DE102005007755A1

DE102005007755A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Analyse der Zusammensetzung einer flüssigen Metallschmelze

Info

Publication number: DE102005007755A1
Application number: DE102005007755A
Authority: DE
Inventors: Torsten Lamp; Herbert KÖCHNER
Original assignee: BFI VDEH Institut fuer Angewandte Forschung GmbH
Current assignee: BFI VDEH Institut fuer Angewandte Forschung GmbH
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2025-02-19
Also published as: DE102005007755B4

Abstract

Um eine online-Analyse der Zusammensetzung einer flüssigen Metallschmelze zu ermöglichen, die mit geringem apparativen Aufwand eine kontinuierliche Analyse der Zusammensetzung der flüssigen Metallschmelze erlaubt, wird eine Vorrichtung mit einer Empfangseinrichtung zum Empfangen elektromagnetischer Strahlung der Schmelze und einem NIR-Spektrometer, dem die von der Empfangseinrichtung empfangene Strahlung zugeführt wird, vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Analyse der Zusammensetzung einer flüssigen Metallschmelze.
Bei der Metallerzeugung, insbesondere bei der Eisen- und Stahlerzeugung ist eine umfassende und schnelle Analyse der Zusammensetzung der flüssigen Metallschmelze für die Steuerung der einzelnen Behandlungsstufen wichtig. Es ist bekannt, zur Analyse der Schmelze eine Probe aus dem Metallbad zu entnehmen und im Nachgang in einem Labor zu analysieren. Der hiermit verbundene Zeitverzug erschwert jedoch die Prozesssteuerung und den Prozessablauf. Es wird deshalb versucht, die Schmelzenanalyse vor Ort und kontinuierlich vorzunehmen.
Als kontinuierliches in situ Verfahren ist beispielsweise das in WO 97/228591 beschriebene Verfahren bekannt, bei dem in einem gasgefüllten Hohlraum innerhalb der Schmelze durch Energieeintrag ein Plasma erzeugt wird, dessen elektromagnetische Abstrahlung spektroskopisch analysiert wird. Da die Anregung eines Plasmas einen hohen apparativen Aufwand erfordert, ist die Anwendung während der Behandlung des flüssigen Metalls erschwert und eine praktische Anwendung nahezu unmöglich.
Ferner ist es bekannt, Sonden in die Schmelze einzutauchen. Diese sind jedoch nur für die Bestimmung weniger Begleitelemente verfügbar und weisen außerdem eine kurze Lebensdauer auf, so dass eine kontinuierliche Messung nicht möglich ist.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung das Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Analyse der Zusammensetzung einer flüssigen Metallschmelze vorzuschlagen, die mit geringem apparativen Aufwand eine kon tinuierliche Analyse der Zusammensetzung der flüssigen Metallschmelze erlauben.
Dieses Problem wird durch die Vorrichtung und das Verfahren der nebengeordneten Ansprüche 1 bis 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, die ohnehin vorhandene elektromagnetische Abstrahlung der Schmelze zu analysieren. Hierdurch kann erfindungsgemäß auf das Erzeugen eines Plasmas und den damit verbundenen apparativen Aufbau verzichtet werden. Zudem wurde erkannt, dass durch die Analyse mit einem NIR-Spektrometer tatsächlich die Abstrahlung der einzelnen Atome, wie sie auch in der Schmelze vorhanden sind, analysiert wird, während Messungen beispielsweise mit IR-Spektrometern die Abstrahlung von Molekülen analysiert wird. Es wird vermutet, daß die Abstrahlung im NIR-Bereich durch die Interaktion der Atome miteinander erfolgt und nicht, wie wohl bei den Verfahren mit Plasma-Erzeugung durch Energieübergänge in den Atomen selbst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt eine on-line Analyse.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Empfangseinrichtung auf, die die zu analysierende elektromagnetische Strahlung aufnimmt und zu dem bevorzugt beabstandet zu der Schmelze angeordneten NIR-Spektrometer leitet. Die Empfangseinrichtung kann beispielsweise eine Hohl-Rohr, beispielsweise mit Umlenkungen, oder beispielsweise ein Lichtwellenleiter sein, bzw. einen solchen aufweisen. Ebenso kann die Empfangseinrichtung ein Trichter oder eine Linse sowie eine Kombination der vorgenannten Elemente sein.
Im Zusammenhang mit dieser Erfindung wird als near infrared (NIR) elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 0,7 bis 3,0 μm verstanden; insbesondere bevorzugt wird elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 0,7 bis 1,1 μm eingesetzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein NIR-Spektroskop mit einem NIR-Spektrometer und einer Auswerteeinheit verwendet, bei dem die Auswerteeinheit ein von dem NIR-Spektrometer erzeugtes Emissionsspektrum zur Analyse zugeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, zur Analyse der Zusammensetzung einer flüssigen Metallschmelze die elektromagnetische Strahlung der Schmelze mittels der Empfangseinrichtung zu empfangen und einem NIR-Spektrometer zuzuführen. Im NIR-Spektrometer kann die Strahlung in ein Emissionsspektrum überführt werden.
Das Emissionsspektrum wird vorzugsweise mit dem beispielsweise aus der Nahrungsmittelindustrie bekannten Verfahren der Principal Component Regression (PCR) oder Partial Least Squares Regression (PLSR) analysiert. Das prinzipielle Vorgehen bei der Analyse des Emissionsspektrums wird beispielsweise in WO 02/03056 A1 beschrieben, auf die für die Beschreibung einer Spektralanalyse ausdrücklich Bezug genommen und deren Inhalt diesbezüglich durch Bezugnahme Inhalt dieser Beschreibung wird. Ferner wird für Verfahren der PCR und PLSR in gleicher Weise auf Geladi, P., Kowalski B.: „Partial least squares regression: a tutorial", Anal. Chim. Acta 185 (1986), S. 1–17 und De Maesschalck, R. et al.: „The development of calibration models for spectroscopic data using principal component regression", Internet Journal of Chemistry 2 (1999), URL: http://www.ijc.com/articles/1999v2/19/ verwiesen.
Insbesondere bevorzugt wird eine multivariate Spektralanalyse auf das Emissionsspektrum angewendet. Bei einer multivariaten Auswertung können während der Auswertung mehrere Eigenschaften (z. B. spektrale Signaturen mehrere Stoffe) zeitgleich berücksichtigt werden. Hierzu wird beispielsweise in einem ersten Schritt ein statistisches Modell der zu erfassenden spektralen Eigenschaften auf Grundlage von so genannten Kalibrierspektren gebildet. Für die Kalibrierspektren müssen die später zu ermittelnden Eigenschaften bekannt sein. Aus der Matrix der Kalibrierspektren und den bekannten Eigenschaften wird dann eine vorher gewählte Anzahl von Parametern abgeleitet, die das Kalibriermodell beschreiben. Auf Grundlage des Kalibriermodells werden dann die weiteren Spektren analysiert.
Als Kalibrierspektren können beispielsweise für bestimmte Zustände acht Spektren ausgewählt werden, die vor der on-line Analyse unter bekannten Bedingungen aufgezeichnet werden. Mit diesen Spektren wird dann die Kalibriermatrix berechnet und danach die Kohlenstoff- und Phosphorkonzentration sowie die Temperatur aus den Emissionsspektren für die unbekannten Zustände bestimmt.
Insbesondere bevorzugt wird für die Spektrenauswertung auf einen PLSR-Algorithmus zurückgegriffen.
Bei der Anwendung eines PLSR-Algorithmus kann der spektrale Bereich, der bei der Auswertung berücksichtigt wird, eingegrenzt werden. Hierbei ist auch die Auswahl von mehreren unabhängigen Bereichen zulässig. Es wurde beobachtet, daß spektrale Signaturen für Kohlenstoff im gesamten NIR-Spektralbereich möglich sind, wohingegegen bei Phosphor nur der Bereich zwischen 0,7 und 1,1 μm nennenswerte Übergangshäufigkeiten aufweist. Daher wird vorzugsweise mindestens ein auszuwertender Spektralbereich zwischen 0,7 und 1,1 μm positioniert.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. In der einzigen Figur ist ein Schmelztiegel 1, eine rohrförmig ausgebildete Empfangseinrichtung 2 und ein NIR-Spektroskop 3 mit einem NIR-Spektrometer und einer Auswerteeinheit dargestellt. Mittels der Empfangseinrichtung wird die von der im Schmelztiegel 1 gehaltenen Schmelze ausgesandte elektromagnetische Strahlung empfangen und dem NIR-Spektrometer im NIR-Spektroskop 3 zugeführt und analysiert.

Claims

Vorrichtung zur Analyse der Zusammensetzung einer flüssigen Metallschmelze mit – einer Empfangseinrichtung zum Empfangen elektromagnetischer Strahlung der Schmelze und – einem NIR-Spektrometer, dem die von der Empfangseinrichtung empfangene Strahlung zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit, der ein von dem NIR-Spektrometer erzeugtes Emissionsspektrum zur Analyse zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung einen Lichtwellenleiter aufweist.
Verfahren zur Analyse der Zusammensetzung einer flüssigen Metallschmelze, bei dem elektromagnetische Strahlung der Schmelze mittels einer Empfangseinrichtung empfangen und einem NIR-Spektrometer zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung im NIR-Spektrometer in ein Emissionsspektrum überführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine multivariate Spektralanalyse auf das Emissionsspektrum angewendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Analyse spezifische Spektralbereiche selektiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Werten des Emissionsspektrums die Temperatur der Metallschmelze ermittelt wird.