DE102018209840A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Analysieren des Abgases eines Schmelzofens - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Analysieren des Abgases eines metallurgischen Schmelzofens. Zu diesem Zweck wird ein Lichtstrahl in das Abgas des metallurgischen Schmelzofens ausgesendet und nach seinem Durchtritt durch das Abgas empfangen. Um einen zukünftig bevorstehenden Zusammenbruch des Möllers zu erkennen, sieht die vorliegende Erfindung vor, ein den empfangenen Lichtstrahl repräsentierendes Transmissionssignal im Hinblick auf seine Flankensteilheit auszuwerten.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Analysieren des Abgases eines metallurgischen Schmelzofens. Konkret kann die vorliegende Erfindung angewendet werden bei allen primär- und sekundärmetallurgischen Prozessen, bei denen aufgrund der spezifischen Prozesseigenschaften Kavernen im Möller kollabieren können. Bei derartigen Prozessen muss das Schmelzaggregat regelmäßig gestochert werden, um Kaverneneinbrüche und daraus resultierende Ofenbläser zu minimieren, da hierbei signifikante Mengen an unerwünschtem Abgas und Stäuben entstehen. Besonders kritisch sind diesbezüglich Si-Metall- oder FeSi-Schmelzprozesse.
• Der Fachartikel „Measurements of blows in FeSi-Furnaces“ der INFACON7, Norwegen, 1985, beschreibt eine Möglichkeit, Ofenbläser in Ofenkaminen zu ermitteln, in dem eine optische Messung der Trübung des Abgases und eine Temperaturmessung des Abgases durchgeführt werden. Das in dem besagten Artikel beschriebene Verfahren ermöglicht eine Erkennung eines Ofenbläsers jedoch erst dann, wenn er bereits aufgetreten ist bzw. schon begonnen hat.
• Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein bekanntes Verfahren und eine bekannte Vorrichtung zum Analysieren von Abgas bei metallurgischen Schmelzöfen dahingehend weiterzubilden, dass das Auftreten von Ofenbläsern bereits vor deren Eintritt erkannt wird, um geeignete Gegenmaßnahmen einleiten und Ofenbläser somit verhindern zu können.
• Diese Aufgabe wird verfahrenstechnisch durch das in Patentanspruch 1 beanspruchte Verfahren gelöst. Dieses ist dadurch gekennzeichnet, dass das Transmissionssignal ausgewertet wird im Hinblick auf seine Flankensteilheit, wobei auf einen bevorstehenden Zusammenbruch des Möllers erkannt wird, wenn die Flankensteilheit einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Die beanspruchte Auswertung der Flankensteilheit ermöglicht vorteilhafterweise eine zuverlässige Vorhersage über einen in naher Zukunft bevorstehenden Kollaps von Kavernen im Möller. Die erfindungsgemäß mögliche frühzeitige Vorhersage ermöglicht das Einleiten von Gegenmaßnahmen und das unkontrollierte Kollabieren der Kavernen bzw. des Möllers kann somit verhindert werden.
• Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel besteht eine geeignete Gegenmaßnahme den Zusammenbruch des Möllers zuvorzukommen darin, den Möller typischerweise mit einer Stange zu stochern. Geeignete Gerätschaften zum Stochern des Möllers in der sehr heißen Umgebung des Ofens sind im Stand der Technik bekannt.
• Vorzugsweise durchläuft das Transmissionssignal, welches die Trübung des Abgases repräsentiert, eine Rauschunterdrückung bevor es auf seine Flankensteilheit hin ausgewertet wird.
• Das erfindungsgemäß ermöglichte frühzeitige Einleiten von Gegenmaßnahmen vor einem unkontrollierten Zusammenbruch des Möllers ermöglicht vorteilhafterweise eine Verringerung der Abgasmenge und der Abgastemperatur und damit eine Reduzierung von Stickoxiden NOx im Abgasstrom. Außerdem werden aufgrund der geringeren Abgastemperaturen Einbackungen in den Ofenkaminen verringert. Schließlich wird die Produktionsleistung des Ofens erhöht und der Schmelzprozess insgesamt stabiler.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgte die Überprüfung, ob die Flankensteilheit einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, mit Hilfe einer Vergleichereinrichtung. Vorzugsweise wird das Ausgangssignal der Vergleichereinrichtung nur dann als Indikator für den bevorstehenden Zusammenbruch des Möllers bzw. von dessen Kavernen verwendet, wenn es länger als eine vorbestimmte Zeitdauer anhält.
• Mit Hilfe des erfindungsgemäß verwendeten Lichtstrahls, der das Abgas durchquert, wird direkt die Transmission, d. h. die Lichtdurchlässigkeit des Abgases in einem engen Wellenlängenspektrum gemessen. Für diese Art der Messungen, insbesondere für die erfindungsgemäß vorgesehene Auswertung des Lichtsignals ist Laserlicht besonders gut geeignet, weil dabei deutlich geringere Licht-Streuungseffekte auftreten als bei aus dem Stand der Technik bekannten Streulichtmessungen. Die geringere Anfälligkeit des Laserlichtes gegen Streuungseffekte ermöglicht vorteilhafterweise die Generierung eines stabileren und damit insbesondere im Hinblick auf seine Flankensteilheit besser auswertbaren Transmissionssignals.
• Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung eines Lichtstrahls, wie gesagt vorzugsweise eines Laserlichtstrahls mit einer Wellenlänge aus dem Infrarotbereich von 760 nm - 1.400 nm erwiesen. Die Auswahl der konkreten Wellenlänge des Lichtstrahls erfolgt dabei erfindungsgemäß in Abhängigkeit des jeweils von dem Schmelzofen hergestellten Produktes, der chemischen Zusammensetzung des Abgases oder der Größe bzw. Struktur der Partikel im Abgas.
• Die oben genannte Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung zum Analysieren des Abgases eines metallurgischen Schmelzofens gemäß Anspruch 7. Die Vorteile dieser Lösung entsprechen den oben mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren genannten Vorteilen.
• Ergänzend sei erwähnt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Anzeigeeinrichtung aufweist zum optischen oder akustischen Hinweisen einer Bedienperson auf einen bevorstehenden Zusammenbruch des Möllers und die Notwendigkeit zur Einleitung von Gegenmaßnahmen, beispielsweise zum Stochern des Möllers. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Ausgabe dieser Information vorteilhafterweise automatisch.
• Bei dem Schmelzofen kann es sich beispielsweise um einen Elektro-Lichtbogenofen oder um einen Reduktionsofen handeln.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, insbesondere der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Der Beschreibung sind zwei Figuren beigefügt, wobei
• 1 einen Schmelzofen mit einer zugeordneten Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahls und einer Empfangseinrichtung zum Empfangen des Lichtstrahls; und
• 2 eine detaillierte Darstellung der erfindungsgemäßen Auswerteeinrichtung zum Auswerten des Transmissionssignals

zeigt.
• Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiden benannten Figuren in Form von Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben.
• 1 zeigt einen typischen metallurgischen Schmelzofen 200 mit darin befindlichem Möller 210. Nicht dargestellt sind Elektroden zum Schmelzen des Möllers 210. Während des Schmelzprozesses können in dem Möller 210 vorhandene Kavernen zusammenbrechen, was insofern nachteilig ist, als dadurch eine hohe Staubkonzentration im Abgas des Schmelzofens entsteht. Um solche Zusammenbrüche von Kavernen zu vermeiden, ist es bekannt, den Möller zu stochern, beispielsweise mit Hilfe einer Stange 230.
• Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung 100 zum Vorhersagen des Zusammenbruchs des Möllers 210, rechtzeitig bevor dieses Ereignis tatsächlich eintritt durch Analysieren des Abgases. Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung 100 eine Lichtquelle 110 auf zum Aussenden eines Lichtstrahls L in das Abgas 220 des Schmelzofens 200. Weiterhin weist die Vorrichtung eines Empfangseinrichtung 120 auf zum Empfangen des Lichtstrahls L nach dessen Durchtritt durch das Abgas 220 und zum Generieren eines elektronischen Transmissionssignals S_T , welches den empfangenen Lichtstrahl und damit die tatsächliche Trübung des Abgases 220 repräsentiert.
• 2 zeigt den inneren Aufbau einer erfindungsgemäßen Auswerteeinrichtung 130, welche vorgesehen ist zum Auswerten des von der Empfangseinrichtung 120 erzeugten Transmissionssignals S_T im Hinblick auf dessen Flankensteilheit. Zu diesem Zweck wird das Transmissionssignal S_T zunächst optional einer Rauschunterdrückung unterzogen. Dies erfolgt mit Hilfe eines Tiefpassfilters 131, beispielsweise in Form eines Pt1-Filters. Dessen Filterfunktion lautet beispielsweise: $${\text{S}}_{\text{T}}\text{'}\left(\text{t}\right)={\text{S}}_{\text{T}}\text{'}\left(\text{t}-1\right)+\frac{\left(S_T\left(t\right)-S_T\text{'}\left(t-1\right)\right)•T_{Zykl}}{t1}$$

  
• Mit
• S_T= Transmissionssignal
• S_T' = rauschgefiltertes Transmissionssignal
• t1 =
• t = Zeit
• T_Zykl = Zykluszeit in Sekunden
• Am Ausgang dieses Tiefpassfilters 131 steht dann ein weitgehend von Rauschen befreites Transmissionssignal S_T' zur Verfügung. Dieses rauschgefilterte Transmissionssignal S_T' wird einer Gradienten-Erkennungseinheit 132 zugeführt, welche gemäß 2 beispielhaft in Form eines Nachlaufintegrators 132-1 mit nachgeschalteter Subtraktionseinheit 132-2 ausgebildet ist. Die Filterfunktion des Nachlaufintegrators lautet z. B.: $${\text{S}}_{\text{T}}\text{'}\left(\text{t}\right)=\frac{\left(S_T\text{'}\left(t\right)•KL\right)}{Anzah{l}_{Zykl}}$$

  
• Mit
• S_T = Transmissionssignal
• S_T' = rauschgefiltertes Transmissionssignal
• KL =
• Anzahl_Zykl = Anzahl von Zyklen pro Sekunde
• Bei ABGL= 1 wird der Ausgang auf den Eingangswert abgeglichen. Der Speicher wird auf den Eingangswert nachgeführt.
• Die Subtraktionseinheit 132-2 empfängt an ihrem Pluseingang ein Ausgangssignal S_I des Nachlaufintegrators 132-1 und an ihrem Minuseingang das vorgekoppelte Eingangssignal des Nachlaufintegrators, d. h. das Transmissionssignal S_T , vorzugsweise jedoch das rauschgefilterte Transmissionssignal S_T'. Die Subtraktionseinheit 132-2 erzeugt dann durch Differenzbildung der beiden besagten Signale ein Differenzsignal S_D als Indikator für die Flankensteilheit des Transmissionssignals.
• Die besagte Auswertung des Transmissionssignals und damit einhergehend eine sinnvolle Interpretation des Differenzsignals S_D sind insbesondere nur während eines störungsfreien Schmelzbetriebs sinnvoll. Während anderer besonderer Betriebszustände, insbesondere während eines Chargiervorganges ist eine erfindungsgemäße Auswertung des Transmissionssignals bzw. des Differenzsignals nicht sinnvoll und würde zu falschen Interpretationen führen. Deshalb kann das Differenzsignal auf Null geschaltet werden, indem der Nachlaufintegrator 132-1 quasi kurzgeschlossen wird; das an seinem Eingang E anliegende Eingangssignal in Form des Transmissionssignals S_T oder des rauschgefilterten Transmissionssignals S_T' werden dann auf seinen Ausgang durchgeschaltet; sein Ausgangssignal S_I entspricht dann dem jeweiligen Eingangssignal. Dieser Durchlass- bzw. Kurzschlussbetrieb des Nachlaufintegrators 132-1 kann einfach an dessen Abgleicheingang ABGL eingestellt werden. In diesem Betriebszustand, wenn also das Ausgangssignal des Nachlaufintegrators dessen Eingangssignal entspricht, wird das Differenzsignal S_D am Ausgang der Subtraktionseinheit 132-2 zu Null. In diesem Fall wird auch kein sinnvolles Signal auf einer Anzeigeeinrichtung 136 für eine Bedienperson ausgegeben.
• Im Normalfall, insbesondere im störungsfreien Schmelzbetrieb, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 ordnungsgemäß in Betrieb und das Differenzsignal S_D ungleich Null ist, wird dieses innerhalb der Auswerteeinrichtung 130 einer Vergleichereinrichtung 134 zugeführt zum Feststellen, ob die Flankensteilheit des Transmissionssignals S_T einen vorbestimmten Schwellenwert, siehe x in 2, überschreitet. Das Ausgangssignal S_V der Vergleicheeinrichtung 134 dient dann als Indikator für einen bevorstehenden Zusammenbruch des Möllers. Insbesondere wenn dieses Signal das Überschreiten des Schwellenwertes signalisiert, bedeutet dies einen bevorstehenden Zusammenbruch des Möllers. Mit Hilfe der Anzeigeeinrichtung 136 erfolgt dann ein entsprechender optischer oder akustischer Hinweis an eine Bedienperson.
• Die Zuverlässigkeit der Vorhersage über den bevorstehenden Zusammenbruch kann dadurch gesteigert werden, dass das Ausgangssignal S_V der Vergleichereinrichtung 134, bevor es im Hinblick auf den bevorstehenden Zusammenbruch des Möllers interpretiert wird, noch ein Zeitglied 135 durchläuft. Dieses Zeitglied 135 ist ausgebildet, zu prüfen, ob das Ausgangssignal S_V mindestens für eine vorbestimmte Zeitdauer x-sec anhält. Wenn dies der Fall ist, indiziert das Signal S_V mit hoher Wahrscheinlichkeit das Bevorstehen eines Zusammenbruchs des Möllers, weil dann eine irrtümliche Interpretation von lediglich kurzen Impulsen in dem Ausgangssignal S_V der Vergleicheeinrichtung als Hinweis auf den bevorstehenden Zusammenbruch des Möllers vermieden werden.
• Bezugszeichenliste

100

Vorrichtung

110

Lichtquelle

120

Empfangseinrichtung

130

Auswerteeinrichtung

131

Tiefpassfilter

132

Gradienten-Erkennungseinheit

132-1

Nachlaufintegrator

132-2

Subtraktionseinheit

134

Vergleichereinrichtung

135

Zeitglied

136

Anzeigeeinrichtung

200

Schmelzofen

210

Möller

220

Abgas

230

Stange zum Stochern

L

Lichtstrahl

S_D

Differenzsignal

S_I

Ausgangssignal des Nachlaufintegrators

S_T, S_T'

Transmissionssignal, rauschgefiltertes Transmissionssignal

S_V

Ausgangssignal der Vergleichereinrichtung

x-sec

vorbestimmte Zeitdauer

x

Schwellenwert

Claims (14)

1. Verfahren zum Analysieren des Abgases eines einem metallurgischen Schmelzofens (200), aufweisend folgende Schritte: Aussenden eines Lichtstrahls (L) in das Abgas (220) des metallurgischen Schmelzofens (200); Empfangen des Lichtstrahls (L) nach dessen Durchtritt durch das Abgas und Erzeugen eines den empfangenen Lichtstrahl repräsentierenden elektronischen Transmissionssignals (S_T); dadurch gekennzeichnet, dass das Transmissionssignal (S_T) im Hinblick auf seine Flankensteilheit ausgewertet wird, wobei auf einen bevorstehenden Zusammenbruch des Möllers erkannt wird, wenn die Flankensteilheit einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ein Stochern des Möllers veranlasst oder durchgeführt wird, um dem Zusammenbruch des Möllers zuvorzukommen, nachdem das Bevorstehen des Zusammenbruchs erkannt wurde.
3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Transmissionssignal (S_T) eine Rauschunterdrückung, beispielsweise in Form eines Tiefpassfilters (131) durchläuft, bevor es auf seine Flankensteilheit hin ausgewertet wird.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überprüfung, ob die Flankensteilheit einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, mit Hilfe einer Vergleichereinrichtung (134) erfolgt; und dass das Ausgangssignal (S_V) der Vergleichereinrichtung (134) vorzugsweise nur dann als Indikator für den bevorstehenden Zusammenbruch des Möllers interpretiert wird, wenn es länger als eine vorbestimmte Zeitdauer anhält.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Lichtstrahl (L) um einen Laserlichtstrahl handelt.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (L) eine Wellenlänge aus dem Infrarotbereich von 760 - 1.400 nm aufweist, wobei die Auswahl der konkreten Wellenlänge des Lichtstrahls in Abhängigkeit des in dem Schmelzofen hergestellten Produktes erfolgt.
7. Vorrichtung (100) zum Analysieren des Abgases eines metallurgischen Schmelzofens (200), aufweisend: eine Lichtquelle (110) zum Aussenden eines Lichtstrahls (L) in das Abgas (220) des metallurgischen Schmelzofens (200); eine Empfangseinrichtung (120) zum Empfangen des Lichtstrahls (L) nach dessen Durchtritt durch das Abgas (220) und zum Generieren eines elektronischen Transmissionssignals (S_T), welches den empfangenen Lichtstrahl repräsentiert; gekennzeichnet durch eine der Empfangseinrichtung (120) nachgeschaltete Auswerteeinrichtung (130) zum Auswerten des Transmissionssignal (S_T), wobei die Auswerteeinrichtung (130) aufweist: eine Gradienten-Erkennungseinheit (132) zum Erkennen der Flankensteilheit des Transmissionssignals; und eine Vergleichereinrichtung (134) zum Feststellen, ob die Flankensteilheit des Transmissionssignals (S_T) einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, wobei das Aussgangssignal (S_V) der Vergleichereinrichtung (134) als Indikator für einen bevorstehenden Zusammenbruch des Möllers fungiert.
8. Vorrichtung (100) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Anzeigeeinrichtung (136) zum Anzeigen, dass ein Stochern des Möllers zum Beispiel mit einer Stange (230) erforderlich ist, wenn die Flankensteilheit des Transmissionssignals (S_T) den vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
9. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung weiterhin aufweist: - ein der Gradienten-Erkennungseinheit (132) vorgeschaltetes Tiefpassfilter (131), beispielsweise ein Pt1-Filter, zum Herausfiltern von Rauschen aus dem Transmissionssignal (S_T).
10. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gradienten-Erkennungseinheit (132) ausgebildet ist in Form eines Nachlaufintegrators (132-1) mit nachgeschalteter Subtraktionseinheit (132-2) zum Erzeugen eines Differenzsignals (S_D) als Indikator für die Flankensteilheit des Transmissionssignals aus der Differenz zwischen dem Ausgangssignal (S_I) des Nachlaufintegrators und dem vorgekoppelten, vorzugsweise rauschgefilterten Transmissionssignal (S_T, S_T').
11. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gradienten-Erkennungseinheit (132-1) auf einen Durchlassbetrieb umschaltbar ist zum Durchleiten des vorzugsweise rauschgefilterten Transmissionssignals (S_T, S_T') auf die Subtraktionseinheit (132-2).
12. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (130) weiterhin aufweist: ein der Vergleichereinrichtung (134) nachgeschaltetes - und gegebenenfalls der Anzeigeeinrichtung (136) vorgeschaltetes - Zeitglied (135) zum Prüfen, ob das Ausgangssignal (S_V) der Vergleichereinrichtung (134) mindestens für eine vorbestimmte Zeitdauer (x-sec) anhält, wobei nur in diesem Fall auf das Bevorstehen des Zusammenbruchs des Möllers erkannt wird.
13. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Lichtquelle (110) um eine Laserlichtquelle handelt.
14. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schmelzofen (200) um einen Elektroden-Lichtbogenofen oder einen Reduktionsofen handelt.

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