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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Steuerung
eines metallurgischen Prozesses mit Bildung von Schlacke auf einer
Schmelzbadoberfläche.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung
zur Steuerung des Frischvorgangs in einem Blasstahlkonverter zur
Herstellung von Stahl.
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Die
Oxidationsreaktionen des Metalls, deren Reaktionsprodukte sich in
der Schlacke niederschlagen, zeichnen sich durch unterschiedliche
zeitliche Verläufe
und unterschiedliche Intensitäten
aus. Aufgrund der unterschiedlichen spezifischen Dichten der Schlacke
und des Metalls entsteht eine nichtvermischbare Schlackenschicht
auf der Metalloberfläche.
Je nach Art des metallurgischen Prozesses kann die Konsistenz der Schlacke
flüssig,
fest oder schaumig sein. Da der Frischvorgang in einem Blasstahlkonverter
im wesentlichen durch Schlackereaktionen bestimmt wird, kommen der
Bildung und Aufrechterhaltung einer reaktionsfähigen Schlacke und damit der
Steuerung des die Schlackenführung
erheblich beeinflussenden Abstandes der Blaslanze von der Badoberfläche bzw.
der durch die Blaslanze zugeführten
Sauerstoffmenge eine erhebliche Bedeutung zu. Während bei Blasbeginn eine vergleichsweise
hohe Eisenoxidation und eine geringe Kohlenstoffoxidation zur Auflösung des
zugesetzten Kalks angestrebt werden, wird mit fortschreitender Blaszeit
eine zunehmende Entkohlung angestrebt und zwar unter Wahrung einer
entspechenden Entkohlungsgeschwindigkeit. Aus diesem Grund wird
der Lanzenabstand von der Badoberfläche nach dem Beginn des Blasvorgangs mit
dem Ansteigen des Schlackenstandes verringert.
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Bei
dem aus der
DE 27 45
251 A1 bekannten Verfahren wird die Standhöhe der Schmelze
mittels eines nach dem Impulslaufzeit-Verfahren arbeitenden Entfernungsmesser
ermittelt, indem beispielsweise von einem Impulslaser ein Impuls
ausgestoßen
und ein von dem Schmelzenspiegel reflektierter Rückimpuls von einem Empfänger empfangen
wird. Aus dem so ermittelten Schmelzenspiegel wird dann der Abstand
Blaslanzendüse-Schmelzenspiegel
für das
Sauerstoffaufblasverfahren errechnet.
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In
der
EP 0 130 960 A2 ist
ein Verfahren zur Überwachung
einer schaumigen Schlacke während
des Frischens mit Sauerstoff in einem Konverter beschrieben, wobei
die Schallintensität
der Schlacke in einem ersten Frequenzband gemessen wird, bis die
Schlacke die Blaslanze erreicht hat, und dann in ein zweites Frequenzband
zur weiteren Messung der Schallitensität, welches eine höhere Präzision bzw.
Feinheit der Messung erlaubt, umgeschaltet wird.
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Die
EP 0 402 344 A1 betrifft
ein Verfahren zur Schlackenführung
in einem Blasstahlkonverter mit wenigstens einer Blaslanze, deren
Abstand von der Badoberfläche
mit Hilfe des durch die Schlacke hindurch gemessenen Schallpegels
des Blasgeräuschs
geregelt wird unter der Berücksichtigung,
daß die
sich bildende Schlacke das Blasgeräusch dämpft.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung
zur Steuerung eines metallurgischen Prozesses mit Bildung von Schlacke
auf einer Schmelzbadoberfläche
bereitzustellen, welche eine optimale Prozeßführung gewährleisten.
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Verfahrensgemäß wird dies
dadurch erreicht, daß die
Geschwindigkeit des Schlackenauf- und/oder -abbaus, insbesondere
einer schaumförmigen
Schlacke, als Steuergröße zur Einstellung
der die Schlackenbildung induzierenden Parameter genutzt wird. Unter
Schlackenauf- bzw. -abbau wird hier die Veränderung der Schlackendicke
bzw. Schlackenmasse in der Höhe,
gesehen von der Schmelzbadoberfläche,
verstanden. Damit schließt
der Schlackenauf- bzw. -abbau auch die Veränderungen des Schlackevolumens
bzw. der Schlackedichte ein.
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Mit
Hilfe der ermittelten Geschwindigkeit des Schlackeauf- bzw. -abbaus
wird insbesondere der Abstand der Blaslanzendüse von der Schmelzbadoberfläche beim
Sauerstoffaufblasverfahren als der wesentliche Parameter zur Schlackebildung
gesteuert. Des weiteren kann alternativ oder zusätzlich der Blasimpuls, d. h.
Druck und/oder Durchfluß des
Sauerstoffs, gesteuert werden. Abweichend von dem Sauerstoffaufblasverfahren,
beispielsweise, wenn ein kombiniertes Blasverfahren oder Bodendüsen Verwendung
finden, können die
Informationen über
die Geschwindigkeit des Schlackeauf- bzw. -abbaus zur Wahl des Gasmediums
dienen. Bei allen Verfahren lassen sich über den aktuellen Schlackeauf-
und -abbau die Menge und die Art der zuzugebenden Schlackebildner
bestimmen.
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Vorzugsweise
wird die Geschwindigkeit des Schlackeauf- bzw. -abbaus punktuell,
d. h. durch Messung mindestens eines sich bewegenden Oberflächenpunktes
der Schlacke im Verhältnis
zu einem Fixpunkt gemessen. Vorzugsweise werden mehrere Oberflächenpunkte
gemessen, die sich entlang der Oberfläche der Schlackenschicht erstrecken,
um ggf. eine durchschnittliche Geschwindigkeit zu bestimmen.
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Besonders
bevorzugt wird vorgeschlagen, daß die Geschwindigkeit des Schlackeauf-
bzw. -abbaus durch Messen eines Doppler-Effektes ermittelt wird.
Der Doppler-Effekt ist als solches bekannt. Ihm liegt zugrunde,
daß man
bei Wellen aller Art eine höhere
Frequenz als die von einer Quelle ausgesandte beobachtet, wenn sich
Quelle und Beobachter einander nähern,
und eine tiefere Frequenz als die von einer Quelle ausgesandte beobachtet,
wenn Quelle und Beobachter sich voneinander entfernen.
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Im
vorliegenden Fall wird vorzugsweise ein von der Schlacke bzw. Schlackenschicht
ausgesandter Parameter für
die Messung des Doppler-Effektes verwendet. Vorzugsweise werden
die von der Schlacke ausgesandten Schallwellen für die Messung des Doppler-Effektes
genutzt bzw. die sich bildende Schlacke dient als Schallquelle.
Denkbar ist auch die Verwendung der von der Schlacke ausgesandten
elektromagnetischen Wellen, wobei dann wegen des hohen Wertes der
Lichtgeschwindigkeit, die in die Formel des Doppler-Effektes eingeht,
die Meßgeräte entsprechend
sensibel ausgerüstet
sein müssen.
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Neben
der Ausführungsform
der direkten Messung der von der Schlacke ausgesandten Schallwellen ist
als Ausführungsform
ebenso denkbar, daß die
von einer Absender- und Empfänger-Einheit
ausgesandten Schallwellen von der Schlacke reflektiert und entsprechend
ausgewertet werden.
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Zur
Einstellung der die Schlackenbildung induzierenden Parameter, wie
beispielsweise die oben erwähnte
Abstandsregulierung zwischen Blaslanzendüse und Schmelzbadoberfläche, werden
sowohl die ermittelte Geschwindigkeit des Schlackenauf- bzw. -abbaus
als auch die einzustellenden Parameter über die Zeit bestimmt, um eine
gemeinsame Bezugsgröße zu erreichen.
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Aufgrund
der Bewegung der Schallquelle, d. h. der entstehenden Schlackenmasse
in Richtung der Gefäßmündung des
Konverters beim Schlackenaufbau bzw. Richtung Schmelzbadoberfläche beim
Schlackeabbau, ergeben sich Frequenzänderungen gegenüber einem
Schallempfänger,
die sowohl auf die Schlackenbildungsgeschwindigkeit als auch auf
die Beschleunigung schließen
lassen. Basierend auf der Schlackenbildungsgeschwindigkeit wird
die Kinetik des Schlacken- Schmelze-Systems
vollständig
widergespiegelt und eine Steuerung der die Schlackenbildung induzierenden
Parameter, insbesondere des Abstands der Blaslanze zur Schmelzeoberfläche, ermöglicht.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird des weiteren eine entsprechende Einrichtung zur
Steuerung eines metallurgischen Prozesses mit Bildung von Schlacke
auf einer Schmelzbadoberfläche
vorgeschlagen, die Mittel zur Bestimmung der Geschwindigkeit des
Schlackenauf- und/oder -abbaus sowie Mittel zur Einstellung der
die Schlackenbildung induzierenden Parameter in Abhängigkeit
der ermittelten Geschwindigkeit umfaßt, die in den Ansprüchen 12
und 13 näher
konkretisiert werden.
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Aufgrund
der vorgeschlagenen Steuerung bzw. der Einrichtung zur Steuerung
eines metallurgischen Prozesses, insbesondere der Steuerung des
Blaslanzenabstands von der Schmelzbadoberfläche in einem Konverter, werden
aufgrund der erreichten optimalen Prozeßführung Schlackeauswürfe bzw.
Schlackespritzer aus dem Konverter verhindert. Durch Steuerung des
Blasimpulses der Blaslanze, insbesondere des Durchlasses, wird ein Überblasen
oder Nachblasen mit dem Blasmedium verhindert. Ferner kann mit dem
erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Verfahren eine optimale Führung
der Art und Menge der Schlackenbildner erreicht werden. Ein weiterer
Vorteil ist die quantitative Steuerung der Schlackenführung. Insgesamt
ist eine sehr stabile Prozeßführung möglich.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
aus der nachfolgenden Beschreibung der physikalischen Hintergründe der
Erfindung sowie der Figuren, wobei:
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1 die
direkte Proportionalität
zwischen der ermittelten Geschwindigkeit des Schlackeauf- bzw. -abbaus
und der gemessenen Frequenz f' und
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2 schematisch
einen Konverter zur Stahlherstellung mit einer Sauerstoffeinblaslanze
zeigen.
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Nach
dem Doppler-Effekt wird unterschieden, ob die Schallquelle (bzw.
Quelle anderer Wellenarten) bzw. der Beobachter ruhen oder nicht.
In Bezug auf unterschiedliche Bewegungen der Schallquelle A (Objekt) sowie
des Beobachters B sind daher folgende Annahmen zu treffen:
- +u:
- Geschwindigkeit von
A, wenn sich A in die Richtung B bewegt;
- –u:
- Geschwindigkeit von
A, wenn sich A von B entfernt;
- +v;
- Geschwindigkeit von
B, wenn sich B in die Richtung A bewegt;
- –v:
- Geschwindigkeit von
B, wenn sich B von A entfernt.
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Unter
der Voraussetzung, daß B
ruht (v = 0), ist zu unterscheiden zwischen der Bewegung der Schallquelle
(A) in Richtung B und weg von B. Die Schallquelle sendet Wellen
mit der Wellenlänge λ unabhängig von ihrem
Bewegungszustand aus.
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Wenn
sich die Schallquelle (A) in Richtung des ruhenden Beobachters (B)
bewegt (u > 0), verkleinert sich
die Wellenlänge
um u·T
und erhöht
damit wegen der konstant gebliebenen Schallgeschwindigkeit die Frequenz
f':
λ' = λ – uT = VT – uT = (V – u)T mit T = Periodendauer;
mit
V = Schallgeschwindigkeit, ausgedrückt durch die Phasengeschwindigkeit;
dies
ist eine Geschwindigkeit, mit welcher sich die Schallsphäre mit gleicher
Phase in einem komprimierenden Medium propagiert;
und mit V
= λ/T.
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Dies
bedeutet, daß die
Anzahl der empfangenen Wellen durch den Beobachter bzw. das Meßgerät in einer
Zeiteinheit größer wird.
Die Frequenz f' ist
größer als
die, die die Schallquelle sendet (f).
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Wenn
sich die Schallquelle weg von dem ruhenden Beobachter bewegt (u < 0), vergrößert sich
die Wellenlänge
um u·T
bzw. um einen Verlängerungseffekt
und erniedrigt die Frequenz f':
λ' = λ + uT = VT
+ uT = (V + u)T -
Dies
bedeutet, daß die
Anzahl der empfangenen Wellen durch den Beobachter bzw. das Meßgerät in einer
Zeiteinheit kleiner wird. Die Frequenz f' wird tiefer als die, die die Schallquelle
sendet (= f).
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Wie
bereits oben ausgeführt,
ist V die Schallgeschwindigkeit, ausgedrückt durch die Phasengeschwindigkeit,
mit welcher sich die Schallsphäre
mit gleicher Phase in einem komprimierenden Medium propagiert. Des
weiteren ist zu berücksichti gen,
daß für die Doppler-Effekt-Bestimmung
die Vektorsummanden zu berücksichtigen
sind, wenn die Geschwindigkeitsvektoren u und v nicht auf gleicher
Gerade wirken.
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Nachfolgend
werden die Randbedingungen für
die Ermittlung der Schallgeschwindigkeit V und somit von f' näher erläutert:
In
einem planaren Querschnitt (flache Welle) gilt für die Geschwindigkeit:
mit V = Phasengeschwindigkeit
eines Kreises (Sphäre)
von Punkten mit gleicher Schwingungsphase;
mit R: Radiusabschnitt
(Abstand) von Kreisen (Sphären)
gleicher Phase.
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Um
mit der planaren Darstellung des symmetrischen Konverters bzw. dessen
Querschnitt konform zu sein, wird von dem entsprechenden planaren
Querschnitt einer Welle und deren Propagation ausgegangen.
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Die
Gleichheit der Phasen bedeutet:
und somit bei konstantem ω
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Die
Konstante
drückt die Zeit aus, über die
die Propagation der Welle mit gleicher Phase beobachtet wird und
die folgende Bedingung erfüllt:
bei
t = 0 und R = 0 folgt τ =
0 und somit
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Dies
bedeutet, daß die
Phasengeschwindigkeit V bzw. im Fall des Schalls die Schallgeschwindigkeit mit
der Veränderung
des Radius R zu bestimmen ist.
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Der
Radius R der Welle kann mit den gemessenen Frequenzen geschätzt werden,
wobei V die Schlaggeschwindigkeit in m/s = 333 ist. Für das Verfahren
sind Frequenzen im Bereich zwischen 25 und 750 Hz repräsentativ,
wobei optimale Werte zwischen 175 und 250 Hz liegen. Daraus ergibt
sich ein Radius von 0,4–13 m
bzw. von 1,33–1,9
m. Diese Werte entsprechen auch einem Radius eines Konverter gefäßes auf
der Höhe des
Metallbades.
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Erfindungsgemäß werden
diese bekannten Zusammenhänge
des Doppler-Effektes
zur Steuerung der die Schlackenbildung induzierenden Parameter,
insbesondere zur Steuerung des Abstandes der Einblaslanze von der
Metallbadoberfläche,
verwendet. Hierbei entspricht die sich auf- und abbauende Schlacke
der Schallquelle und ein Meßgerät dem Beobachter.
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Die
Geschwindigkeit des Schlackeauf- und abbaus u ist demnach:
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Während die
Frequenz f' durch
ein geeignetes Meßgerät gemessen
wird, wird die Basisfrequenz f auf der Basis von Anfangsbedingungen
festgelegt. Diese Basisfrequenz f ist die Frequenz der Schmelzbadoberfläche unter
der Bedingung, daß keine
Schlacke vorliegt, oder eines sonstigen festgelegten Bezugspunktes.
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Die
Frequenz der Schmelzbadoberfläche
wird zu Beginn des Blasens gemessen, wenn noch keine Schlacke gebildet
ist. Die Basisfrequenz f wird an die gemessene Frequenz angeglichen.
Die zu messende Frequenz von Bewegungen kann durch ein Bodenspülen mit
einem Inertgas wie zum Beispiel Stickstoff oder Argon hervorgerufen
werden. Der Bezugspunkt richtet sich dann entweder auf die Linie
der Schmelzbadoberfläche
bei einem gefüllten
Konverter oder auf die Linie des Konverterbodens bei einem noch
nicht gefüllten Konverter.
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Die
Basisfrequenz wird demnach einmal festgelegt und kann als Konstante
in die obige Abhängigkeit eingehen,
so daß folgt:
mit k = Proportionalitätsfaktor.
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Indem
die Frequenz f' gemessen
wird, kann die Geschwindigkeit u des Schlackenauf- bzw. abbaus bestimmt
werden.
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Mit
Beginn der Schlackenbildung baut sich diese in Richtung Konvertermündung mit
der Geschwindigkeit u1 auf; während eines
späteren
Zeitpunktes baut sich die Schlacke in Richtung Schmelzbadoberfläche mit der
Geschwindigkeit u2 wieder ab.
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1 zeigt
die Abhängigkeiten
dieser Geschwindigkeiten sowie der betriebsoptimalen Geschwindigkeit
uop, jeweils im Verhältnis zu der Frequenz f' gesehen.
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Durch
Bezug der Frequenzänderung
df' über die
Zeit wird eine direkte Größe für die Änderung
der Geschwindigkeit des Schlackeauf- bzw. -abbaus angegeben, d.
h.
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In
Abhängigkeit
von du/dt werden die die Schlackenbildung induzierenden Parameter
eingestellt, beispielsweise die Geschwindigkeit der Lanzenpositionierung
in Relation zur Schmelzbadoberfläche
oder und/oder der Blasimpuls und/oder das Gasmedium und/oder die
Menge und Art der zuzugebenden Schlackenbilder.
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2 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Einrichtung
am Beispiel eines Konverters 1 zur Herstellung von Stahl
mit einer Sauerstoffeinblaslanze 2. In dem Sauerstoffaufblaskonverter 1 befindet
sich die Schmelze 3 bzw. das Metallbad, wobei die Schmelzbadoberfläche mit 4 bezeichnet
ist. Der einzublasende Sauerstoff wird durch die in den Konverter
im wesentlichen vertikal einführbare
hohle Blaslanze 2 unter Druck zugeführt (hier mit einem Pfeil dargestellt).
Auf der Schmelzbadoberfläche 4 bildet
sich die Schlackenschicht 5. Die Blaslanzendüse 6 ist
an ihrem dem Konverter abgewandten Ende 7 über eine
entsprechende Verfahreinrichtung 8 in ihrem Abstand (hier
mit a bezeichnet) zur Schmelzbadoberfläche 4 veränderbar.
Die in ihrem Abstand veränderte
Blaslanze ist gestrichelt dargestellt. Der Konverter selbst ist
an einem Tragring 9 befestigt. Bei dem dargestellten Konverter
handelt es sich um einen Sauerstoffaufblaskonverter. Grundsätzlich sind über das
erfindungsgemäß vorgeschlagene
Verfahren auch die Parameter für
das kombinierte Blasverfahren oder nur das reine Blasverfahren mit
Bodendüsen
einstellbar, wobei die Bodendüsen 10a,
b zur Veranschaulichung mit gestrichelten Linien in 2 gekennzeichnet
sind.
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Das
Meßgerät 11 zur
Messung der Frequenzen der Schallwellen der sich bei dem Frischvorgang
in Richtung der Konvertermündung 1a aufbauenden
und später
wieder abbauenden Schlackenschicht ist an einem Fixpunkt zur Schlacke
angeordnet. Die Bestimmung der Geschwindigkeit des Aufbaus bzw.
Abbaus der Schlackenschicht erfolgt über die Messung von f' durch das Meßgerät 11 bzw.
die Messung der Änderung
der Frequenzen über
die Zeit (df'/dt)
sowie über
die Weiterleitung der gemessenen Signale x an eine Auswerteeinrichtung 12 zur
Berechnung der Geschwindigkeit du/dt. Andere Schallquellen, wie
Vibrationen des Blasstrahls oder des Gefäßes, ergänzen das Schallspektrum, bilden
aber systematische Komponenten und können entsprechend herausgefiltert
werden. Es folgt eine entsprechende Ermittlung eines Steuersignals
y an eine Steuereinheit (hier schematisch mit 13 bezeichnet)
zur geregelten Einstellung der Verfahreinrichtung 8 für die Einblaslanze
zur optimalen Einstellung des Abstandes a.
