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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen, Steuern und/oder
Regeln des Herausspritzens von Metallpartikeln aus der Oberfläche eines
schmelzflüssigen
Metallbades, wobei sich die Metallschmelze in einem metallurgischen
Gefäß befindet,
in dem ein Unterdruck erzeugt wird. Des weiteren betrifft die Erfindung
eine entsprechende Vorrichtung zum Überwachen, Steuern und/oder
Regeln.
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In
der Flüssigmetallerzeugung
wird die Metallschmelze im Rohzustand häufig in nachgeordneten Einrichtungen
der Sekundärmetallurgie
weiter behandelt, bis ein gewünschter
metallurgischer Zustand der Schmelze erreicht ist. Dies gilt insbesondere
für Rohstahl
aus dem Konverterprozess oder dem Elektroofen-Schmelzprozess.
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Findet
dieser Nachbehandlungsprozess unter Vakuum statt, kann die Schmelze
entkohlt oder entgast werden. Dieser Vakuum-Prozess ist beispielsweise
in dem Beitrag von W. Pietsch: „Vakuum-Verfahrenstechnik
in der Metallurgie" in
Fachberichte Hüttenpraxis
Metallweiterverarbeitung, 19. Jahrgang, Heft 10/81, beschrieben.
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Die
Geschwindigkeit der Entkohlungs- bzw. Entgasungsreaktion wird von
drei Teilvorgängen
bestimmt. Zunächst
findet der Antransport der im flüssigen
Metall gelösten
Elemente, wie Kohlenstoff und Sauerstoff, aus der Metallschmelze
zur Metall/Gas-Phasengrenze statt. Dann kommt es zur Bildung von
in der Metallschmelze unlöslichen
Gasen, z. B. Kohlenmonoxid, an der Phasengrenze. Schließlich erfolgt
der Abtransport der unlöslichen
Gase in den Gasraum im metallurgischen Gefäß; dieser Abtransport wird
in der Regel durch Inertgas, wie etwa Argon, unterstützt.
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Die
Geschwindigkeit der Gesamtreaktion der Entkohlung oder Entgasung
wird durch die Geschwindigkeit der einzelnen genannten Teilvorgänge bestimmt.
Generell hängen
die Stoffstromdichten am Reaktionsort von dem treibenden Konzentrationsgefälle und
den herrschenden Strömungsbedingungen ab.
Unter einem Vakuum werden die Partialdrücke der im Metall unlöslichen
Gase erniedrigt und damit die Reaktionsgleichgewichte der Entkohlung
oder Entgasung herabgesetzt, wodurch sich niedrige Gehalte an gelösten Elementen
im Metall, wie Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff, einstellen
lassen.
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In
der Veröffentlichung
von Y. Kato et al.: „Analysis
of Decarburization Reaction in RH Degasser and its Application to
Ultra-low Carbon Steel Production" in Kawasaki Steel Technical Report,
No. 32, März
1995, S. 24 ff., wird untersucht, wie die zu entgasende
bzw. zu entkohlende Metallschmelze in der Pfanne fließt und wie
sich hieraus die Gaszirkulation im RH-Prozeß darstellt.
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Der
Beitrag von B. Kleimt et al.: „Dynamic model for on-line
Observation of the current process state during RH degassing" in Steel Research
72, 2001, Nr. 9, S. 337 ff., schlägt ein dynamisches Modell für die Vakuum-Umlauf
Entgasung, d. h. für
den RH-Prozess, vor. Anhand der zyklisch erfassten Messwerte für Gefäßdruck,
Fördergasdurchfluss
sowie Abgasdurchfluss und -analyse wird versucht, den aktuellen
Prozesszustand zu berechnen.
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In
allen Fällen,
in denen die Metallschmelze entgast bzw. entkohlt werden soll, ist
es generell erforderlich, dass die gesamte Metallschmelze mit dem Vakuum
möglichst
unmittelbar in Kontakt kommt. Die hierzu notwendige Umwälzung wird
durch Eindüsen von
inerten Gasen, insbesondere von Argon, an einer geeigneten Stelle
erreicht, wobei die Stelle verfahrensabhängig ist. Beim Austreten der
Gasblasen aus der Badoberfläche
wird in nachteiliger Weise Flüssigmetall
mitgerissen. Dies erfolgt in Form von Tropfen unterschiedlicher
Größe bis hin
zu Flüssigmetallballen,
die in das Vakuum geschleudert werden.
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Wird
die Stahlschmelze entkohlt, so verstärkt das entstehende Kohlenmonoxid
die Spritzwirkung erheblich. Bei RH-Anlagen können die Flüssigmetallteilchen mehrere
Meter hoch geschleudert werden. Dieser Prozess wird von verschiedenen
Prozessparametern beeinflusst, insbesondere vom Kohlenstoff- und
Sauerstoffgehalt in der Schmelze, vom Vakuumdruck im Behandlungsraum,
von der Druckabsenkungsgeschwindigkeit, von Umgebungsdruck auf den
Vakuumeenddruck und von der Rührintensität in der
Schmelze durch das eingedüste
Inertgas.
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Das
Verspritzen der Flüssigmetallteilchen führt in nachteiliger
Weise zu Ansätzen
in den oberhalb der Schmelze liegenden Teilen des metallurgischen
Gefäßes. Die
Verfügbarkeit
der Anlage wird hierdurch herabgesetzt, so dass entsprechende negative
wirtschaftliche Auswirkungen die Folge sind. Andererseits ist verfahrensbedingt
der erläuterte
Effekt der Gasabfuhr aus der Schmelze mit der Konsequenz der Blasenbildung
unvermeidlich.
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Der
genannte Prozess wird in der Sekundärmetallurgie für Flüssigstahl
vorrangig in sog. RH-Anlagen und in Tankentgasungsanlagen betrieben.
Die RH-Anlagen weisen ein schlankes metallurgisches Gefäß mit zwei
Tauchrohren auf, die in die in der Pfanne befindliche Stahlschmelze
eingetaucht werden. Der Kopf des Gefäßes ist dabei über eine
Saugleitung mit einer Vakuumpumpe verbunden. Nach dem Eintauchen
der Tauchrohre wird im Gefäß ein Vakuum
aufgebaut, so dass die Stahlschmelze in den Tauchrohren aufsteigt.
Dieser Vorgang wird durch das Eindüsen von Argon mittels einer
Anzahl von Düsenrohren
in ein Tauchrohr verstärkt
und führt
zum Schmelzeumlauf über
den Boden des Gefäßinnenraums.
Eine schnelle Druckabsenkung kann zu einem schnellen Eintritt der
Schmelze in den Gefäßinnenraum
und damit zu starkem Spritzen der Schmelze führen. Zusätzlich einsetzende Reaktionen
zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff verlaufen insbesondere zu Beginn
der Entkohlung so heftig, dass Schmelzepartikel mehrere Meter hoch
in das metallurgische Gefäß geschleudert
werden. Die Stärke
dieses Vorgangs korreliert mit der Intensität der Entkohlung (Entkohlungsintensität).
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Abhängig ist
dieser Prozess insbesondere von der Geometrie der Anlage, dem Inertgasstrom, dem
Behandlungsdruck, dem Kohlenstoffgehalt in der Schmelze und dem
Sauerstoffgehalt in der Schmelze.
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Schwierig
ist es dabei, die Entkohlungsintensität zeitnah zu erfassen, da die
Auswertung von Abgasmesswerten konzeptbedingt nur zeitversetzt erfolgen
kann. Generell hat der Entkohlungsverlauf eine einheitliche Charakteristik.
Am Anfang der Behandlung ist die Entkohlungsintensität am stärksten und
nimmt mit der Zeit ab. Während
der Entkohlungsphase werden Schmelzepartikel aus der hochturbulenten
Schmelzeoberfläche
in das Innere des Entgasungsgefäßes geschleudert.
Das führt
zu einem erhöhten
Metallstaubaustrag mit möglichen
Anbackungen in der Vakuumpumpe. Weiterhin kommt es zu Verbärungen (Anbackungen)
im Vakuumgefäß selber,
bei heftigem Spritzen auch bis in den Bereich der Saugöffnung,
so dass die Saugleistung auf Grund einer verkleinerten Öffnung abnehmen
kann. Das macht es dann erforderlich, dass das Gefäß gewechselt
werden muss; dies wiederum hat entsprechende wirtschaftliche Nachteile
zur Folge.
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Tankentgasungsanlagen
bestehen aus einem tankähnlichen
metallurgischen Gefäß mit Deckel,
in das die Pfanne hineingeschoben wird. Der Saugstutzen für die Vakuumpumpe
ist seitlich am Gefäß oder auf
dem Deckel angebracht. Die Rühr wirkung
in der Pfanne wird mittels Eindüsung
von z. B. Argon durch den Pfannenboden erreicht. Damit wird im Laufe
der Behandlung die gesamte Schmelze immer wieder an das Vakuum herangeführt. Gleichzeitig
wird über
die aufsteigenden Argonblasen der Entgasungs- bzw. Entkohlungsvorgang
angeregt.
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Beim
Durchtritt durch die Badoberfläche
werden ebenfalls Flüssigmetall-Schlackegemische
in Tropfen- oder Ballenform mitgerissen, was wiederum zu Verbärungen im
Innenraum des metallurgischen Gefäßes führt. Ablagerungen am Deckel
haben z. B. in nachteiliger Weise zur Folge, dass es zu einer Gewichtszunahme
infolge herabhängender
Anbackungen kommt. Die genannten Verbärungen entstehen infolge des
geringen Abstandes zwischen Badspiegel und Deckel.
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Demgemäß ist es
zwar erforderlich, zwecks Erreichen eines effizienten Prozesses
ein gewisses Spritzverhalten der erläuterten Weise in der Schmelze
zu haben, jedoch darf das Spritzen nicht zu groß sein, damit die metallurgische
Anlage nicht übermäßig belastet
wird.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem
bzw. mit der es möglich
ist, einen verbesserten Behandlungsprozeß zu fahren, wobei insbesondere
die Beaufschlagung der Anlage mit Verbärungen herabgesetzt und damit
die Verfügbarkeit
der Anlage erhöht wird.
Es soll also möglich
sein, bei dem in Rede stehenden Prozess einen besseren Einfluss
auf das Spritzverhalten bei der Schmelzebehandlung zu nehmen, um
den Prozess optimiert zu betreiben.
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Diese
Aufgabe wird durch die Erfindung verfahrensgemäß dadurch gelöst, dass
zumindest ein Teil des oberhalb des Badspiegels liegenden Bereichs
von einem Erfassungsgerät
beobachtet wird, wobei das Erfassungsgerät eine physikalische und/oder
geometrische Größe erfassen
kann, die ein Maß für die Intensität des Herausreißens von
Flüssigmetallpartikeln
aus dem Bad ist.
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Die
erfasste Größe ist gemäß einer
ersten Weiterbildung die Lichtstärke
in einem erfassten Raumwinkel. Es kann alternativ dazu auch vorgesehen
sein, dass die erfasste Größe ein Muster
des Spritzbildes der herausgerissenen Flüssigmetallpartikel in einem
erfassten Bildausschnitt ist. Ferner kann alternativ die erfasste
Größe die Projektionsfläche der
herausgerissenen Flüssigmetallpartikel
in einem erfassten Bildausschnitt sein. In letzterem Falle kann
vorgesehen werden, dass die Geschwindigkeit der Änderung der Projektionsfläche der
herausgerissenen Flüssigmetallpartikel
in einem Bildausschnitt erfasst wird. Ferner kann die Größenverteilung
der Projektionsfläche
der herausgerissenen Flüssigmetallpartikel
in einem Bildausschnitt erfasst werden. Die Lichtstärke, das
Muster des Spritzbildes, die Geschwindigkeit der Partikel oder die
Projektionsfläche kann
dabei von einer Kamera erfasst werden.
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Alternativ
hierzu kann vorgesehen werden, dass die erfasste Größe die Wärmestrahlung
im Bildausschnitt, d. h. des beobachteten Bereichs, ist.
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Die
physikalische oder geometrische Größe wird bevorzugt durch eine
vakuumdicht verschlossene Öffnung,
insbesondere durch einen Beobachtungsstutzen, im metallurgischen
Gefäß hindurch
erfasst.
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Die
erfasste physikalische und/oder geometrische Größe wird gemäß einer besonders bevorzugten
Ausgestaltung der Erfindung einer Steuerung oder Regelung zugeleitet,
die so eine Einflussnahme auf einen Prozessparameter nimmt, dass
die erfasste Größe bei einem
vorgegebenen Wert oder innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs
liegt.
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Der
beeinflusste Prozessparameter kann dabei der Wert des Unterdrucks
im metallurgischen Gefäß und/oder
die Änderungsgeschwindigkeit
des Unterdrucks sein. Der beeinflusste Prozessparameter kann auch
der Zufuhr-Mengenstrom ei nes in das metallurgische Gefäß eingeleiteten
Gases, insbesondere von Argon, sein.
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Der
Steuerung oder Regelung können
weiterhin ermittelte Werte einer Analyse des Abgases aus dem metallurgischen
Gefäß und/oder
des Mengenstroms des Abgases zugeführt und verarbeitet werden.
Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass die Analyse des Abgases aus
dem metallurgischen Gefäß die Ermittlung
des Sauerstoffgehalts, des Kohlendioxidgehalts und/oder des Kohlenmonoxidgehalts umfasst.
Die Analyse des Abgases aus dem metallurgischen Gefäß kann dabei
den Verlauf der Entkohlung umfassen.
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Bei
der Vorrichtung zum Überwachen,
Steuern und/oder Regeln des Herausspritzens von Metallpartikeln
aus der Oberfläche
eines schmelzflüssigen
Metallbades, die ein metallurgisches Gefäß, in dem sich eine zu behandelnde
Metallschmelze befindet, sowie Mittel zum Erzeugen eines Unterdrucks
im metallurgischen Gefäß umfaßt, ist
erfindungsgemäß vorgesehen,
dass sie weiterhin ein Erfassungsgerät aufweist, das zur Auswertung
zumindest eines Teils des oberhalb des Badspiegels liegenden Bereichs ausgebildet
und geeignet ist, wobei das Erfassungsgerät zur Erfassung einer physikalischen
und/oder geometrischen Größe geeignet
ist, die ein Maß für die Intensität des Herausreißens von
Flüssigmetallpartikeln
aus dem Bad ist.
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Das
Erfassungsgerät
kann ein Lichtstärkemesser
sein. Alternativ hierzu kann es eine Kamera sein, die mit einer
Bilderkennungseinheit in Verbindung steht. Es kann auch ein Thermometer
sein, insbesondere ein Strahlungsthermometer.
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Das
metallurgische Gefäß kann eine
vakuumdicht verschlossene Öffnung,
insbesondere einen Beobachtungsstutzen, aufweisen.
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Die
Vorrichtung kann weiterhin eine Steuerung oder Regelung aufweisen,
die zur Einflussnahme auf einen Prozessparameter ausgebildet ist.
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Schließlich sieht
eine Weiterbildung vor, dass das metallurgische Gefäß ein Entnahmeelement
zur Entnahme von Gas aus dem Inneren des metallurgischen Gefäßes aufweist.
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Die
Erfindung sieht somit vor, dass das Spritzen infolge des Herausreißens von
Schmelzepartikeln messtechnisch erfasst wird, wobei bevorzugt das
Messergebnis in geeigneter Weise so aufbereitet wird, dass der Messwert
kontinuierlich als Regelgröße ermittelt
wird. Die ermittelte Regelgröße kann dann
in einer Regelung so ausgewertet werden, dass das Spritzverhalten
beeinflussende Betriebsparameter an den Prozessablauf so angepasst
werden, dass ein angestrebter Spritz-Grad erzielt wird. Dieser soll groß genug
sein, damit der gewünschte
Prozess der Entkohlung bzw. Entgasung stattfinden kann, er soll jedoch
klein genug sein, dass störende
Verbärungen verhindert
werden.
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Die
Messung des Spritzverhaltens kann durch kontinuierliche optische
Aufnahme des Spritzbildes durch einen Beobachtungsstutzen mit anschließender Bildauswertung
erfolgen. Es ist aber auch möglich,
dass eine kontinuierliche Messung der Lichtintensität erfolgt,
gemessen durch einen Beobachtungsstutzen mit entsprechender nachfolgender Auswertung.
Möglich
ist ferner die Messung der Temperaturstrahlung, ebenfalls gemessen
durch einen Beobachtungsstutzen mit anschließender Auswertung.
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Im
einfachsten Falle erfolgt eine Auswertung eines ermittelten Spritz-Bildes
durch Zählung
der Anzahl und Größe der Projektionsflächen der
Spritzer, was ein Maß für die Spritzintensität ist. Es
kann auch eine Ermittlung der Änderungsgeschwindigkeit
und der Größenverteilung
der Projektionsflächen
der Spritzer erfolgen.
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Die
Regelung der gewünschten
Spritzhöhe und
damit auch der Entgasungs- und Reaktionsgeschwindigkeiten kann beispielsweise
durch Regelung der Geschwindigkeit der Druckabsenkung und/oder durch
Regelung der zugeführten
Argonmenge erfolgen.
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Die
Regelung der Geschwindigkeit der Druckabsenkung kann durch eine
Regelung des Vakuumpumpensystems erfolgen, wie sie an sich bei der
gegenständlichen
Technologie bekannt ist. Hierdurch wird eine präzise Anpassung der Geschwindigkeit
der Druckabsenkung und somit der Spritzhöhe gewährleistet.
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Vorteilhaft
sind weiterhin die Durchführung einer
Abgasanalyse und die Abgasdurchflussmessung zur Messung der Entkohlungsgeschwindigkeit, da
dadurch eine Messwertverfälschung
verhindert wird. Dies ist bei einer Dampfstrahlvakuumpumpe mit verstellbarer
Düsennadel
mit der erforderlichen Genauigkeit möglich. Andere bekannte Systeme
zur Saugleistungsregelung, wie Falschlufteinlass und Abgasrückführung, verfälschen die
Abgasanalyse und die Abgasdurchflussmessung am Austritt der Vakuumpumpe.
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Vorteilhaft
ist auch die Installation einer Entnahmevorrichtung der für die Abgasanalyse
benötigten
Gasmenge unter Vakuum, um die Zeitverzögerung, die durch das große Volumen
insbesondere der Kondensatoren entsteht, zu vermeiden. Hierzu kann der
Anschluss einer kleinen Vakuumpumpe, z. B. eines Dampfstrahlers,
an einer geeigneten Stelle vor dem ersten Mischkondensator vorgesehen
werden.
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Effizient
ist eine diskrete Regelung des Argondurchflusses für jedes
Düsenrohr
zur Eindüsung der
erforderlichen Argonmenge am Tauchrohr. Hierdurch wird der Prozess
insbesondere in seinem Spritz- und Reaktionsverhalten noch präziser und
gezielter einstellbar.
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Weiterhin
kann eine Bestimmung des Endzeitpunktes der Entkohlung und somit
des Einflusses der Reaktion auf die Spritzhöhe während der Behandlung durch
eine kombinierte Auswertung der Messwerte der Spritzstärke, der
Abgasanalyse und des Abgasstroms erfolgen.
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Mit
dem vorgeschlagenen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung
ist es möglich,
das Spritzverhalten in der Schmelze so zu beeinflussen, insbesondere
so zu regeln, dass die Höhe
des Spritzens einen definierten und vorgegebenen, unschädlichen
Wert nicht überschreitet,
wobei gleichzeitig jedoch die Spritzhöhe immer noch ausreichend ist,
um
- – eine
optimale Behandlung des Flüssigmetalls
zu erreichen,
- – insbesondere
den eingangs erläuterten
RH-Prozess auf eine vorgegebene Bauhöhe anzupassen und
- – bei
RH-Anlagen mit geringer Bauhöhe
sichere Betriebsbedingungen und eine ausreichende Anlagenverfügbarkeit
zu erreichen.
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Von
Vorteil ist weiterhin folgendes:
Es ergibt sich eine optimale
Spritzhöhe
in einer RH-Anlage und auch in einer Tankentgasungsanlage bei vorgegebener
Gefäßgeometrie
bzw. Deckelhöhe, wodurch
eine optimierte Behandlungszeit bei verbesserter Verfügbarkeit
der Anlage möglich
wird.
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Es
ist ein sicherer Betrieb kurzer RH-Gefäße möglich, wodurch die Möglichkeit
besteht, die Gefäßhöhe an bauliche
Gegebenheiten anpassen und Gefäßhöhen optimieren
zu können.
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Weiterhin
ist eine Erzielung reproduzierbarer Entkohlungsergebnisse möglich, d.
h. der Endpunkt der Entkohlung kann gesicherter als bislang erreicht werden
kann.
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Die
Erfindung beruht im wesentlichen auf der Überlegung, dass das Spritzverhalten
der Schmelze nicht nur wie bisher visuell, d. h. qualitativ erfasst wird,
sondern darüber
hinaus in Höhe
und Umfang quantitativ in Echtzeit bewertet und zur Anlagensteuerung
genutzt wird. Dazu werden bevorzugt über einen Mess- bzw. Beobachtungsstutzen,
der an einer geeigneten Stelle des metallurgischen Gefäßes bzw. an
einem Aufbau darüber,
insbesondere am Vakuumgefäß, angeordnet
ist, Messwerte bzw. Bilder des Spritzverhaltens erfasst und in einem
nachgeordneten System ausgewertet.
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Messwerte
aus der Wärmestrahlungs-
und Lichtintensitätsmessung
können
dabei direkt verarbeitet werden. Allerdings können hiermit zumeist der Umfang
und die Form des Spritzens nicht eindeutig erfasst werden. Diese
Möglichkeit
ergibt sich bei der Auswertung der Bilder, die eine Kamera vom Spritzbild
aufgenommen hat. Hierbei werden bevorzugt die Projektionsflächen des
Spritzer oder Ballen gezählt bzw.
aufsummiert, wobei über
Mittelwertbildungen aus Bildsequenzen das Spritzverhalten gut bewertet werden
kann.
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Insbesondere
bei RH-Anlagen kann eine optimierte Steuerung des Gasflusses nach
der erläuterten
on-line Messung erfolgen, der für
die Umwälzung eingestellt
wird, wobei bevorzugt eine Einzelregelung der einzelnen Gasröhrchen im
Tauchrohr eingesetzt wird. Die zusätzliche Abgasanalyse erlaubt
eine Verkürzung
des Zeitversatzes zwischen dem Entstehen des Gasgemisches im Vakuum
und der Darstellung der Analyse über
die Analyse des Abgases, das über einen
getrennten Vakuumpumpenzweig auf Atmosphärendruck verdichtet werden
kann.
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Die
Ergebnisse dieser Auswertungen werden über ein nachgeschaltetes Steuerungs-
oder Regelungssystem zum Steuern bzw. Regeln der Druckabsenkungsgeschwindigkeit,
vorzugsweise über
die Einstellung der Saugleistung der Dampfstrahlpumpe mittels einer
oder mehrerer Düsennadeln,
sowie des Argondurchflusses verwendet. Parallel dazu kann über eine
Abgasanalyse für
Sauerstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid der Entkohlungsverlauf
gemessen werden, der das Spritzverhalten der Schmelze mit beeinflusst.
Die Druckabsenkung kann durch eine entsprechende Vakuumpumpencharakteristik
unterstützt
werden.
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Die
Kombination aus Spritzbewertung und Abgasanalyse liefert besonders
gute Bewertungskriterien für
die Steuerung bzw. Regelung des Spritzverhaltens der Schmelze im
Vakuum.
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Damit
kann die Behandlungsdauer von Metallschmelzen, insbesondere die
Entgasung und Entkohlung von Stahlschmelzen, optimiert werden, wobei
gleichzeitig eine Verbesserung der Verfügbarkeit der Anlage erreichbar
ist. Dies kommt dem Anspruch nach kürzeren Durchlaufzeiten und
größeren Schmelzenfolgen
entgegen, d. h. es wird ein höherer Durchsatz
möglich.
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 einen
Schnitt durch eine Vorrichtung zur Entgasung und Entkohlung einer
Metallschmelze; und
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2 schematisch
eine Regeleinrichtung zur Regelung des Entgasungs- bzw. Entkohlungsprozesses
in der Anlage gemäß 1.
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In 1 ist
ein metallurgisches Gefäß 4 dargestellt,
in dem ein Metallbad 3, d. h. eine Metallschmelze, eingefüllt ist,
in die von oben zwei Tauchrohre 12 und 13 eines über dem
metallurgischen Gefäß 4 angeordneten
angrenzenden Anlagen teils 8 in Form eines Umlauf-Vakuumgefäßes ragen.
Im oberen Bereich des Vakuumgefäßes 8 ist
eine Unterdruckleitung 14 angeschlossen, über die
entstehende Gase abgezogen werden, so dass im Inneren des Vakuumgefäßes 8 ein
Vakuum entsteht. Mit Hilfe eines Liftgases (Argon) gelangt die Schmelze 3 durch das
Tauchrohr 12 im Kreislauf durch das Vakuumgefäß 8 und
das andere Tauchrohr 13 zurück in das metallurgische Gefäß 4.
Mit 16 ist die Stelle markiert, an der Argon eingegeben
wird.
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Durch
den Entgasungs- bzw. Entkohlungsprozess im metallurgischen Gefäß 4 bzw.
im Vakuumgefäß 8,
durch den der Schmelze 3 Gase entzogen werden, werden aus
der nach oben in das Vakuumgefäß 8 gesaugten
Oberfläche 2 des
Schmelze Metallpartikel 1 herausgerissen. Diese Partikel
spritzen in einen oberhalb des Badspiegels liegenden Bereich 5,
wie es in 1 angedeutet ist. Die Intensität des Herausreißens von
Partikeln 1 aus der Schmelze 3 ist dabei ein Maß für den Ablauf
des Prozesses.
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Über einen
Eingabestutzen 15 kann Material in das metallurgische Gefäß eingegeben
werden, beispielsweise ein Legierungsmittel.
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Im
metallurgischen Gefäß bzw. hier
im Vakuumgefäß 8 befindet
sich eine vakuumdicht verschlossene Öffnung 7 in Form eines
Beobachtungsstutzens. Durch die Öffnung 7 kann
der Bereich 5 zumindest teilweise eingesehen werden. Es
ist vorgesehen, dass ein Überwachen,
ein Steuern und/oder ein Regeln des Herausspritzens von Metall-
bzw. Schmelzepartikeln 1 aus der Oberfläche 2 des schmelzflüssigen Metallbades 3 erfolgt.
Weiterhin wird zumindest ein Teil des oberhalb des Badspiegels liegenden
Bereichs 5 von einem Erfassungsgerät 6 ausgewertet, wobei
das Erfassungsgerät 6 eine
physikalische und/oder geometrische Größe erfassen kann, die ein Maß für die Intensität des Herausreißens von
Flüssigmetallpartikeln 1 aus
dem Bad 3 ist.
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Im
Ausführungsbeispiel
ist das Erfassungsgerät 6 eine
Kamera, die durch den Beobachtungsstutzen 7 den Bereich 5 einsieht,
und zwar über
einen gewissen Raumwinkel. Aufgenommen wird dabei das Bild, das
sich oberhalb der Oberfläche 2 ergibt und
das durch die herausgerissenen Schmelzepartikel 1 bestimmt
wird.
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Das
Erfassungsgerät 6 ist
in der Lage, eine physikalische oder geometrische Größe zu messen, die
ein Maß für den Ablauf
des Entgasungs- und Entkohlungs-Prozesses
im Vakuumgefäß 8 ist,
d. h. des Maßes,
in dem Metallpartikel 1 aus der Oberfläche 2 der Schmelze 3 herausgerissen
werden.
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Im
Ausführungsbeispiel
beobachtet die Kamera 6 die Projektionsfläche der
herausgerissenen Flüssigmetallpartikel 1 in
dem von ihr erfassten Bildausschnitt. Je größer die Projektionsfläche der
Partikel 1 ist, desto stärker ist die Reaktion. Demgemäß kann über ein
Regelsystem auf die Intensität
des Prozesses unmittelbar Einfluss genommen werden.
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Dies
ist in 2 schematisch gezeigt. Dort ist – allerdings
nur sehr schematisch – eine
Regeleinrichtung dargestellt, mit der die Regelung der Intensität des Prozesses
in der Anlage gemäß 1 erfolgen
kann.
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Die
Kamera 6, die, am Beobachtungsstutzen 7 den Prozess
beobachtet, liefert das aufgenommene Signal an eine Bilderkennungseinheit 11,
die die ebenfalls erwähnte
Bild-Auswertung vornimmt. Das sich ergebende Maß IIst für die Ist-Intensität des Herausschleuderns
von Partikeln 1 aus der Schmelze 3 wird einem
Regler 9 zugeleitet, der auch mit einem Sollwert für die Intensität ISoll versorgt wird. Der Sollwert ist so gewählt, dass
einerseits eine hinreichende Reaktion vorliegt, andererseits jedoch
die metallurgische Anlage nicht übermäßig mit
Metallpartikeln 1 bespritzt wird.
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Dementsprechend
beeinflusst der Reger 9 mit entsprechenden Stellsignalen
eine Anzahl von Dampfstahl-Vakuumpumpen 10, insbesondere
deren Leistung, mit denen auf den Unterdruck im Vakuumgefäß 8 Einfluss
genommen werden kann. Die Dampfstrahl-Vakuumpumpe ist hier beispielhaft
als vierstufige Pumpe mit vier Dampfstrahlern 10 ausgebildet.
Es sind aber auch andere Ausführungen
von Dampfstrahl-Vakuumpumpen oder auch mechanisch arbeitende Vakuumpumpen
nach dem gleichen Prinzip vorstellbar.
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Je
höher das
Vakuum im Vakuumgefäß 8 ist, desto
größer ist
die Geschwindigkeit des Prozesses im Gefäß 8. Damit besteht
die Möglichkeit,
in der erläuterten
Weise Einfluss auf den Entgasungs- und Entkohlungsprozess zu nehmen
und die Reaktionsgeschwindigkeit der Entgasung in einem optimalen Bereich
zu halten. Dies erfolgt – wie
aus der dargelegten Vorgehensweise sofort hervorgeht – anhand schnell
messbarer und regelbarer Parameter, so dass die Regelung keine Totzeit
hat.
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Zwischen
bzw. hinter den Dampfstrahl-Vakuumpumpen 10 sind Kondensatoren 17, 18, 19 angeordnet.
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Um
Gas aus dem Prozess näher
zu untersuchen und seine Zusammensetzung zu bestimmen, ist neben
der an sich bekannten Gasentnahmestelle 20 am Ende der
Anlage eine weitere Gasentnahmestelle 21 vorgesehen. Hier
kann ebenfalls Gas entnommen werden, wobei mittels einer oder mehrerer
Pumpen 22 die entnommene Gasprobe auf Umgebungsdruck gebracht
werden kann.
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Mit
dem vorgeschlagenen Verfahren ist es möglich, beliebige Metallschmelze
hinsichtlich ihrer Reaktionsgeschwindigkeit bei der Vakuumbehandlung
zu beurteilen und dann auch entsprechend zu steuern bzw. zu regeln.
Es ist bevorzugt für
das RH-Verfahren (Umlaufentgasungsverfahren, d. h. Entgasung und
Entkohlung im Vakuum-Umlauf-Verfahren) geeignet, kann beispielsweise
aber gleichermaßen auch
bei der Behandlung von Schmelzen in Vakuumtranks eingesetzt werden.
Ferner kann das Verfahren auch beim DH-Verfahren oder beim REDA-Verfahren
sowie bei anderen Verfahren eingesetzt werden.
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- 1
- Metallpartikel
- 2
- Oberfläche der
Schmelze
- 3
- Metallbad
- 4
- metallurgisches
Gefäß
- 5
- oberhalb
des Badspiegels liegender Bereich
- 6
- Erfassungsgerät (Kamera)
- 7
- vakuumdicht
verschlossene Öffnung
(Beobachtungsstutzen)
- 8
- angrenzendes
Anlagenteil (Vakuumgefäß)
- 9
- Regelung/Regler
- 10
- Mittel
zum Erzeugen eines Unterdrucks (Dampfstrahl-Vakuumpumpen)
- 11
- Bilderkennungseinheit
- 12
- Tauchrohr
- 13
- Tauchrohr
- 14
- Unterdruckleitung
- 15
- Eingabestutzen
- 16
- Stelle
der Argon-Eingabe
- 17
- Kondensator
- 18
- Kondensator
- 19
- Kondensator
- 20
- Gasentnahmestelle
- 21
- Gasentnahmestelle
- IIst
- Ist-Intensität
- ISoll
- Soll-Intensität