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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Wandstärke von
mit Glasschmelze gefüllten Schmelzaggregaten,
deren Wand mindestens eine Schicht aus Feuertest-Material aufweist.
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Schmelzaggregate
werden zum Beispiel zum Erschmelzen von Glas verwendet. Typische Glaswannen
bestehen aus Feuerfestmaterial und sind außen mit in der Regel feuerleichtem
Isolationsmaterial verkleidet. Als feuerfestes Material wird in der
Regel ein Material auf Quarzbasis, wie z.B. Quarzal oder AZS, oder
auch zirkonhaltige Materialien (HZFC) verwendet.
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Um
die Sicherheit von Mensch und Maschine gewährleisten zu können, ist
es wichtig, den Korrosionsfortschritt der feuerfesten Materialschicht
zu kennen. Die Kenntnis der Restdicke dient dazu, den optimalen
Zeitpunkt zum Löschen
der Wanne zu bestimmen, mögliche
Schwachstellen zu erkennen und rechtzeitig Wartungsarbeiten durchführen zu
können.
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Bisher
sind diverse Methoden zur Bestimmung des Korrosionsfortschrittes
an in Betrieb befindlichen Glasschmelzwannen bekannt. Eine umfassende
Darstellung findet sich in Bernhard Fleischmann, Glastechnischer
Bericht, Glass Sci. Technol. 74 (2001) Nr. 4. Über beispielsweise Thermoelemente,
die im Wannenboden installiert sind, kann indirekt die Restdicke
der feuerfesten Steine abgeschätzt werden.
Man kann versuchen, durch regelmäßige Begehungen
den Verschleiß der
feuerfesten Materialien durch optische Kontrollen festzustellen. Überwiegend angewendet
werden mechanische Verfahren wie das Verwenden von Haken oder Merglometern zum
Ertasten der Fugentiefe zwischen den Steinen. Das Verwenden eines
Hakens zum Abtasten der Restdicke hat den Nachteil, dass nur an
bestimmten Stellen, an denen Durchführungen vorhanden sind, die
Restdicke gemessen werden kann. Außerdem wird der Haken durch
die Temperatur deformiert und die Messergebnisse sind extrem personenabhängig. Die
Verwendung eines Merglometers beschädigt außerdem die Steine an den Fugen.
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Basierend
auf einer Temperaturmessung kann zum Beispiel ein Thermoelement
an der Wand angebracht werden. Ein Thermoelement erfasst allerdings
nur eine Fläche
mit einem Radius von ca. 30 cm. Man kann mithilfe von Pyrometern
oder einer Thermokamera die Wanne kontrollieren. Dabei ist es allerdings
problematisch, dass die Oberflächenbeschaffenheit
der Wand die Messung beeinflusst. Verfahren, die auf der Messung
der Rückerwärmung bzw.
des Wärmeflusses
basieren, sind noch nicht ausgereift.
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Man
hat auch versucht, mechanische Wellen für die Restwanddicke einzusetzen.
Akustische Schallwellen werden zu stark im Feuerfest-Material gedämpft. Ultraschallwellen
werden an Rissen und Inhomogenitäten
total reflektiert.
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Das
so genannte Saveway-Verfahren beruht auf dem Effekt, dass die elektrische
Leitfähigkeit
von feuerfesten Materialien mit steigender Temperatur größer wird.
Für die
Langzeitanwendung an Glasschmelzwannen ist allerdings bisher ungeklärt, wie sich
die Diffusion von alkalischen Substanzen bei der Herstellung von
Spezialgläsern
in die Feuerfeststeine hinein auf deren Leitfähigkeit auswirkt.
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Bei
der Verwendung zirkonhaltiger Feuerfeststeine kann auch deren radioaktive
Eigenstrahlung zur Restwandstärkebestimmung
verwendet werden. Diese so genannte Isotopenmethode ist allerdings
erst bei einer Restwandstärke < 100 mm einsetzbar.
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Es
ist auch bereits versucht worden, die Restwanddicke über Laserabstandsmessungen
zu ermitteln. Insgesamt ist dieses Verfahren allerdings ungeeignet,
da keine Erfassung unterhalb der Glasbadoberfläche möglich ist und der Einfluss
der heißen
Oberofenatmosphäre
zu Fehlmessungen führt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu finden, bei
dem die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Messung der Wandstärke von
mit Glasschmelze gefüllten
Schmelzaggregaten, deren Wand mindestens eine Schicht aus Feuerfest-Material
aufweist, bei dem Radarwellen an der Außenseite in die Wand eingestrahlt
werden, die an dielektrischen Übergängen reflektierten
Radar-Strahlen gemessen werden und aus den der Laufzeit des dem Übergang Wandinnenseite – Glasschmelze
entsprechenden Reflexen die Wandstärke ermittelt wird.
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Das
Radarsystem basiert auf einem Impuls-Echo-Verfahren, bei dem in
dem zu untersuchenden Bereich elektromagnetische Impulse gesendet
werden, die in Abhängigkeit
der dielektrischen Eigenschaften des Messobjektes reflektiert und
vom Radargerät
detektiert werden. Aufgrund von Diskontinuitäten in der dielektrischen Eigenschaft
der Zielregion ist man in der Lage, unterschiedliche Strukturen
und Schichten zu erkennen. Für
zerstörungsfreie
Inspektionen oder Baugrunduntersuchungen bei Hoch- und Tiefbaumaßnahmen
bzw. in der Archäologie
wird bereits auf solche Radargramme zurückgegriffen. Allerdings wird
in diesen Bereichen bei Temperaturen nahe Zimmertemperatur gemessen
und sollen Strukturen detektiert werden, bei denen starke Unterschiede in
der Dielektrizität
vorliegen, z.B. Stahlträger
in Beton, was zu ausgeprägten Signalen
im Radargramm führt.
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Erstaunlicherweise
hat es sich herausgestellt, dass die Auflösung üblicher Radargramme ausreicht,
um auch Dielektrizitätsunterschiede,
wie sie zwischen Feuertest-Material und Glasschmelze bestehen, zu
detektieren. Auch bei hohen Temperaturen von über 1000°C lassen sich die Messungen durchführen. Hierbei
hat sich herausgestellt, dass sich die Laufzeit der Reflexe verringert
und die Intensität
der Reflexe abnimmt. Um die erforderliche Genauigkeit zu erzielen,
ist es von Vorteil, die Messkurven einem geeigneten mathematischen
Auswerte-Verfahren zu unterziehen. Außerdem sollte das Radargerät thermisch
abgeschirmt werden.
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Überraschend
ist das erfindungsgemäße Verfahren
auch in Hinblick auf den Artikel von Bernhard Fleischmann Glastech.
(Bericht, Glass Sci. Technol. 74 (2001) Nr. 4. In dieser Veröffentlichung wird
von der Verwendung von Mikrowellen abgeraten, die sich im Frequenzspektrum
an Radarwellen anschließen,
da sie zu stark im Feuerfeststein absorbiert würden und daher eine praktische
Nutzung der Mikrowellen zur Bestimmung der Restwanddicke an heißen Steinen
nicht möglich
sei.
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Die
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind vielfach: Es ist einfach zu bedienen und nahezu überall einsetzbar,
insbesondere ist es mobil. Verglichen mit bisher bekannten Verfahren
ist es wirtschaftlich sehr interessant, da nur die Verwendung von
Haken billiger ist, bei einer vergleichbar geringeren Genauigkeit.
Das Verfahren ist über
die komplette Wandstärke
hinweg einsetzbar. Es bleibt durch Risse im Stein oder durch Inhomogenitäten weitgehend
unbeeinflusst. Es ist auch von der Oberflächenbeschaffenheit des Steinmaterials
unabhängig.
Es arbeitet zerstörungsfrei
und liefert personenunabhängige
Messwerte. Es ist außerdem
driftarm und insgesamt genau genug, um Rest wandstärken zuverlässig zu
bestimmen und über
einen längeren Zeitraum
verfolgen zu können.
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Vorzugsweise
wird die Wandstärke
des Feuerfest-Materials gemessen. Es ist möglich, alle üblichen
Feuerfest-Materialien mit dem Verfahren zu untersuchen. Das Verfahren
findet nur dort seine Grenze, wo das Feuertest-Material nach langer
Standzeit eine korrodierte Oberflächenschicht ausbildet, die durch
Eindiffusion von Alkali-Anteilen in das Feuerfest-Material entsteht,
wodurch der sprunghafte Unterschied in den Dielektrizitätskonstanten
von Feuerfest-Material und Glasschmelze aufgehoben wird. Dies ist
bei zirkonhaltigen Feuerfest-Materialien der Fall, deren Wanddicke
somit nur solange vermessen werden können bis sich die Korrosionsschicht
vermessen werden kann. Diese Einschränkung fällt insofern nicht so stark
ins Gewicht, als solche Korrosionsschichten sich erst ab Standzeiten
von 2 Jahren ausbilden und in diesem Zeitraum die Wanddickenmessungen
problemlos durchführbar
sind.
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Vorteilhafterweise
werden Radarwellen mit einer Frequenz von 0,5 bis 2 GHz eingesetzt.
Je höher
die Frequenz, desto besser ist die Tiefenauflösung. Zwar nimmt dabei auch
die Eindringtiefe ab, sie beträgt
bei 2 GHz aber immer noch 3 m bei den hier interessierenden Materialien
wie Feuerfeststeinen.
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Vorzugsweise
wird für
die Ausführung
des Verfahrens ein handelsübliches
Radargerät
verwendet und zur Überwachung
der Wandstärke
die Wand des Schmelzaggregates an verschiedenen Stellen vermessen.
Dies hat den Vorteil, dass ein Dickenprofil der gesamten Wand erstellt
werden kann.
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Es
hat sich gezeigt, dass der Rauschanteil sehr groß ist, so dass die interessierenden
reflektierten Radarpulse im Radargramm u.U. nicht erkennbar sind.
Es wird daher ein mathematisches Verfahren zur Auswertung der Radargramme
eingesetzt, bei dem der Quotient aus Messwert und Standardabweichung
gebildet wird, um das Signal-Rauschverhältnis zu
steigern.
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Beispielhafte
Ausführungen
werden an Hand der Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
schematischen Messaufbau,
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2 ein
Diagramm der gesendeten Radarpulse,
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3a, 3b Diagramme
der reflektierten Radarpulse an einem Feuerfest-Material (HZFC-Material)
bei Raumtemperatur und bei 1100 °C,
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4 ein
Diagramm der reflektierten Radarpulse bei 1100°C an einer gefüllten Schmelzwanne,
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5 die
mathematisch behandelte Messkurve aus 4,
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6 ein
Laufzeit-Dicken-Diagramm.
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In
der 1 ist ein Glasschmelzaggregat 1 in Form
einer Glasschmelzwanne dargestellt, deren Wand innenliegend eine
Lage aus Feuertest-Material 2 und außenliegend eine Lage aus Isoliermaterial 4 aufweist.
Im Schmelzaggregat 1 befindet sich die Glasschmelze 2.
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An
der Außenseite
der Wand ist der Messkopf 10 an die Isolierschicht 4 angesetzt,
der Radarpulse aussendet und der die an den Grenzflächen G1, G2 und G3 reflektierten Pulse empfängt. Am
Messkopf 10 ist eine Auswerteeinheit 11 angeschlossen.
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In 2 ist
das Diagramm der ausgesendeten Radarpulse dargestellt. Es werden
Radarpulse der Frequenz 2 GHz und Länge 1 nsec im zeitlichen Abstand
von 10 msec ausgesendet, die an allen drei Grenzflächen G1, G2 und G3 reflektiert werden, was zu reflektierten
Pulsen mit Pulslagen P1, P2,
P3 führt, die
in den 3a, 3b zu
sehen sind.
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In
der 3a ist ein Diagramm der reflektierten Radarpulse
an einer Wand mit HZFC-Material bei Raumtemperatur und in 3b bei
1100 °C
dargestellt. In beiden Fällen
ist die Schmelzwanne leer. Peaks, die auf Reflexionen an den Grenzflächen zurückzuführen sind,
zeigen kleinere Standardabweichungen als die Peaks von zufälligen Reflexionen,
so dass diese deutlicher sichtbar sind. In der 3a sind
die Dicken der Isolierschicht (84 mm) und der Feuerfest-Schicht
(237 mm) eingetragen. Aus dem Laufzeitunterschied der Pulslagen
P2 und P3 lässt sich über die
Formel Dicke = (P3 – P2)·F die
Dicke der Feuerfestschicht 3 aus HZFC-Material ermitteln.
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Im
vorliegenden Beispiel beträgt
der Faktor F = 250 / 88,6, der aus einer Kalibriermessung an der ungefüllten aber
heißen
Schmelzwanne ermittelt wird, von der man die genaue Geometrie, d.h.
die Dicken an verschiedenen Stellen kennt.
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Ein
Vergleich der 3a und 3b zeigt, dass
die Pulslagen P1, P2,
P3 zeitlich gedehnt sind, was darauf zurückzuführen ist,
dass bei hohen Temperaturen die dielektrische Konstante des Feuerfest-Materials
einen anderen Wert annimmt.
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In
der 4 ist ein Radargramm einer mit Glasschmelze gefüllten Schmelzwanne
gezeigt, die ebenfalls Feuerfest-Material aus HZFC-Material aufweist.
Dieses Diagramm unterscheidet sich von dem in 3b gezeigten
Diagramm bezüglich
der Pulslagen nicht.
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Um
die Pulslagen P2, P3 besser
ermitteln zu können,
wurde auf die Messwerte des Diagramms der 4 die Quotientenbildung
aus Messwert und Standardabweichung angewendet, was zum Diagramm
der 5 führt.
In diesem Radargramm ist deutlicher die Lage P2 und
P3 der an G2 und
G3 reflektierten Radarpulse zu sehen, so
dass daraus die Wanddicke der HZFC-Schicht nach der oben genannten
Formel berechnet werden kann.
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Ein
entsprechendes Laufzeit-Dicken-Diagramm, das die Umrechnung der
Pulsabstände
in Wanddicken erlaubt, ist in 6 dargestellt.
Auf der y-Achse sind die zeitlichen Pulsabstände durch korrespondierende
Datenpunkt-Nummern des Auswerteprogramms gekennzeichnet.
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- 1
- Schmelzaggregat
- 2
- Glasschmelze
- 3
- Feuerfest-Material
- 4
- Isoliermaterial
- 10
- Messkopf
- 11
- Auswerteeinheit
- G1
- Grenzfläche/Isoliermaterial
- G2
- Isoliermaterial/Feuerfest-Material
- G3
- Feuerfestmaterial/Glasschmelze