter process.
  • the dimensions, in particular length and weight, of such an immersion body result structurally from the intended immersion depth in the molten metal and from the necessary protection of the antenna. Basically, slim designs, that is to say immersion bodies with the smallest possible diameter, have proven to be advantageous.
  • the ejection station of a device according to the invention is preferably designed as a magazine that can accommodate several measuring devices.
  • the magazining of measuring devices in particular enables the automatic triggering of measuring cycles - as described above - without manual intervention on the device.
  • the device according to the invention transmits the measurement data determined by it preferably in the frequency range of the ISM bands (as already explained above).
  • the method and the device according to the invention can in principle not only be used in metallic melts, but also in other melt baths - for example in a glass melt.
  • the invention also includes the measuring device for introduction into a molten bath at elevated temperature.
  • FIG. 1 shows a converter system with a device according to the invention for determining parameters of a molten metal
  • Fig. 2 shows an immersion body of this device
  • Fig. 3 the drop station of this device.
  • the figures show a converter system 1 with a converter 2 and a device 3 for determining parameters of a molten metal 4 of an alloy steel not described in detail.
  • the converter 2 known per se, contains the molten metal 4 and is arched over by an extraction device 5.
  • the device 3 for determining parameters essentially consists of a dropping station 6 with a plurality of transmitter-like measuring devices 8 accommodated therein and a processing device 7, which is also known per se, for controlling the dropping station 6 and for displaying and processing the determined parameters.
  • the measuring device 8 is an immersion body with an elongated shape known per se. It has 9 sensors 10 at the lower end, which transmit analog measured values of parameters to a device 11 for signal processing. From there, these measured values are digitized via an A / D converter 12 and forwarded to a transmitter 13, which emits them into the environment via a transmitting antenna 14 at the upper end 15.
  • the electrical and electronic components 11, 12, 13 and 14 in the measuring device 8 are supplied with energy via a capacitor 16 for the period of the measurement.
  • the sensors 10, the device 1 1 for signal processing, the A / D converter 12, the transmitter 13 and the transmitter antenna ne 14 as well as the capacitor 16 are known per se and are therefore only shown schematically.
  • the measuring device 8 is provided at the lower end 9 in a manner not shown with a weight made of a material of a suitable density - for example steel or lead.
  • the lower end 9 of the measuring device 8 has a higher density than the molten metal 4, in particular in the case of a molten steel, a density greater than 7.2 g / cm 2 .
  • the rod-shaped elongated buoyancy body 17 is produced from a material of lower density, for example from a silicate-bonded cardboard tube.
  • the dimensions of the buoyancy body 17 are selected such that, on the one hand, the electrical and electronic components 11, 12, 13, 14 and 16 can be accommodated inside and, on the other hand, the wall thickness selected ensures a protective, heat-insulating shell which is sufficient for these components is.
  • the wall thickness of the buoyant body 17 is typically greater than 7 mm.
  • the upper end 15 of the measuring device 8 is provided with a coating 18 made of refractory ceramic or cardboard, so that the transmitting antenna 14 protruding from the buoyancy body 17 is protected against damage by metal splashes or slag particles when the measuring device 8 is immersed in the molten metal 4 and during the measurement is.
  • the ejection station 6 is arranged laterally above the extraction device 5 and is thus largely protected from the heat radiation emitted by the converter 2.
  • the ejection station 6 essentially has a tall, upwardly open box shape with an elongated base area. Its bottom 19 is inclined to a tube 20 attached laterally below the discharge station 6.
  • the front wall 21 has an electrically opening flap 22 in front of the tube 20 and an ejection device 24, which is likewise electrically operated, on the opposite rear wall 23.
  • a charging station 25 is arranged in the floor 19 of the ejection station 6 directly in front of the flap 22, the transmission coil (not shown) of which charges the capacitor 16 via a receiving coil (not shown) in the measuring device 8. About ten measuring devices 8 are loosely stacked one above the other in the discharge station 6.
  • a receiving antenna 26 is also arranged above the extraction device 5, by means of which data transmitted from the area of the molten metal 4 can be recorded and transmitted to the computer 7.
  • the flap 20 is opened by a pulse generated in the computer 7 at the discharge station 6 and the measuring device 8 located at the bottom is conveyed into the tube 20 by means of the ejection device 24.
  • the next measuring device 8 slips to the lowest position.
  • the capacitor 16 of this measuring device 8 is charged and the measuring device 8 is thereby activated for the following use.
  • the measuring device 8 required in the pipe 20 is guided through the extraction device 5 and falls down into the converter 2, penetrates the slag layer 27 on the surface 28 of the molten metal 4 and reaches the molten metal 4.
  • the weight of the measuring device 8 penetrates the slag layer 27 and reaches the molten metal 4.
  • the density is distributed within the measuring device 8 in such a way that the measuring device 8 floats upright in the molten metal 4, the sensors 10 being at the desired depth in the molten metal 4 arrive and record their characteristic values and, on the other hand, the transmitting antenna 14 projects at least 0.3 m above the slag layer 27.
  • the transmitter 13 uses the transmitting antenna 14 protruding from the molten metal 4 to transmit the measured parameters until the measuring device 8 is destroyed, to the receiving antenna 26, from which it transmits via a receiving device (not shown separately) to an expansion device located in the computer 7 and there displayed and processed.

Landscapes

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Abstract

Vorgeschlagen werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Kenngrössen einer Metallschmelze (4). Hierbei wird eine Messeinrichtung (8) in die Metallschmelze (4) eingebracht, mittels derer Messdaten der Kenngrössen generiert und drahtlos unmittelbar zu einer Verarbeitungseinrichtung übertragen werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Kenngrößen einer Metallschmelze
Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Kenngröße einer Metallschmelze mittels einer Messeinrichtung zur Generierung von Messdaten dieser Kenngrößen und einer außerhalb der Metallschmelze angeordneten Verarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung dieser Messdaten, wobei die Messeinrichtung in die Metallschmelze eingebracht wird, andererseits eine Vorrichtung zur Ausfuhrung dieses Verfahrens und schließlich eine zugehörige Messeinrichtung.
Gattungsbildende Verfahren mit derartigen Messeinrichtungen werden eingesetzt, um beispielsweise zur Prozesskontrolle bei der Stahlherstellung im Konverter die aktuell exakten Werte der Temperatur und der Sauerstoffaffinität zu bestimmen. Alternative Methoden zur Bestimmung dieser Kenngrößen haben aufgrund verschiedener Unzulänglichkeiten in der praktischen Anwendung bisher keine wesentliche Bedeutung erlangen können:
Mit Verfahren der numerischen Prozesssimulation lassen sich Kenngrößen eines Stahlherstellungs-Prozesses in einem konkreten Zeitpunkt nur annähernd abschät- zen. Zur Kontrolle und Führung des Prozesses ist jedoch häufig die exakte Kenntnis einzelner Größen erforderlich.
Am Konvertergefäß fest installierte Thermoelemente, optische oder pyrometrische Messeinrichtungen werden von verschiedenen Seiten vorgeschlagen. Derartige Messeinrichtungen sind durch die dauerhaft sehr hohe Temperaturbelastung und durch herabfallende „Kesselbären" einem hohen Verschleiß unterworfen.
Blaslanzen mit eingebautem Pyrometer werden eingesetzt, um während des Bla- sens berührungslos die Temperatur zu messen. Derartige Messeinrichtungen sind aber nicht zur Auswertung von Proben und zur Messung des Sauerstoffgehalts geeignet. Bekannt sind grundsätzlich zwei gattungsbildende Verfahren und Vorrichtungen zu deren Ausführung, die gattungsgemäße Messeinrichtungen zur Bestimmung von Kenngrößen einer Metallschmelze verwenden. Die Messeinrichtungen werden dabei entweder als sogenannte „Eintauchkörper" von einer Abwurfstation in die Metallschmelze geworfen, oder mit Hilfe einer Lanze in die Metallschmelze eingeführt. Die Messeinrichtung ist über ein Kabel an eine Verarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung der Messdaten angeschlossen. In der Verarbeitungseinrichtung werden Daten - beispielsweise statistisch - aufbereitet, zur Steuerung oder Regelung des Stahlherstellungsprozesses verwendet, in eine parallel laufende numerische Simulation online eingespeist oder in Form von Kennwerten angezeigt. Die im Eintauchkörper integrierten Instrumente und Bauteile sind durch eine Umhüllung aus einem wärmeisolierenden Material derart geschützt, dass sie für die Dauer der Messung betriebsfähig bleiben. Einen Eintauchkörper beschreibt beispielsweise die US 3,374,122: Vorgeschlagen wird dort, zum Einen das Gewicht der Messeinrichtung mittels zusätzlich integrierter Massen gezielt zu erhöhen, damit die Messeinrichtung unter ihrem eigenen Gewicht die Schlackenschicht zuverlässig durchschlägt und zum Andern die Messeinrichtung mit nach unten vorstehenden Zinken auszustatten um eine Beschädigung des ebenfalls vorstehenden Thermoelements beim Aufprall auf die Schlackenoberfläche zu verhindern.
Ein schwimmfähiger Eintauchkörper ist in der US 4,881,824 beschrieben: Eine stabformig langgestreckte Sonde insbesondere zur Einführung eines Probennahmekörpers in eine Metall- schmelze ist einerseits am unteren Ende durch ein verdicktes Stahlrohr beschwert und andererseits am oberen Ende von einer Papphülse als Auftriebskörper umgeben. Die Beschwerung und der Auftriebskörper sind dabei derart an die bekannte Dichte der Metallschmelze - und damit an die bekannten Auftriebskräfte - angepasst, dass der Eintauchkörper eine auf der O- berfläche der Metallschmelze ausgebildete Schlackenschicht durchschlägt, mit seinem be- schwelten Ende in die Metallschmelze in eine definierte Tiefe eintaucht und durch den Auftriebskörper in der Metallschmelze schwimmend in einer senkrechten Stellung gehalten wird.
Das Kabel eines solchen Eintauchkörpers bleibt während der Messung mit der Abwurfstation oberhalb des Konverters verbunden, von der Abwurfstation werden die Daten zu der Verarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung der Messdaten weitergeleitet. Eine solche Abwurfsta- tion beschreibt beispielsweise die US 5,610,346: Hier wird insbesondere eine spezielle Abstimmung der Aufhängung mehrerer Eintauchkörper und der Befestigung ihrer Kabel in der Abwurfstation und eine Vorrichtung zum Abtrennen der nach jeder Messung verbleibenden Kabelenden vorgeschlagen. Nach der Messung brennt das Kabel im Konverter ab. In der Abwurfstation wird das verbleibende Kabelende abgeschnitten und fällt in den Konverter, wo es ebenfalls abbrennt. Trotz derart weit entwickelter Vorrichtungen und Verfahren unter Verwendung von Eintauchkörpern bleibt das Verbindungskabel zur Verarbeitungseinrichtung eine wesentliche Schwachstelle des Systems:
Trotz Hitzeschutzummantelung geht beispielsweise die US 5,584,578 von einer Le- bensdauer des Kabels - und damit einer Verwendungsdauer der Messeinrichtung - von nicht mehr als 16 Sekunden aus.
Das in der Abwurfstation verbleibende Kabelende muss nach der Messung zuverlässig abgeschnitten und insbesondere aus dem Abwurfweg entfernt werden, da es andernfalls den nachfolgenden Eintauchkörper blockieren kann. Bei Verwendung einer Zu- gabeeinrichtung als Abwurfweg kann diese insgesamt blockiert werden.
Die Magazinierung mehrerer Eintauchkörper in der Abwurfstation zur Reduzierung des Bedienaufwandes erfordert eine aufwändige Abstimmung der Abwurfmechanik sowie der Schaltungstechnik der einzelnen Anschlüsse.
Allgemein bekannt ist weiterhin, eine Messeinrichtung - einen sogenannten „Messkopf - an der Spitze einer Lanze von der Gießbühne aus manuell in die Metallschmelze einzufahren. Der Messkopf und das Lanzenende sind hierbei von einer Papphülse umgeben, die beide Bauteile vor der Hitze der Metallschmelze und vor Metallspritzern schützt. Wie die bereits vorgestellten Eintauchkörper wird auch hier der Messkopf in der Regel durch die Messung zerstört und nach einmaligem Gebrauch zusammen mit der Papphülse verworfen. Die manuelle Zu- führung eines Messkopfes mittels einer Lanze stellt zwar ein sehr einfaches gattungsgemäßes Verfahren dar, weist jedoch eine Reihe von - gerade in der Massenproduktion - entscheidenden Nachteilen auf:
Die Genauigkeit der Messung ist wesentlich abhängig vom Ausbildungsstand des Bedieners. - Beim Eintauchen der Lanze in die Metallschmelze gefährden austretende Metallspritzer die Gesundheit des Bedieners.
Der Konverterprozess muss für den Zeitraum der Messung unterbrochen werden um den Konverter in eine zur Gießbühne geneigte Position überfuhren zu können. Diese Nachteile der manuellen Verwendung von mit Messköpfen bestückten Lanzen werden durch den ebenfalls bekannten Einsatz automatisch neben der Blaslanze zuführbarer und wieder entfembarer Sublanzen behoben. Allerdings ist der Aufwand in Konzeption, Installation und Instandhaltung der hierzu nötigen maschinellen Einrichtungen unverhältnismäßig hoch.
In der japanischen Patentanmeldung JP 2000028438 wird eine Einrichtung zur Messung von Temperatur, bestimmten Konzentrationen und anderen physikalischen Kenngrößen einer Schmelze mit erhöhter Temperatur beschrieben. Diese Einrichtung weist eine sogenannte Sublanze auf, an deren Spitze ein auswechselbarer Messkopf angeordnet ist, der durch entsprechende Bewegung der Lanze in die Schmelze hineingefahren wird. Ein Sender im Messkopf wandelt Sensorsignale in ein Hochfrequenzsignal um, das über Kabel und eine Steckverbindung zwischen Messkopf und metallischer Sublanze geleitet wird. Dabei wird die Sublanze zur Weiterleitung des Hochfrequenzsignals und als Antenne verwendet, um die Signale drahtlos zu einem Empfänger außerhalb des Gefäßes für die Schmelze zu übertragen.
Durch die Umsetzung von mehreren Sensorsignalen in ein Hochfrequenzsignal wird der sonst benötigte mehrpolige Stecker zwischen Messkopf und Sublanze stark vereinfacht und dessen Verschmutzung durch teerhaltige Rückstände der feuerfesten Zustellung des metallurgischen Gefäßes in dem die Vorrichtung betrieben wird, wirkt sich nicht mehr so stark aus.
Nachteilig ist hierbei jedoch, dass diese Vorrichtung zum einen eine Lanze und zum anderen einen Steckverbinder zwischen Messkopf und Lanze benötigt. Die Mehrheit der metallurgischen Gefäße, wie z.B. Konverter, an denen diese Vorrichtung verwendet werden soll, verfugt nämlich nicht über derartige Lanzen. Der Aufwand für die Installation und Instandhaltung einer solchen Lanze ist sehr hoch. Der für eine Ankopplung des Hochfrequenzsignals vom Messkopf an die Lanze benötigte elektrische Kontakt an der Lanzenspitze ist im Betrieb weiterhin anfällig für Verschmutzungen oder Zerstörung und muss durch entsprechende Vorrichtungen gereinigt, geprüft und ggf. gewechselt werden. Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es, einerseits ein Verfahren und andererseits eine Vorrichtung zu dessen Durchführung vorzuschlagen, die eine Bestimmung von Kenngrößen unter deutlich verringertem apparativem, steuerungstechnischem und organisatorischem Aufwand bei gleichzeitig gegenüber dem Stand der Technik erhöhter Zuverlässigkeit erlauben. So soll die Durchführung der Messung allgemein, insbesondere aber deren Automatisierung, erleichtert werden.
Lösung
Ausgehend von den eingangs beschriebenen Verfahren wird diese Aufgabe nach der Erfin- düng dadurch gelöst, dass die Messdaten von der Messeinrichtung drahtlos unmittelbar zu der Verarbeitungseinrichtung übertragen werden. Durch diese Maßnahme entfallen gleichzeitig mit dem Verbindungskabel auch die oben beschriebenen, mit dem Kabel untrennbar verbundenen Nachteile der bekannten Verfahren:
Die Verwendungsdauer der Messeinrichtung ist nicht mehr durch die Überlebens- dauer des Kabels in der Metallschmelze beschränkt. Auf diese Weise können aufwändigere, beispielsweise mehrstufige Messverfahren von einer Messeinrichtung durchgeführt werden.
Bei Verwendung von Eintauchkörpern verbleibt in der Abwurfstation kein Kabelende. Die bisher benötigten aufwändigen Apparaturen und Anordnungen zur Ab- trennung dieses Kabelendes und zu dessen zuverlässiger Entfernung aus dem Abwurfweg entfallen ebenso wie das verbleibende Risiko einer Blockade des Ab- wurfweges durch ein nicht vollständig entferntes Kabelende.
Eine körperliche Verbindung mit der Messeinrichtung wird nicht mehr benötigt. Bei der Verwendung von Lanzen wird die - fehlerträchtige - Ankopplung des Ka- belendes an die Verarbeitungseinrichtung überflüssig. Bei der Magazinierung von
Eintauchkörpern in einer Abwurfstation muss nicht mehr für jeden einzelnen Ein- tauchkörper ein separater Anschluss vorgesehen werden
Die Automatisierung des Verfahrens wird - insbesondere bei Verwendung von Eintauchkörpern - erleichtert. Die Bestückung eines Magazins wird, da keine Ka- bel gesteckt werden müssen, vereinfacht und wesentlich beschleunigt, durch das Entfallen der Kabel kann eine größere Zahl von Eintauchkörpern auf gleichem Raum untergebracht werden. Im Betrieb entfällt der Arbeitsschritt „Abtrennen des Kabelendes" und die Überwachung seines Erfolgs.
Die Verarbeitungseinrichtung nach der Erfindung umfasst dabei eine Empfangseinrichtung, z.B. eine Empfangsantenne, die mehrere 100 m vor der übrigen Verarbeitungseinrichtung, z.B. in Form eines Rechners mit den üblichen Peripheriegeräten, wie Bildschirm, Tastatur, Drucker etc., entfernt sein kann. Während die Empfangseinrichtung aus Gründen der Übertra- gungssicherheit in der Regel nicht allzu weit von der Metallschmelze entfernt sein sollte, empfiehlt es sich, die übrige Verarbeitungseinrichtung gut geschützt in hinreichend weiter Entfernung von der Metallschmelze anzuordnen. Die Übertragung von der Empfangseinrichtung zu dem Rechner wird in der Regel über ein Kabel erfolgen. Die Messeinrichtung nach der Erfindung umfasst eine integrierte Sendeeinrichtung mit der die Abstrahlung von Signalen der zu übertragenden Messwerte möglich ist.
Ein weiterer bedeutender Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass auf die Verwendung einer Lanze gänzlich verzichtet werden kann, so dass das Verfahren in Verbindung mit nahezu sämtlichen metallurgischen Gefäßen kostengünstig einsetzbar ist. Gegenüber der in der JP 2000028438 gezeigten Verfahrensweise zeichnet sich die Erfindung durch den Verzicht auf sämtliche Steckverbindungen im Bereich der Messeinrichtung aus, da letztere sich aufgrund der extremen Bedingungen im Betrieb in der Vergangenheit sehr häufig als der Schwachpunkt bestehender Vorrichtungen erwiesen haben.
Bevorzugt ist die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dahingehend, dass die Messeinrichtung von einer Abwurfstation unter Ausnutzung der Schwerkraft in die Metallschmelze eingebracht wird. Eine Durchführung der Messung ist dann ohne Unterbrechung des Konverterprozesses möglich.
Im industriellen Einsatz, z.B. bei der Stahlerzeugung, wird die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens - in Form eines Messzyklus aus Initialisierung, Auswahl und Vorberei- tung einer Messeinrichtung, Einbringen der Messeinrichtung in die Metallschmelze, Aufhah- me und Übermittlung der Daten und Beendigung der Messung - bevorzugt automatisiert. Ein Messzyklus kann durch einen zeitlich regelmäßigen Impuls oder in Abhängigkeit von gemessenen oder berechneten Kenngrößen des Prozesses ausgelöst werden.
Die Übertragung der Messdaten von der Messeinrichtung erfolgt bevorzugt im Frequenzbe- reich der ISM-Bänder (ISM = Industrial Scientific Medical) nach IEEE 802.11, insbesondere bei 2,4 GHz oder bei 433 MHz. Prinzipiell können auch andere Frequenzbereiche verwendet werden, solange sie hinreichend dazu geeignet sind, während der Messung Messdaten von der Messeinrichtung zu der Verarbeitungseinrichtung zu übertragen.
Ausgehend von den beschriebenen gattungsbildenden Vorrichtungen zur Bestimmung von Kenngrößen einer Metallschmelze wird die Aufgabe der Erfindung weiterhin dadurch gelöst, dass bei einer solchen Vorrichtung die Messdaten von der Messeinrichtung drahtlos unmittelbar zu der Verarbeitungseinrichtung übertragbar sind. Diese Vorrichtung weist ebenfalls die oben beschriebenen Vorteile auf, die sich durch den Wegfall des Übertragungskabels sowie jeglicher Steckverbindungen zu einer Lanze ergeben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch den Wegfall der Kabelanschluss- und Kabelschneideinrichtungen gegenüber den bekannten Vorrichtungen deutlich einfacher und damit kostengünstiger gebaut werden. Mit der reduzierten Zahl der Baugruppen sinkt gleichermaßen der Platzbedarf der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie auch der Wartungs- und Überwachungsaufwand im Betrieb. Insgesamt erleichtert die Vorrichtung nach der Erfindung wesentlich die automatisierte Messung von Kenngrößen einer Metallschmelze.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Messung physikalischer oder chemischer Kenngrößen in oder auf der Metallschmelze eingesetzt werden. Insbesondere kommen Thermoelemente zur Messung der Temperatur, EMK-Messsonden zur Sauerstoffmessung, Fühler zur Bestimmung von Füllstand und Schlackendicke wie auch Kombinationen der genannten Sen- sorelemente zum Einsatz. Die ermittelten Daten können entweder unmittelbar analog oder nach A/D-Umsetzung übertragen werden. Bei Messungen in Metallschmelzen mit ausgebildeter Schlackenschicht erweist es sich als sinnvoll, empfindliche Sensorelemente am unteren Ende der Messeinrichtung durch metallische Rippen oder vorstehende Zinken vor Beschädigung beim Aufprall auf die Schlackenoberfläche zu schützen. Die Messeinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein integriertes Sendeelement aufweisen, das während der Messung aus der Metallschmelze herausragt. Dies ermöglicht eine störungsfreie Übertragung der Messdaten zu einem - oberhalb der Metallschmelze, bevorzugt an der Abzugseinrichtung oder an der Zuschlagschurre geschützt angeordneten - Empfanger. Zum Schutz vor übermäßiger Wärmestrahlung kann die Empfangsantenne so ausgeführt sein, dass sie in den Messpausen automatisch abgedeckt oder eingefahren wird. Die störungsfreie Übertragung wird noch begünstigt, wenn das beispielsweise als Antenne ausgebildete Sendeelement durch eine Papphülse oder durch einen keramischen Überzug vor Metallspritzern weitgehend geschützt ist. Das hervorstehende Sendeelement kann darüber hinaus als Halterung eines Eintauchkörpers in einer Abwurfeinrichtung ausgebildet sein.
Damit die Messeinrichtung eine ausreichende Sendeleistung aufweist, kann diese außerdem ein Energiespeicherelement, insbesondere Batterien oder Hochleistungskondensatoren aufweisen, die unmittelbar vor Beginn der Messung an die Sensorelektronik geschaltet beziehungsweise aufgeladen werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann besonders einfach derart ausgestaltet sein, dass die Messeinrichtung manuell in die Metallschmelze einbringbar ist. Bevorzugt ist jedoch die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dahingehend, dass die Messeinrichtung von einer Abwurfstation unter Ausnutzung der Schwerkraft in die Metallschmelze einbringbar ist. Dies ermöglicht eine Durchführung der Messung ohne Unterbrechung des Konverterpro- zesses. Die Maße, insbesondere Länge und Gewicht eines solchen Eintauchkörpers ergeben sich konstruktiv aus der beabsichtigten Eintauchtiefe in die Metallschmelze und aus dem notwendigen Schutz der Antenne. Grundsätzlich haben sich schlanke Bauformen, also Eintauchkörper mit möglichst geringem Durchmesser als vorteilhaft erwiesen.
Im industriellen Einsatz wird die Abwurfstation einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bevor- zugt als Magazin ausgebildet, das mehrere Messeinrichtungen aufnehmen kann. Die Magazinierung von Messeinrichtungen ermöglicht insbesondere die automatische Auslösung von Messzyklen - wie sie weiter oben beschrieben sind - ohne manuellen Eingriff an der Vorrichtung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung überträgt die von ihr bestimmten Messdaten bevorzugt im Frequenzbereich der ISM-Bänder (wie bereits weiter oben erläutert). Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung können grundsätzlich nicht nur in metallischen Schmelzen, sondern ebenso in anderen Schmelzbädern - beispielsweise in einer Glasschmelze - zum Einsatz kommen.
Die Erfindung umfasst auch für sich allein betrachtet die Messeinrichtung zur Einbringung in ein Schmelzbad mit erhöhter Temperatur.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das in Figuren dargestellt ist. Es zeigt
Fig. 1 eine Konverteranlage mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von Kenngrößen einer Metallschmelze,
Fig. 2 einen Eintauchkörper dieser Vorrichtung und
Fig. 3 die Abwurfstation dieser Vorrichtung.
Die Figuren zeigen eine Konverteranlage 1 mit einem Konverter 2 und einer Vorrichtung 3 zur Bestimmung von Kenngrößen einer Metallschmelze 4 eines nicht näher beschriebenen legierten Stahls. Der an sich bekannte Konverter 2 enthält die Metallschmelze 4 und ist von einer Abzugseinrichtung 5 überwölbt. Die Vorrichtung 3 zur Bestimmung von Kenngrößen besteht im Wesentlichen aus einer Abwurfstation 6 mit einer Mehrzahl von darin untergebrachten senderartigen Messeinrichtungen 8 und einem ebenfalls an sich bekannten Verarbeitungseinrichtung 7 zur Steuerung der Abwurfstation 6 und zur Darstellung und Verarbeitung der bestimmten Kenngrößen.
Die Messeinrichtung 8 ist ein Eintauchkörper mit an sich bekannter, langgestreckter Gestalt. Sie weist am unteren Ende 9 Sensoren 10 auf, die analoge Messwerte von Kenngrößen an eine Einrichtung 1 1 zur Signalaufbereitung übermitteln. Von dort werden diese Messwerte über einen A/D- Wandler 12 digitalisiert und an einen Sender 13 weitergeleitet, der diese über eine Sendeantenne 14 am oberen Ende 15 in die Umgebung abstrahlt. Die elektrischen und elektronischen Bauteile 11, 12, 13 und 14 in der Messeinrichtung 8 werden über einen Kondensator 16 für den Zeitraum der Messung mit Energie versorgt. Die Sensoren 10, die Einrichtung 1 1 zur Signalaufbereitung, der A/D-Wandler 12, der Sender 13 und die Sendeanten- ne 14 wie auch der Kondensator 16 sind an sich bekannt und daher nur schematisch dargestellt.
Ähnlich der in der US 4,881,824 beschriebenen Anordnung ist die Messeinrichtung 8 am unteren Ende 9 in nicht dargestellter Weise mit einer Beschwerung aus einem Material geeigne- ter Dichte - beispielsweise Stahl oder Blei - versehen. Auf diese Weise weist das untere Ende 9 der Messeinrichtung 8 eine höhere Dichte als die Metallschmelze 4, insbesondere bei einer Stahlschmelze eine Dichte größer als 7,2 g/cm2 auf. Der stabförmig langgestreckte Auftriebskörper 17 wird aus einem Material geringerer Dichte, beispielsweise aus einem silikatgebundenen Papprohr hergestellt. Die Maße des Auftriebskörpers 17 sind derart gewählt, dass ei- nerseits die elektrischen und elektronischen Bauteile 1 1, 12, 13, 14 und 16 in seinem Innern aufgenommen werden können und andererseits durch die gewählte Wandstärke ein für diese Bauteile ausreichende schützende, wärmeisolierende Hülle gewährleistet ist. Typischerweise ist die Wandstärke des Auftriebskörpers 17 größer als 7 mm. Das obere Ende 15 der Messeinrichtung 8 ist durch einen Überzug 18 aus feuerfester Keramik oder aus Pappe versehen, so dass die aus dem Auftriebskörper 17 herausragende Sendeantenne 14 beim Eintauchen der Messeinrichtung 8 in die Metallschmelze 4 und während der Messung vor Beschädigung durch Metallspritzer oder Schlackenpartikel geschützt ist. Die Abwurfstation 6 ist seitlich oberhalb der Abzugseinrichtung 5 angeordnet und so vor der von dem Konverter 2 ausgehenden Wärmestrahlung weitgehend geschützt. Die Abwurfstation 6 weist im Wesentlichen eine hohe, nach oben offene Kastenform mit länglicher Grundfläche auf. Ihr Boden 19 ist zu einem seitlich unterhalb der Abwurfstation 6 angebrachten Rohr 20 geneigt. Die Stirnwand 21 weist vor dem Rohr 20 eine elektrisch zu öffnende Klappe 22 und an der gegenüberliegenden Rückwand 23 eine gleichfalls elektrisch betriebene Ausstoßvorrichtung 24 auf. Im Boden 19 der Abwurfstation 6 ist unmittelbar vor der Klappe 22 eine Ladestation 25 angeordnet, deren nicht dargestellte Sendespule über eine nicht dargestellte Empfangsspule in der Messeinrichtung 8 den Kondensator 16 auflädt. In der Abwurfstation 6 sind etwa zehn Messeinrichtungen 8 lose übereinander liegend magaziniert. Die im Betriebsfall geschlossene Klappe 22 schützt die in der Abwurfstation 6 liegenden Messeinrichtungen 8 insbesondere vor Stichflammen und Strahlungshitze aus dem Konverter 2. Gleichfalls oberhalb der Abzugseinrichtung 5 ist eine Empfangsantenne 26 angeordnet, mittels derer aus dem Bereich der Metallschmelze 4 gesendete Daten aufgenommen und zum Rechner 7 übertragen werden können.
Zur Bestimmung von Kennwerten der Metallschmelze 4 wird durch einen im Rechner 7 gene- rierten Impuls an der Abwurfstation 6 die Klappe 20 geöffnet und die zuunterst liegende Messeinrichtung 8 mittels der Ausstoßvorrichtung 24 in das Rohr 20 befördert. In der Abwurfstation 6 rutscht die nächste Messeinrichtung 8 an die unterste Position. Durch die Positionierung dieser Messeinrichtung 8 in der Nähe der Ladestation 25 wird der Kondensator 16 dieser Messeinrichtung 8 geladen und die Messeinrichtung 8 dadurch für den folgenden Ein- satz aktiviert.
Die in das Rohr 20 beforderte Messeinrichtung 8 wird durch die Abzugseinrichtung 5 geführt und fällt nach unten in den Konverter 2, durchdringt die Schlackenschicht 27 auf der Oberfläche 28 der Metallschmelze 4 und gelangt in die Metallschmelze 4.
Die Messeinrichtung 8 durchschlägt durch ihr Gewicht die Schlackenschicht 27 und gelangt in die Metallschmelze 4. Die Dichte ist innerhalb der Messeinrichtung 8 derart verteilt, dass die Messeinrichtung 8 aufrecht in der Metallschmelze 4 schwimmt, wobei einerseits die Sensoren 10 in die gewünschte Tiefe in der Metallschmelze 4 gelangen und deren Kennwerte aufnehmen und andererseits die Sendeantenne 14 mindestens 0,3 m nach oben über die Schlackenschicht 27 hinausragt. Der Sender 13 überträgt mittels der aus der Metallschmelze 4 her- ausragenden Sendeantenne 14 die gemessenen Kennwerte bis zur Zerstörung der Messeinrichtung 8, an die Empfangsantenne 26, von der sie über eine nicht gesondert dargestellte Empfangseinrichtung zu einer in dem Rechner 7 befindlichen Ausweiteeinrichtung übertragen und dort dargestellt und weiterverarbeitet werden.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Kenngröße einer Metallschmelze (4) mittels einer Messeinrichtung (8) zur Generierung von Messdaten dieser Kenngröße und einer außerhalb der Metallschmelze angeordneten Verarbeitungseinrichtung (7) zur Verarbeitung dieser Messdaten, wobei die Messeinrichtung (8) in die Metallschmelze
(4) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten von der Messeinrichtung (8) drahtlos unmittelbar zu der Verarbeitungseinrichtung (7) übertragen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (8) von einer Abwurfstation (6) in die Metallschmelze (4) eingebracht wird.
3. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren automatisch durchgeführt wird.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten im Wellenlängenbereich der ISM-Bänder übertragen werden.
5. Vorrichtung (3) zur Bestimmung mindestens einer Kenngröße einer Metallschmelze (4) mit einer Messeinrichtung (8), mittels derer Messdaten dieser Kenngröße generierbar sind und mit einer außerhalb der Metallschmelze angeordneten Verarbeitungseinrichtung (7), mittels derer diese Messdaten verarbeitbar sind, wobei die Messeinrichtung (8) zur Durchführung einer Messung in die Metallschmelze (4) einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten von der Messeinrichtung (8) drahtlos unmittelbar zu der Verarbeitungseinrichtung (7) übertragbar sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (8) eine integrierte Sendeantenne (14) aufweist, die zumindest teilweise oberhalb einer auf der Metallschmelze (4) befindlichen Schlackenschicht (27) angeordnet ist, wenn die Messeinrichtung (8) in der Metallschmelze (4) schwimmt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeantenne (14) von einem Überzug (18) ummantelt ist.
8. Vorrichtung (3) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (8) aus einer Abwurfstation (6) in die Metallschmelze (4) einbringbar ist.
9. Vorrichtung (3) nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Messeinrichtungen (8) in der Abwurfstation (6) magazinierbar sind.
10. Vorrichtung (3) nach mindestens einem der vorgenannten Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten im Wellenlängenbereich der ISM-Bänder übertragbar sind.
1 1. Messeinrichtung (8) zur Einbringung in eine Metallschmelze (4) und zur Generierung von Messdaten mindestens einer Kenngröße der Metallschmelze (4), dadurch gekenn- zeichnet, dass die Messdaten von der Messeinrichtung (8) drahtlos unmittelbar zu einer außerhalb der Metallschmelze (4) angeordneten Verarbeitungseinrichtung (7) zur Verarbeitung dieser Messdaten übertragbar sind.
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