BE1019724A3

BE1019724A3 - Meetsondes voor meting en monsterneming van metaalsmelt.

Info

Publication number: BE1019724A3
Application number: BE2011/0347A
Authority: BE
Original assignee: Heraeus Electro Nite Int
Priority date: 2010-06-18
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2012-10-02
Also published as: EP2397834A3; RU2548401C2; JP2012001815A; US8479579B2; AU2011201259B2; CN102288740B; RU2011124970A; CN102288740A; CA2734217A1; UA108604C2; AR081938A1; EP2397834A2; DE102010024282A1; BRPI1102946A2; MX2011006193A; ZA201104446B; US20110308319A1; KR101768227B1; AU2011201259A1; BRPI1102946B1

Abstract

De uitvinding betreft een meetsonde voor de meting en de monsterneming in een metaalsmelt met behulp van een aan een lans bevestigde meetkop, waarbij de meetkop minstens uit een temperatuursensor en een monsterruimte bestaat, waarbij de monsterruimte minstens gedeeltelijk door de meetkop omgeven is en een doorheen de meetkop lopend inlaatkanaal bevat, waarbij het inloopkanaal een in de meetkop doorlopende binnenste gedeelte met een lengte L heeft en op minstens één plaats in dit binnenste bereik een minimale diameter D heeft, waarbij op verhouding L/D² kleiner dan 0,6 mm is.

Description

Meetsondes voor meting en monsterneming met metaalsmelt

De uitvinding betreft meetsondes voor de meting en de monsterneming met een metaalsmelt met een aan een lans bevestigde meetkop, waarbij de meetkop minstens uit een temperatuur-sensor en een monsterruimte bestaat, waarbij de monsterruimte door de meetkop omgeven is en met een door de meetkop geleid inloopkanaal in de vorm van een kwartsglasbuis is uitgerust.

Dergelijke meetsondes zijn in principe bekend en worden onder andere bij de staalproductie in zogenaamde convertors of in lichtboogsmeltovens gebruikt.

In een convertor (een zogenaamde BOF-convertor - de gespecialiseerde vaktechnische afkorting voor de Engelse benaming Basic Oxygen Fumacelbasiszuurstofoven) wordt via een lans zuurstof in de metaalsmelt geblazen. De convertor is met vuurvast materiaal bekleed, dat optimaal bestand is tegen de erosie door slakken en warmte tijdens het zuurstofblaasproces. In de convertor wordt nog schroot en kalk (calciumoxide) toegevoegd om de smelt te koelen en fosfor, silicium en mangaan te verwijderen. De zuurstof verbrandt de koolstof, waarbij koolmonoxide en kooldioxide ontstaat. Mangaan, silicium en fosfor worden geoxideerd en met calciumoxide en ijzeroxide tot slakken omgevormd. Aangezien die oxidatiereactie hoogexothermisch verloopt, moet het proces worden gekoeld, zodat de temperatuur van de smelt kan worden geregeld. De koeling gebeurt door de toevoer van schroot en ijzererts tijdens het blaasproces. Het zuurstofblaasproces zelf neemt ongeveer 15-20 minuten in beslag, onafhankelijk van de grootte van de convertor (die 70 - 400 ton groot kan zijn). Het zuurstofdebiet van de lans is daarbij aan de grootte van de convertor resp. het gewicht van de smelt aangepast. Het laden en het beladen van staal en slakken, met inbegrip van de temperatuurmeting en de monsterneming voor de analyse van de smelt, neemt dan tussen twee uitlopen 40 tot 60 minuten in beslag. Het to-taalproces wordt gekenmerkt door een hoge productiviteit en levert staal op met een lage verontreiniging. Bij het uitlopen wordt de oven gekanteld en wordt het gesmolten metaal via een uitloopgat in een gietkroes opgevangen. Tijdens die operatie worden ijzerlegeringen voor de regeling van de samenstelling van het staal in de gietkroes toegevoegd. Een belangrijke technische ontwikkeling bij de zuurstofblaaslansen bestaat erin dat inert gas (meestal argon) via de onderkant van de convertor aan de smelt wordt toegevoegd, om de smelt en de slakken met elkaar te mengen. Door dat proces kan de efficiëntie van het proces duidelijk worden verhoogd, het ijzerverlies beperkt en het fosforgehalte verlaagd. Bovendien wordt hiermee het warmte- en massa-evenwicht van het proces verbeterd en daardoor de kosten gedrukt.

Meetsondes voor gebruik in een convertor worden bijvoorbeeld in DE 10 2005 060 492 en DE 10 2005 060 493 beschreven.

In een lichtboogsmeltoven wordt schroot gesmolten door de energie van een elektrische licht-boog, die tussen de punten van grafietelektroden en de geleidende schrootbelading wordt opgewekt. De 3 elektrodes en het ovendak worden bij de belading van de oven met schroot opgetild, zodat er een vulopening vrijkomt. De elektroden houden de lichtboog in functie van de vooraf ingestelde spanning en de vooraf ingestelde stroom in stand, zodat de voor het smelten en frissen benodigde energie beschikbaar is. Lichtbogensmeltovens hebben een binnendiame-ter van ongeveer 6-9 meter en een capaciteit van 100-200 ton staal. De tijd tussen twee uitlopen in deze ovens bedraagt ongeveer 90-110 minuten.

Meetsondes voor gebruik in lichtbogensmeltovens zijn bijvoorbeeld uit DE 28 45 566, DE 32 03 505 of DE 103 60 625 bekend.

Voor de controle van de processen in een convertor of in een lichtboogsmeltoven moet bij de monsterneming de monsterruimte van een meetsonde bij relatief lage temperaturen volledig worden gevuld, waarbij gasblazen in het monster moeten worden vermeden. Zulke monsternemingen zijn niet altijd eenvoudig, en dan vooral niet tijdens het blaasproces in de convertor. In die omstandigheden schommelt de theoretische dichtheid van de staalsmelt sterk als gevolg van het zuurstofblaasproces van bovenaf enerzijds en het inblazen van inert gas via de onderkant van de convertor anderzijds. Daarnaast wordt in de industrie steeds vaker gebruikgemaakt van ovens waarin de smelt slechts in beperkte mate oververhit (waarbij dus het verschil tussen de badtemperatuur en de liquidustemperatuur beperkt is).

Deze uitvinding is dan ook bedoeld om de beschikbare meetsondes en monsternemers te verbeteren en een monsterneming toe te laten die zo weinig mogelijk gas bevat, om op die manier de kwaliteit van het monster te verbeteren. Bij voorkeur moet ook de verwijdering van het monster uit de meetsonde worden vergemakkelijkt.

Deze opdracht wordt ingevuld door de uitvinding met de kenmerken van de onafhankelijke conclusies. De voordelige verdere uitwerkingen van de uitvinding worden beschreven in de onder-conclusies.

Uit onderzoek Is gebleken dat een meetsonde voor de meting en de monsterneming in een me-taalsmelt met een aan een lans bevestigde meetkop, waarbij de meetkop minstens uit een tem-peratuursensor en een monsterruimte bestaat, waarbij de monsterruimte minstens gedeeltelijk door de meetkop wordt omgeven en met een door de meetkop lopend inloopkanaal uitgerust is die bij voorkeur van een buis van kwartsglas is gemaakt, uitstekende gasblaasvrije monsters toelaat wanneer de lengte L van het deel van de kwartsglasbuis dat in de meetkop verloopt, een verhouding tot het kwadraat van een minimale diameter D, die de buis van kwartsglas op minstens één plaats in dat deel heeft, van L/D2 < 0,6 mm'1 heeft, waarbij die verhouding bij voorkeur < 0,45 mm'1 en in het bijzonder en bij voorkeur < 0,3 mm'1 bedraagt. Bij een kleine oververhitting van de metaalsmelt is een kleine verhouding een voordeel gebleken - bijvoorbeeld een verhouding L/D2 < 0,6 mm'1 bij een oververhitting van > 100°C en een verhouding L/D2 < 0,3 mm'1 bij een oververhitting van < 80°C.

De opdracht wordt eveneens ingevuld door een meetsonde voor de meting en de monsterneming in een metaalsmelt met een aan een lans bevestigde meetkop, waarbij de meetkop minstens uit een temperatuursensor en een monsterruimte bestaat, waarbij de monsterruimte minstens gedeeltelijk door de meetkop wordt omgeven en met een door de meetkop lopend inloopkanaal uitgerust is die bij voorkeur een kwartsglasbuis is, waarbij de meetkop een tegendruk Pg < 20 mbar heeft, waarbij de tegendruk zo wordt bepaald dat eerst een referentiegasstroom doorheen een buis met twee open uiteinden wordt geleid en de druk Pi in de buis wordt gemeten, dat daarna de buis met één uiteinde in het inloopkanaal van de meetkop gestoken, dezelfde referentiegasstroom door de buis wordt geleid en de druk P2 in de buis wordt gemeten en dat uit het verschil P2-Pi de tegendruk uit Pg van de meetkop wordt bepaald. Het is voordelig dat de tegendruk Pgvan de meetkop <15 mbar is. Ook bij dergelijke meetsondes wordt gewaarborgd dat monsters met een hogere kwaliteit worden verkregen.

Het is in het bijzonder voordelig wanneer de verhouding L/D2 kleiner dan 0,6 mm'1, bij voorkeur kleiner dan 0,45 mm'1 en bijzonder aanbevolen kleiner dan 0,3 mm'1 is en waarbij de tegendruk Pfl van de meetkop telkens kleiner dan 20 mbar is.

Het is nuttig dat de meetkop van een materiaal uit de groep keramiek, cement, staal of gietzand gemaakt is. Het is in het bijzonder voordelig als de monsterruimte minstens gedeeltelijk door een zandlichaam van gietzand wordt omgeven. De meetkop kan verder zo gevormd zijn, dat de monsterruimtes in een eerste en een tweede, onderling loodrechte richting ten opzichte van elkaar, telkens een grotere lengte vormen in een derde, loodrecht op de eerste en de tweede richting staande richting en dat het inloopkanaal loodrecht op de derde richting in de monsterruimte uitmondt. Daarbij worden vlakke monsterruimten gevormd, die een ronde of ovalen resp. langwerpige diameter en daarop loodrecht aangebracht een kleinere in essentie rechthoekig gevormde diameter vormen, waarbij de kleinere doorsnede afgeronde hoeken kan vertonen.

Het inloopkanaal verloopt dan ook parallel ten opzichte van de grotere en loodrecht op de kleinere doorsneden. Het is verder voordelig dat de meetkop bovendien minstens met een elektrochemische sensor is uitgerust, waarmee een flexibeler en veelzijdiger gebruik mogelijk is en gelijktijdig andere parameters van de metaalsmelt kunnen worden gemeten.

Het is voordelig om ventilatie in de monsterruimte toe te laten. De monsterruimte bestaat best uit twee in de bekende wijze parallel ten opzichte van de lengteas van de monsterruimte scheidbare halve schalen, die met hun randen zo worden samengehouden, dat tijdens het binnenstromen van het vloeibare metaal lucht uit de monsterruimte kan worden afgevoerd, zonder dat daarbij ook vloeibaar metaal tussen de halve schalen kan wegstromen. De monsterruimte wordt best in een poreus zandlichaam geplaatst om de ventilatie te garanderen. Beide halve schalen worden door een klem op elkaar geperst en de monsterruimte is stevig genoeg in het zandlichaam vastgezet, zodat de beide halve schalen niet opengaan als gevolg van de ferrosta-tische druk die tijdens het onderdompelen in de smelt ontstaat. Op de randen van de halve schalen mogen bijvoorbeeld geen gaten of ribben aangebracht zijn, om de ventilatie van de monsterruimte toe te laten. Daarbij wordt de vorming van graten door uit de monsterruimte stromende smelt vermeden.

Meestal worden de meetsondes volgens de uitvinding van boven af in het vat met gesmolten metaal ondergedompeld. In veel gevallen gebeurt dit automatisch - bijvoorbeeld met behulp van een automatische sublans. Na de meting wordt de sublans met de meetsonde zijdelings buiten het bereik van het vat met het gesmolten metaal gedraaid en afgestoten. Daarbij valt de meetsonde enkele meters naar beneden. Na de schok op de bodem kan het monster onbeschadigd en eenvoudig uit de monsterruimte worden gehaald.

Volgens de uitvinding worden de hierboven beschreven meetsondes gebruikt voor de meting en de monsterneming van metaalsmelt in een convertor voor het smelten van staal tijdens een blaasproces of voor de meting en de monsterneming van metaalsmelt in een lichtboog-smeltoven.

In het navolgende wordt de uitvinding aan de hand van in tekeningen weergegeven uitvoerings-voorbeelden nader toegelicht. In de tekening toont:

Afbeelding 1 schematische weergave van een doorsnede door een convertor Afbeelding 2 schematische weergave van de meetsonde met de meetkop volgens de uitvinding

Afbeelding 3 dwarsdoorsnede van de meetkop volgens de uitvinding Afbeelding 4 schematische weergave van de drukmeting bij een open büis en Afbeelding 5 schematische weergave van de drukmeting aan de meetkop

Afbeelding 1 toont een convertor 1 met een bekleding 2. In de convertor 1 bevindt zich een staalsmelt 3, waarop een slaklaag 4 ligt. Voor de productie van staal wordt door de onderkant van de convertor 1 via de spuitmonden 5 argon in de metaalsmelt geblazen. Aan de bovenkant wordt met behulp van een blaaslans 6 zuurstof ingeblazen. Naast de blaaslans 6 wordt een zogenaamde sublans 7 in de convertor 1 ingebracht, waarvan aan het dompeluiteinde een meetsonde 8 met een meetkop 9 aangebracht is. De meting wordt uitgevoerd tijdens het inblazen van zuurstof, en dan meer bepaald ongeveer 2 minuten vóór het einde van dat inblazen. Daarbij wordt de temperatuur gemeten en een monster genomen om het koolstofgehalte te bepalen. Aan de hand van de meetresultaten kan een correctie aan het blaasmodel worden uitgevoerd, om de kwaliteit van de staalsmelt te veranderen. Na het inblazen van de zuurstof kan een tweede meting worden uitgevoerd. Daarbij wordt meestal naast de temperatuur ook het actieve zuurstofgehalte in de staalsmelt gemeten en wordt een monster genomen dat in het laboratorium zal worden gebruikt om de definitieve samenstelling van het staal te bepalen. Aan de hand van het zuurstofgehalte kan binnen enkele seconden het koolstofgehalte van het staal op dat moment worden bepaald. Bovendien kan op basis daarvan een voorberekening worden uitgevoerd van de hoeveelheid deoxidatiemiddel (aluminium) die nodig is.

De in afbeelding 2 weergegeven meetsonde 8 toont de aan het dompeluiteinde van een draagbuis 10 geplaatste meetkop 9. De meetkop 9 is als bescherming van de inloopopening en de sensoren met een kunststof kap 11 voorzien, die tijdens de doorsteek door de slak 4 wordt verbrand en de sensoriek resp. de inloopopening in de metaalsmelt vrijgeeft. De kunststof kap 11 kan aan de binnenzijde met een metalen kap of een metalen laag worden vervolledigd, die van staal kan gemaakt zijn en die oplost in de staalsmelt waar de meetsonde wordt ingébracht. De meetkop 9 is voorzien van een zandlichaam 12 uit gietzand, die voorzien is van ribben 13, waarmee het zandlichaam 12 in de draagbuis 10 wordt geperst, zodat een stevige bevestiging kan worden verzekerd. Aan het achterste uiteinde van de meetkop 9 zijn de verbin-dingskabels 14 aangebracht, waarmee de door de sensoren opgevangen signalen via de draagbuis 10 en de sublans 7 naar een berekeningseenheid worden geleid.

De in afbeelding 3 in profiel schematisch weergegeven meetkop 9 toont een thermisch element als temperatuursensor 15, die door een metalen kap 16 wordt omgeven en door vuurvast cement 17 in de meetkop 9 is geplaatst. Aan zijn achterste in het binnenste van de meetkop 9 gelegen uiteinde is hij voorzien van een aansluiting 18 voor de aansluiting van de draden waarmee het thermische element met de verbindingskabel is verbonden. In het zandlichaam 12 van gietzand van de meetkop 9 is verder een monsternemer met een monsterruimte 19 en een kwartsglasbuis 20 als inloophuis geplaatst. De kwartsglasbuis steekt ongeveer 1 cm uit het zandlichaam uit. De buitenste inloopopening van de kwartsglasbuis 20 is met een metalen kap 25 (van staal) en een daarboven aangebrachte kap van karton 26 gesloten, die bij of na het onderdompelen in de staalsmelt worden vernietigd en de buitenste inloopopening van de buis van kwartsglas vrijgeven. De lengte L verwijst naar de in het zandlichaam 12 van de meetkop 9 geplaatste lengte van de inloophuis tussen zijn ingang in de monsterruimte 19 en zijn uitgang uit het zandlichaam 12. Dit is de zogenaamde inbouwlengte L. De diameter D verwijst naar de minimale diameter binnen de inbouwlengte L. In het weergegeven voorbeeld is de verhouding L/D2 = 0,22. Dit levert een btaasvrij monster op, terwijl deze waarde bij overeenstemmende sondes volgens de huidige stand van de techniek in de buurt van 1,43 ligt.

De monsterruimte 19 is door de zandribben 21 van het zandlichaam 12 door perspassing op zijn plaats vastgezet.

De drukmeting gebeurt daarna volgens de schematische weergave in afbeelding 4 in een buis 22 die aan beide zijden open is en die zo’n buitendiameter heeft, dat ze in de kwartsglasbuis 20 kan worden geschoven. De pijl 23 wijst op de stroomrichting van de doorstromende gassen (bij voorkeur lucht), waarvan de druk Pn met behulp van de drukmeter 24 wordt bepaald. De lengte van de buis 22 tussen de drukmeter 24 en de kwartsglasbuis 20 bedraagt ongeveer 2 cm, de binnendiameter ongeveer 4 mm.

In afbeelding 5 is de volgens de meting volgens afbeelding 4 in de kwartsglasbuis 20 van de monsternemer ingeschoven buis 22 schematisch weergegeven. Bij een nieuwe toevoer van gas wordt dan met behulp van de drukmeter druk P2 gemeten. Het verschil P2-Pi geeft de tegendruk Pg van de meetkop weer. De druk wordt telkens gemeten bij een debiet van 800 l/u gas, waarbij de gasstroming op een zogenaamde ‘normale liter1 gebaseerd is. Dat wil zeggen dat er bij een binnentemperatuur van 20°C en een standaardluchtdruk van 1.013 hPa wordt gemeten. De gemeten tegendruk bedraagt in het weergegeven voorbeeld minder dan 15 mbar. Bij een opstelling met deze tegendruk worden kwalitatief goede monsters genomen.

Claims

1. Meetsonde voor het meten en het nemen van monsters in een metaalsmelt met een aan een lans bevestigde meetkop, waarbij de meetkop minstens uit een temperatuursensor en een monsterruimte bestaat, waarbij de monsterruimte minstens gedeeltelijk door de meetkop omgeven is en een doorheen de meetkop lopend inloopkanaal bevat, waarbij het in-loopkanaal een in de meetkop doorlopend binnenstuk met een lengte L heeft en op minstens één plaats in dit binnenbereik een minimale diameter D heeft, die daardoor wordt gekenmerkt dat de verhouding L/D2 kleiner dan 0,6 mm'1 is.

2. Meetsonde volgens conclusie 1, die daardoor wordt gekenmerkt dat de verhouding L/D2 kleiner dan 0,45 mm'1 is.

3. Meetsonde volgens conclusie 2, die daardoor wordt gekenmerkt dat de verhouding L/D2 kleiner dan 0,3 mm'1 is.

4. Meetsonde voor het meten en het nemen van monsters in een metaalsmelt met een aan een lans bevestigde meetkop, waarbij de meetkop minstens uit een temperatuursensor en een monsterruimte bestaat, waarbij de monsterruimte minstens gedeeltelijk door de meetkop omgeven is en een doorheen de meetkop lopend inlaatkanaal bevat, dat daardoor wordt gekenmerkt dat de meetkop een tegendruk Pg van minder dan 20 mbar heeft, waarbij de tegendruk zo wordt bepaald, dat eerst een referentiegasstroom door een buis met twee open uiteinden wordt geleid en de druk P! in de buis wordt gemeten, dat daarna de buis met één uiteinde in het inloopkanaal van de meetkop gestoken, dat dezelfde referentiegasstroom door de buis wordt geleid en dat de druk P2 in de buis wordt gemeten en dat uit het verschil P2-Pi de tegendruk Pg van de meetkop wordt bepaald.

5. Meetsonde volgens conclusie 4, die daardoor wordt gekenmerkt dat de tegendruk Pg van de meetkop kleiner dan 15 mbar is.

6. Meetsonde volgens conclusie 1 of 4, die daardoor wordt gekenmerkt dat de verhouding L/D2 kleiner dan 0,6 mm'1 is en de tegendruk Pfl van de meetkop kleiner dan 20 mbar is.

7. Meetsonde volgens conclusie 1 of 4, die daardoor wordt gekenmerkt dat de verhouding L/D2 kleiner dan 0,45 mm'1 is en de tegendruk Pe van de meetkop kleiner dan 20 mbar is.

8. Meetsonde volgens conclusie 1 of 4, die daardoor wordt gekenmerkt dat de verhouding L/D2 kleiner dan 0,3 mm*1 is en de tegendruk Pg van de meetkop kleiner dan 20 mbar is.

9. Meetsonde volgens minstens een van de conclusies 1 tot 8, die daardoor wordt gekenmerkt dat de meetkop van een materiaal uit de groep keramiek, cement, staal, gietzand gemaakt is.

10. Meetsonde volgens minstens een van de conclusies 1 tot 9, die daardoor wordt gekenmerkt dat het inloopkanaal van een buis van kwartsglas gemaakt is.

11. Meetsonde volgens minstens een van de conclusies 1 tot 10, die daardoor wordt gekenmerkt dat de monsterruimte minstens gedeeltelijk door een zandlichaam van gietzand omgeven is.

12. Meetsonde volgens minstens een van de conclusies 1 tot 11, die daardoor wordt gekenmerkt dat de monsterruimte in een eerste en een tweede, telkens loodrecht ten opzichte van elkaar opgestelde richting telkens een grotere lengte heeft dan in een derde loodrecht op de eerste en de tweede richting opgestelde richting en dat het inloopkanaal loodrecht op de derde richting in de monsterruimte uitmondt.

13. Meetsonde volgens minstens een van de conclusies 1 tot 12, die daardoor wordt gekenmerkt dat de meetkop aanvullend minstens één elektrochemische sensor draagt.

14. Gebruik van de meetsonde volgens minstens een van de conclusies 1 tot 13 voor de meting en de monsterneming in een in een convertor voor de productie van staal gebrachte me-taalsmelt tijdens een blaasproces.

15. Gebruik van de meetsonde volgens minstens een van de conclusies 1 tot 13 voor de meting en de monsterneming in een in een lichtboogsmeltoven gebrachte metaalsmelt.