DE102022001718A1

DE102022001718A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion einer Wasserleckage in einem metallurgischen Schmelzofen

Info

Publication number: DE102022001718A1
Application number: DE102022001718.0A
Authority: DE
Inventors: Hans Georg Conrads
Original assignee: Cth Conrads Tech und Holding Ag; Cth Conrads Technologie und Holding Ag
Current assignee: Cth Conrads Tech und Holding Ag; Cth Conrads Technologie und Holding Ag
Priority date: 2022-05-16
Filing date: 2022-05-16
Publication date: 2023-11-16
Also published as: WO2023222149A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zu Detektion einer Wasserleckage in einem metallurgischen Schmelzofen. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Dabei wird eine Wasserleckage in einem Kühlrohr oder Wasserrohr eines Ofengefäßes dadurch detektiert, dass eine zeitaufgelöste Messung einer Abgaskenngröße, wie der Wassermenge, am Abgasauslass sowie eine geregelte Druckschwankung, also eine Variation des Druckes, des Kühlkreislaufes miteinander kombiniert und korreliert wird. Die Variation des Wasserdruckes führt im Falle einer Leckage zu einer Variation der Austrittsmenge des Wassers in das Ofengefäß, welche zeitlich zur Variation des Druckes des Kühlkreislaufes korreliert ist. Mittels einer Bestimmung der Korrelation dieser Signale kann eine Auswerteeinrichtung einen auf einer Wasserleckage basierenden Zusammenhang ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion einer Wasserleckage in einem metallurgischen Schmelzofen, welcher ein Ofengefäß aufweist, dessen Wandungen wenigstens teilweise aus mit Kühlwasser durchflossenen Wasserrohrwänden bestehen, sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
In einem metallurgischen Schmelzofen, wie beispielsweise einem Lichtbogenofen, werden Metalle eingeschmolzen und nachfolgend vergossen. Dafür werden im Inneren eines solchen metallurgischen Schmelzofens besonders hohe Temperaturen benötigt, sodass die Materialien innerhalb des Ofengefäßes Temperaturen von bis zu 3500 °C standhalten müssen. Derartige Temperaturen stellen eine besondere Herausforderung für die verwendeten Anlagen dar.
Die einzelnen Bestandteile eines metallurgischen Schmelzofens, welche mit dem flüssigen Metall sowie mit den heißen Abgasen in Berührung kommen, sind daher entweder aus Feuerfestmaterial oder aus wassergekühlten Bauteilen gefertigt. Einige Teile des metallurgischen Schmelzofens, insbesondere das Ofengefäß, bestehen wenigstens abschnittsweise aus Wasserrohrwänden, in welchen Wasserrohre verlaufen, durch die während des Betriebes Kühlwasser fließt. Das reduziert die Gefahr einer Beschädigung oder Zerstörung der Wände des Ofengefäßes durch das geschmolzene Metall und die heißen Abgase.
Es ist allerdings ein häufiges Problem, dass die starken, auf die Wasserrohrwände einwirkenden thermischen Belastungen, insbesondere aufgrund der großen Temperaturunterschiede, zu Leckagen in den Wasserrohrwänden führen. Daraus resultiert ein Einströmen von Wasser in den metallurgischen Schmelzofen.
Grundsätzlich entsteht im metallurgischen Schmelzofen Wasser auch durch Verbrennungsprozesse innerhalb des Ofengefäßes, so beispielsweise durch eine Verbrennung von zugegebenem Erdgas oder Wasserstoff. Des Weiteren wird am Anfang des Schmelzzyklus Wasser durch die in das Ofengefäß eingefügten metallischen Bauteile eingetragen. Ein weiterer Wasseranteil stammt von senkrecht fixierten Graphitelektroden, an denen zur Kühlung Wasser hinunter in das Ofengefäß läuft. Das im Ofengefäß vorhandene Wasser verdampft und wird über die Abgaseinrichtungen abgeführt. Selbst im Fall einer Leckage stammt jedoch der Großteil des im Abgas vorhandenen Wassers aus den vorgenannten Quellen.
Problematisch ist bei dem zusätzlich über Wasserleckagen in das Ofengefäß eindringenden Wasser, dass es unbestimmt und lokal an einer Stelle eintritt, sodass sich das eindringende Wasser an bestimmten Stellen ansammeln kann. Das resultiert daraus, dass die zu schmelzenden metallischen Bauteile, wie beispielsweise Schrott, in der Regel unregelmäßig aufgebaut sind und zahlreiche taschenförmige Hohlräume aufweisen können, in denen das Wasser wenigstens teilweise verbleibt und dadurch nicht vollständig verdampft. Das sich an bestimmten Stellen in flüssiger Form angesammelte Wasser kann im Zeitverlauf zu einer beständig größer werdenden Wasserblase anwachsen. Wenn es im weiteren Verlauf des Schmelzzyklus des aus Metall bestehenden Schrotts durch fortschreitende Erhitzung zu einer Berührung von sehr heißem, flüssigem Metall mit einer solchen Wasserblase kommt, besteht die Gefahr einer explosionsartigen Verdampfung. Daraus können schwere Beschädigungen des metallurgischen Schmelzofens oder sogar dessen Zerstörung resultieren. Darüber hinaus stellen aus dem metallurgischen Schmelzofen austretende, eventuell herumspritzende Metallmassen eine große Gefährdung für die in der Umgebung des metallurgischen Schmelzofens Arbeitenden dar.
Es gibt verschiedene Ansätze, um eine solche Wasserleckage zu detektieren, wobei diese Ansätze bisher mit längerfristigen Ofenbilanzen gerechnet werden. Aufgrund des hohen Prozessrauschens können derartige Betrachtungen jedoch nicht als zuverlässiger Indikator verwendet werden, da der dispersive Effekt des gesamten Vorgangs, insbesondere der Eintrag in den Schmelzofen, die Verdampfung im Prozess und auch der Austrag durch den Abgaskanal, zu unbestimmt und von einer Reihe von Faktoren abhängig ist. Dabei ist das Prozessrauschen die durch stochastische Schwankungen und Quereffekte verursachte Beeinflussung von Prozessgrößen, wie beispielsweise Durchfluss, Druck, Temperatur oder Wassergehalt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass man die jeweiligen Größen in komplexen verfahrenstechnischen Prozessen nie isoliert messen kann, da sie meist von anderweitig auftretenden Abläufen beeinflusst werden. So wird der Wassereintrag in das Abgas beispielsweise von diversen Quellen gespeist, die sich zeitlich und örtlich nicht klar bestimmen lassen und sich im gemessenen Signal überlagern. So führt das Ein- und Ausschalten eines Brenners sowie das spontane Verdampfen des Wassers in einer Schrottcharge regelmäßig zu einem sprunghaften Anstieg oder Wechsel des Wasseranteils im Abgas.
Im Gegensatz dazu ist der Wassereintrag aus einer Leckage ein schleichend einsetzender, gleichförmiger Prozess, welcher zu einem vergleichsweise geringen Wassereintrag führt. Das durch eine Leckage eingetragene Wasser führt zu einem konstanten Hintergrund an Wasserdampf im durch den Abgasauslass ausströmenden Abgas, was eine eindeutige Erkennung einer Wasserleckage mit Verfahren aus dem Stand der Technik schwierig bis unmöglich gestaltet. Dieses Hintergrundsignal des durch die Leckage eingetragenen Wassers vergrößert sich nur sehr langsam, teils über Wochen. Es sind sehr genau Material- und Ofenbilanzen nötig, um einen solchen Wasseranteil sicher detektieren zu können. Selbst der Einsatz neuronaler Netze zur Auswertung der Signalverläufe hat sich bisher als sehr schwierig erwiesen, da ein solches Netz nicht in einem realen Ofen trainiert werden kann, da dies zu gefährlich wäre.
Auch die Bilanzierung der Kühlwasserkreisläufe, bei denen untersucht wird, welche Wassermenge pro Zeiteinheit in die Wasserkühlung ein- und wieder austritt, führt nicht zu zuverlässigen Ergebnissen. Eine Wasserleckage, durch welche beispielsweise 3 m³ Wasser pro Stunde in das Ofengefäß entweicht, ist zu gering, um bei einem Gesamtdurchfluss von ca. 900 m³ pro Stunde zuverlässig detektierbar zu sein. Außerdem können Wasserleckagen auch außerhalb des Ofens an zahlreichen weiteren Stellen auftreten.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine einfache sowie kostengünstige Möglichkeit zur Verfügung zu stellen, um Wasserleckagen in einem metallurgischen Schmelzofen trotz eines hohen Prozessrauschens zuverlässig zu detektieren.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird insbesondere durch ein Verfahren zur Detektion einer Wasserleckage in einem metallurgischen Schmelzofen gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren läuft mittels eines metallurgischen Schmelzofens, einer Abgasmesseinrichtung zur Messung wenigstens einer Abgaskenngröße, eines Druckreglers sowie einer Auswerteeinrichtung ab.
Der metallurgische Schmelzofen weist dabei ein Ofengefäß, dessen Wandungen wenigstens teilweise aus mit Kühlwasser durchflossenen Wasserrohrwänden bestehen, einen Deckel und einen Abgasauslass auf.
Die Abgasmesseinrichtung ist in Abgasströmungsrichtung nach dem Abgasauslass angeordnet und ist datentechnisch mit der Auswerteeinrichtung verbunden. Je nach exakter Anordnung der Abgassmesseinrichtung werden detektierte Leckagen auf unterschiedliche Bereiche festgelegt. Nach einer vorteilhaften Variante ist die Abgasmesseinrichtung nah hinter dem Abgasauslass angeordnet, wodurch vorteilhaft vermieden werden kann, dass weitere Wasserquellen einen Beitrag leisten. Ein weiterer Vorteil einer solchen Anordnung ist, dass Leckagen, welche erst nach dem Ofengefäß, also im Abgasrohr, auftreten, keinen Beitrag leisten. Da eine Leckage gerade in den Wasserrohrwänden des Ofengefäßes ein erhöhtes Gefährdungspotenzial besitzt, ist es vorteilhaft, wenn klar ist, ob es sich wirklich um eine Leckage im Ofengefäß handelt. Eine Leckage im Abgaskanal ist hingegen in Bezug auf ihr Gefährdungspotenzial unbedenklich.
Ferner ist die Auswerteeinrichtung auch mit dem Druckregler datentechnisch verbunden. Der Druckregler kann den Druck des Kühlwassers in den Wasserrohrwänden einstellen und regeln.
Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte:

a) Beaufschlagen des Kühlwassers mit einer Druckschwankung, also einer Variation des Druckes über die Zeit, mittels des Druckreglers;
b) Messen des Verlaufs einer Abgaskenngröße, also Ermittlung der Messwerte im zeitlichen Verlauf, mittels der Abgasmesseinrichtung;
c) Ermittlung der Korrelation des Verlaufs der Druckschwankung des Kühlwassers mit dem Verlauf der Abgaskenngröße durch die Auswerteeinrichtung. Dafür wird eine Korrelationsfunktion genutzt;
d) Ausgabe der Korrelation durch die Auswerteeinrichtung.

Das Ergebnis der Korrelation kann nach jedem Auswertezyklus innerhalb der Auswerteeinrichtung verarbeitet werden, sodass lediglich bei Eintreffen bestimmter Voraussetzungen ein Signal ausgegeben wird, oder die Korrelation wird nach jedem Auswertezyklus ausgegeben.
Bevorzugt liefert die Auswerteeinrichtung beim Vorliegen vorher bestimmter Kriterien ein Ausgabesignal, beispielsweise ein Warnsignal.
Bevorzugt wird zur Ermittlung der Korrelation gemäß Schritt c) der Verlauf der Druckschwankung an die Auswerteeinrichtung weitergeleitet oder in die Auswerteeinrichtung eingegeben. Des Weiteren erfolgt eine Weiterleitung des Ergebnisses der Messung gemäß Schritt b) an die Auswerteeinrichtung.
Der Verlauf eines Parameters ist im Sinne der Erfindung eine Reihe von Werten dieses Parameters, welche nacheinander bestimmt wurden. Es wird also die zeitliche Entwicklung dieses Parameters dargestellt.
Das Beaufschlagen des Kühlwassers mit einer Druckschwankung ist im Sinne der Erfindung eine Variation des Druckes über die Zeit, wobei der Druck nach oben und/oder nach unten von einem mittleren Druck abweichen kann. Der Druck ist dabei der Druck des Kühlwassers in den Kühlwasserrohren der Wasserrohrwände.
Eine Abgaskenngröße ist ein Parameter des Abgases, beispielsweise der Anteil oder die Menge von im Abgas enthaltenem Wasser oder der Druck des Abgases oder die Temperatur des Abgases. Das charakteristische Muster aufgrund der Druckbeaufschlagung kann vorteilhaft in unterschiedlichen Parametern oder Prozessgrößen abgelesen werden. Somit können vorteilhaft unterschiedliche Abgaskenngrößen für die Korrelationsmessung verwendet werden und als sicherer Indikator für die Leckage dienen.
Unter einer Korrelation wird im Sinne der Erfindung eine Beziehung zwischen zwei Signalfolgen, hier also der Verlauf der Abgaskenngröße und der Druckschwankung über die Zeit, verstanden. Wenn ein Zusammenhang der Verläufe erkennbar ist und folglich ein Zusammenhang zwischen den Verläufen besteht, so kann dies an der Korrelation abgelesen werden. Wenn man bestimmte Werte und Grenzen in Abhängigkeit von der gewählten Auswertemethode und Korrelationsfunktion festlegt, so kann nach dem Ergebnis der Korrelation entschieden werden, ob eine Leckage vorliegt. Da dies ein statistischer Prozess ist, können die Grenzen je nach gewünschter und notwendiger Wahrscheinlichkeit von korrekten oder fehlerhaften Warnsignalen gewählt werden.
Ein Vorteil dieser Methode ist, dass ein Signal auch dann ermittelt werden kann, wenn andere Möglichkeiten von Wassereinträgen in das Ofengefäß hinzukommen. Eine geringe korrelierte Schwankung der am Abgasauslass ermittelten Wassermenge aufgrund einer Leckage kann auch dann zuverlässig detektiert werden, wenn die Schwankung der Wassermenge aufgrund anderer Prozesse sehr groß ist.
Auch wenn die Wassermengen, welche durch die anderen Quellen in den Ofenprozess eingetragen werden, insbesondere in Verbindung mit deren zeitlicher Unbestimmtheit, dazu führen, dass das zu detektierende Signal sehr gering ist, so kann doch durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Auswertung gelingen. Vorteilhaft gelingt mittels der Korrelation der Druckschwankung des Kühlwassers in den Wasserrohrwänden mit den Messwerten der Wassermenge im Abgas eine sichere Detektion von Leckagen in den Wasserrohrwänden des Ofengefäßes.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass auch wenn sich ein Teil des durch eine Leckage in das Ofengefäß eintretenden Wassers an einer Stelle in flüssiger Form ansammelt, so wird immer auch ein Teil des Wassers verdampfen. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert darauf, dass der verdampfte Teil des Wassers, welcher durch den Abgasauslass ausströmt, das Signal der Abgasmesseinrichtung beeinflusst.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens sind innerhalb der Wasserrohrwände wenigstens zwei unterschiedliche Abschnitte mit Kühlwasser durchflossen, welche gemäß Schritt a) mit unterschiedlichen Druckschwankungen beaufschlagt werden und wobei eine Korrelation gemäß Schritt c) für jeden der Abschnitte durchgeführt wird. Die Druckschwankungen können dabei beispielsweise in der Frequenz und/ oder in der Amplitude variiert werden.
Die verschiedenen Abschnitte bilden bevorzugt unterschiedliche Kühlkreisläufe. Bei verschiedenen Kühlkreisläufen können in jedem Kreislauf unterschiedliche Druckverlaufsmuster aufgeprägt werden. Dies kann in den Kreisläufen sowohl zeitversetzt, also in zeitlicher Abfolge, als auch zeitgleich passieren. Wenn die Muster unterschiedlich sind, so wird man den Kreislauf, welcher eine Leckage aufweist, durch die entsprechende Korrelation detektieren. Je nach Charakteristik der Abgaskenngröße und der dadurch ermittelten Korrelation entspricht die Korrelation der Charakteristik der Druckbeaufschlagung in einem oder in mehreren Abschnitten. Vorteilhaft kann dadurch festgestellt werden, in welchem Abschnitt oder in welchen Abschnitten die Leckage vorliegt.
Nach einer möglichen Ausgestaltung sind innerhalb der Wasserrohrwände zwischen den Abschnitten Ventile angeordnet. Diese ermöglichen unterschiedliche Charakteristiken einer Druckbeaufschlagung auch bei verbundenen Abschnitten oder miteinander verbundenen Kühlkreisläufen. Ein Einbau von Ventilen teilt einen Kühlkreislauf in unterschiedliche Abschnitte oder Zonen ein, welche dann getrennt voneinander auf Leckagen kontrolliert werden können.
Bevorzugt ist die in Schritt b) gemessene Abgaskenngröße die Gasgeschwindigkeit und/oder der Wasseranteil und/oder die Wassermenge und/ oder der Druck des Abgases und/ oder die Temperatur des Abgases.
Bei der Variante des Verfahrens, bei dem die gemessene Abgaskenngröße die Gasgeschwindigkeit ist, zeigt folgendes Rechenbeispiel die Vorteile des Verfahrens.
Eine typische Leckage führt zu einem Eintritt von ca. 1 - 2 I Wasser pro Sekunde in das Ofengefäß. 1 I Wasser verursacht unter Normaldruck ein Volumen von ca. 1,7 m³ Wasserdampf. Wenn allerdings eine Temperatur von über 1000 °C vorliegt, so ergibt dies ein Volumen von ca. 7 m³ Wasserdampf. Daraus ergibt sich ein Volumenstrom von ca. 25.000 - 50.000 m³/h. Da durch den Abgasauslass jedoch in der Regel im Betrieb ca. 500.000 m³/h an Ofengas strömen, führte eine sehr starke Modulation des Wasserdrucks mit einem Faktor 2 zu einer Änderung von ca. 10.000 m³/h was lediglich 2 % des Durchsatzes entspräche. Dabei ist berücksichtigt, dass eine Leckage analog zu einer Blende betrachtet werden kann. Somit führt nach einer Abschätzung unter Berücksichtigung der Bernoulli-Gleichung eine Druckerhöhung von 50 % zu einer Durchflusserhöhung von 20 %.
Aufgrund von typischem Prozessrauschen kann eine solche Änderung weder statistisch noch einmalig sicher erkannt werden. Unter Verwendung einer häufig korrelierten Wiederholung tritt sie jedoch deutlich zutage und kann als sicheres Maß einer Leckageerkennung dienen.
Für die Variante des Verfahrens, bei der direkt der Wasseranteil durch die Abgasmesseinrichtung gemessen wird, kann eine weiter erhöhte, also verbesserte, Sensitivität des Verfahrens festgestellt werden. Es muss dabei nicht zwingend die Änderung der Gesamtzusammensetzung der Abgase gemessen werden, sondern lediglich die relative Veränderung des Wassers.
Andere Prozesse, durch welche es zu einem Wassereintrag in das Ofengefäß kommt, sind beispielsweise der Gasbrenner oder die Wasserkühlung der Elektroden, deren Wasser an den Elektroden in das Ofengefäß läuft und dort unmittelbar verdampft. Dies führt zu einem Eintrag von Wasser von ca. 100 l/min. Außerdem werden durch den Brenner bis zu 2000 m³/h an Methan in das Ofengefäß eingetragen.
Auch durch die Schrottcharge kann ein deutlich größerer Wasseranteil in einer kurzen Zeiteinheit auftreten, der innerhalb des Schmelzzyklus jedoch schnell wieder verschwindet. Ein Wassereintrag einer solchen Schrottcharge ist für die Korrelation jedoch unerheblich, da dieser Wassereintrag in keinem Zusammenhang mit der Druckschwankung im Kühlwasser steht.
Die direkte Detektion der Wassermenge am Abgasauslass verbessert die Möglichkeiten einer Leckagedetektion gegenüber einer Messung des Durchsatzes der gesamten Abgasmenge am Abgasauslass aufgrund des verbesserten Signal-Rausch-Verhältnisses. Dadurch kann die benötigte Druckschwankung reduziert werden, was die mechanische Belastung der Bauteile minimiert. Das Kühlwasser wird typischerweise bei ca. 25 - 35 °C in den Kühlwasserkreislauf eingespeist und erfährt somit bei einem nominellen Durchsatz eine Temperaturüberhöhung von ca. 15 °C. Da eine Erhöhung des Drucks die Bauteile langfristig mehr belastet, eine Verringerung des Drucks jedoch zu einem Anstieg der Wasseraustrittstemperatur führt, ist eine geringe Schwankung um einen geeigneten Wasserdruck wünschenswert. Da bei einer Schwankung von nur 10 % des Druckes lediglich eine Änderung des Wasseraustrittes von knapp 5 % zu erwarten ist, ist eine optimierte Auswertung notwendig.
Eine mögliche Variante des Verfahrens sieht vor, dass die Druckschwankung in Schritt a) periodisch ist.
Nach einer alternativen Variante ist die Druckschwankung in Schritt a) nicht periodisch. Dabei entspricht die Druckschwankung in Schritt a) bevorzugt einer Fibunacci-Folge oder einer Ipatov-Folge. Vorteilhaft entsteht so am Abgasaustritt ein zeitlich markantes Signal, welches keine Periodizität aufweist und über einen längeren Zeitraum eine starke Signalentropie beinhaltet.
Eine nicht periodische Druckschwankung wiederholt sich ebenfalls nach einer bestimmten Zeiteinheit. Die Zeiteinheit, nach welcher eine solche Druckschwankung wiederholt wird, ist bevorzugt größer als eine halbe Stunde.
Die Messzyklen müssen nicht zwingend besonders kurz gewählt werden, um die Gefährdung zu reduzieren. Dabei ist zu beachten, dass eine Havarie aufgrund von explosionsartigen Verdampfungsprozessen innerhalb des Ofengefäßes nicht zwangsläufig bei jedem Schmelzzyklus auftritt. Eine Wasserleckage kann lange unentdeckt bleiben und sich vergrößern, wodurch die in das Ofengefäß eintretende Wassermenge steigt. Wenn sich allerdings durch eine entsprechende Schrottanordnung oder andere chargenbedingt wechselnde Geometrien im Ofengefäß eine Wasseransammlung im unteren Bereich des Ofengefäßes bilden kann, so kann dies zu einer spontanen Explosion führen.
Die Zeitkonstanten müssen so gewählt werden, dass die relative Flankensteilheit der tatsächlichen Wassermengenänderung mit einer Korrelation noch sicher erkannt werden kann. Die Signale zur Änderung des Wasserdruckes können im Zeitbereich von mehreren 10 s bis hin zu einigen Minuten liegen. Mehrere Signalzüge aus diversen Schmelzvorgängen können so zu einem korrelierbaren Signalzug zusammengefasst werden.
Eine vorteilhafte Variante des Verfahrens sieht vor, dass eine Filterung im Frequenzspektrum in Anpassung an die Druckschwankung des Wasserdruckes gemäß Schritt a) erfolgt, wodurch das Signal der Abgasmesseinrichtung angepasst wird. Dadurch erfolgt vorteilhaft eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses.
Das Kühlwasser wird bevorzugt mit einem Druck von 6 bar durch die Kühlrohre geleitet. Vorzugsweise sieht eine Druckschwankung mittels des Druckreglers gemäß Schritt a) eine Variation des Druckes um +2 bar nach oben und -2 bar nach unten vor. Eine geeignete Druckschwankung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10 % bis 50 % des Druckes, um den die Schwankung erfolgt, also in der Regel des Mittelwertes.
Durch eine derartige Variation des Wasserdruckes würde im Falle einer Leckage die Austrittsmenge des Wassers je Zeiteinheit kontrolliert mit dem Wasserdruck leicht verändert.
Eine mögliche Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Korrelation gemäß Schritt c) eine Kreuzkorrelation ist. Für den Fall, dass sich ein klares Maximum der Kreuzkorrelation ergibt, kann davon ausgegangen werden, dass eine Wasserleckage vorhanden ist. Die Kreuzkorrelation hat dann das Zeitmuster der Wasserdruckveränderung im Abgassignal, also im Signal der Abgasmesseinrichtung, wiedergefunden.
Die Verwendung einer Kreuzkorrelation hat den Vorteil, dass dadurch auch aus einem stark gestörten oder verrauschten Signal ein Nutzsignal gewonnen werden kann. Relevant ist dabei die Verwendung einer ausreichenden zeitlichen Länge des Signals, bei der das Signal genügend statistische Informationen enthält.
Die sichere Herausbildung eines Maximums der Kreuzkorrelation ermöglicht eine sichere Detektion einer Wasserleckage. Störsignale durch andere Wassereinträge, welche einer anderen zeitlichen Dynamik unterliegen, werden durch eine Kreuzkorrelation so stark unterdrückt, dass eine Detektion selbst kleiner Wasserleckagen möglich ist. Kleine Wasserleckagen sind dabei im Sinne der Erfindung Leckagen mit einem Wasseraustritt von 1 - 10 Liter pro Sekunde oder 1 bis 5 Liter pro Sekunde oder 1 bis 2 Liter pro Sekunde.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Messung gemäß Schritt b) mittels Spektroskopie. Spektroskopie ist im Sinne der Erfindung ein Messverfahren, welches optische Prinzipien unter Betrachtung der einzelnen Wellenlängen des ausgewerteten Signals nutzt. Dabei wird bevorzugt eine laserbasierte Emissionsmessung oder eine laserbasierte Absorptionsmessung eingesetzt.
Aufgrund der Verwendung von optischen Messsystemen, welche mittels Spektroskopie arbeiten, kann durch eine Messung von Emissions- oder Absorptionsspektren in spezifischen Wellenlängenbereichen eine Bestimmung der Abgaszusammensetzung der Abgase erfolgen. Ein solches optisches Messsystem ist bevorzugt im oder am Abgasrohr angeordnet. Dabei können bevorzugt Onlinesysteme oder auch extraktive Systeme verwendet werden, welche einen Teilstrom des Abgases durch eine wassergekühlte Lanze absaugen. Optische Messsysteme sind vorteilhaft geeignet, eine zeitauflösende Analyse der Abgaszusammensetzung zu ermöglichen. Vorteilhaft kann somit die Wassermenge am Abgasauslass direkt gemessen werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass der metallurgische Schmelzofen als Lichtbogenofen mit Elektroden als Heizeinrichtung ausgebildet ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, aufweisend einen metallurgischen Schmelzofen, eine Abgasmesseinrichtung zur Messung wenigstens einer Abgaskenngröße gemäß Schritt b), einen Druckregler zur Beaufschlagung des Druckes des Kühlwassers mit einer Druckschwankung gemäß Schritt a) und eine mit dem Druckregler datentechnisch verbundene Auswerteeinrichtung zur Durchführung der Korrelation gemäß Schritt c).
Dabei weist der metallurgische Schmelzofen ein Ofengefäß, dessen Wandungen wenigstens teilweise aus mit Kühlwasser durchflossenen Wasserrohrwänden bestehen, und einen Abgasauslass auf. Die Abgasmesseinrichtung ist in Abgasströmungsrichtung nach dem Abgasauslass angeordnet und datentechnisch mit der Auswerteeinrichtung verbunden.
Vorzugsweise ist der metallurgische Schmelzofen als Lichtbogenofen mit Elektroden als Heizeinrichtung ausgebildet.
Bevorzugt weist der metallurgische Schmelzofen einen Deckel, besonders bevorzugt einen schwenkbaren Deckel, auf.
Besonders bevorzugt bestehen die mit Kühlwasser durchflossenen Wasserrohrwände aus wenigstens zwei Abschnitten, welche mittels mehrerer Druckregler mit unterschiedlichen Druckschwankungen beaufschlagbar sind. Dabei können zwischen den Abschnitten Ventile angeordnet sein.
Konzeptionsgemäß wird eine Wasserleckage in einem Kühlrohr oder Wasserrohr eines Ofengefäßes dadurch detektiert, dass eine zeitaufgelöste Messung einer Abgaskenngröße, wie der Wassermenge, am Abgasauslass sowie eine geregelte Druckschwankung, also eine Variation des Druckes, des Kühlkreislaufes miteinander kombiniert und korreliert wird. Die Variation des Wasserdruckes führt im Falle einer Leckage zu einer Variation der Austrittsmenge des Wassers in das Ofengefäß, welche zeitlich zur Variation des Druckes des Kühlkreislaufes korreliert ist. Mittels einer Bestimmung der Korrelation dieser Signale kann eine Auswerteeinrichtung einen auf einer Wasserleckage basierenden Zusammenhang ermitteln. Eine vorteilhafte Ausführung sieht dabei verschiedene Kühlkreisläufe vor, auf die unterschiedliche Druckverlaufsmuster aufprägbar sind. Dies ermöglicht zusätzlich zu Detektion der Leckage auch, in welchem Abschnitt, also in welchem Kühlkreislauf, sie auftritt. Dadurch kann die Position der Leckage vorteilhaft eingegrenzt und somit effizienter ermittelt werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigt:

1: einen metallurgischen Schmelzofen.

In 1 ist ein metallurgischer Schmelzofen 1 zum Schmelzen von Metall dargestellt, welcher ein Ofengefäß 2 mit einer Metallschmelze 3 sowie einen schwenkbaren Deckel 4 aufweist. Im Wandbereich des Ofengefäßes 2 sind wasserdurchflossene Wasserrohrwände 5, also Wände, welche mit Wasserrohren 6 durchzogen sind, angeordnet. Die Wasserrohre 6 der Wasserrohrwände 5 gewährleisten eine Wasserkühlung aufgrund des durch die Wasserrohre 6 hindurchfließenden Kühlwassers 7. Dadurch wird das Ofengefäß 2 vor Beschädigungen durch die hohen Temperaturen der Metallschmelze 3 geschützt.
Am Ofengefäß 2 ist eine Heizeinrichtung 6 angeordnet, welche drei Elektroden 7 aufweist. Die in das Ofengefäß 2 hineinragenden Elektroden 7 sind bevorzugt für eine Speisung mit Dreiphasenwechselstrom ausgebildet. Die Elektroden 7 erzeugen Lichtbögen 10, deren Wärme genutzt wird, um das Metall im Ofengefäß 2 zu schmelzen. Am Ofengefäß 2 sind ferner ein Gasbrenner 11 sowie ein als Sauerstofflanze 12 ausgebildetes Sauerstoffzuführelement 12 angeordnet.
Die durch die Verbrennungs- und Schmelzprozesse innerhalb des Ofengefäßes 2 entstehenden Abgase werden durch einen Abgasauslass 13 in ein Abgasrohr 14 geleitet. An diesem an den Abgasauslass 13 anschließenden Abgasrohr 14 ist zur Ermittlung der Abgaskenngrößen sowie zur Überwachung der entstehenden Abgase ferner eine Abgasmesseinrichtung 15 angeordnet, welche zur Messung einer oder mehrerer Abgaskenngrößen ausgebildet ist. Das Abgas strömt dabei durch den Abgasauslass 13, passiert eine Luftzuführöffnung 14, welche hier als Luftzuführring 16 ausgebildet ist, und strömt daran anschließend an wenigstens einer Abgasmesseinrichtung 15 vorbei.
Alternativ ist die Abgasmesseinrichtung 15 in Abgasströmungsrichtung R vor der Luftzuführöffnung 16 angeordnet. Eine Anordnung der Abgasmesseinrichtungen 15 nach der Luftzuführöffnung 16 hat allerdings konstruktive Vorteile, da dieser Bereich des Abgasrohres 14 thermisch vom Ofengefäß 2 getrennt werden kann. Dadurch erfolgt eine Reduzierung der thermischen Belastungen für die Abgasmesseinrichtung 15.
Am Abgasrohr 14 ist im weiteren Verlauf nach der Luftzuführeinrichtung ein Kühler 17 zum Kühlen des Abgasstromes und ein Filter 18 zur Abscheidung von Feststoffteilchen aus dem Abgas angeordnet. Das Abgas wird nachfolgend durch den Saugzug 19 und in den Schornstein 20 geleitet.
Zur Detektion einer Leckage an den Wasserrohrwänden 5 wird das in die Wasserrohre 6 der Wasserrohrwände 5 einfließende Kühlwasser 7 mittels eines Druckreglers 21 mit einer Druckschwankung beaufschlagt. Die Druckschwankung des Kühlwassers, also der zeitliche veränderte Druck des Kühlwassers 7, wird mit dem Verlauf einer an der Abgasmesseinrichtung 15 gemessenen Abgaskenngröße verglichen. Dafür wird das Signal der Abgaskenngrößen mittels eines Datenkabels 22 an eine Auswerteeinrichtung 23 weitergeleitet. Der Verlauf der Druckschwankung des Wassers 15 wird vom Druckregler 21 ebenfalls über ein Datenkabel 22 an die Auswerteeinrichtung 23 weitergeleitet. Die Auswerteeinrichtung 23 ermittelt die Korrelation der zeitlichen Variation des Druckes des Kühlwassers 7 mit dem Verlauf der an der Abgasmesseinrichtung 15 gemessenen Abgaskenngröße, wodurch Zusammenhänge erkannt und eine zuverlässige Leckagedetektion möglich ist.
Bezugszeichenliste

1: Metallurgischer Schmelzofen, Lichtbogenofen
2: Ofengefäß
3: Metallschmelze
4: Deckel
5: Wasserrohrwand
6: Wasserrohr
7: Kühlwasser
8: Heizeinrichtung
9: Elektrode
10: Lichtbogen
11: Gasbrenner
12: Sauerstoffzuführelement, Sauerstofflanze
13: Abgasauslass
14: Abgasrohr
15: Abgasmesseinrichtung
16: Luftzuführöffnung, Luftzuführring
17: Kühler
18: Filter
19: Saugzug
20: Schornstein
21: Druckregler
22: Datenkabel
23: Auswerteeinrichtung
R: Abgasströmungsrichtung

Claims

Verfahren zur Detektion einer Wasserleckage in einem metallurgischen Schmelzofen (1) mittels • eines metallurgischen Schmelzofens (1), aufweisend ein Ofengefäß (2), dessen Wandungen wenigstens teilweise aus mit Kühlwasser (7) durchflossenen Wasserrohrwänden (5) bestehen, und einen Abgasauslass (13), • einer in Abgasströmungsrichtung (R) nach dem Abgasauslass (13) angeordneten Abgasmesseinrichtung (15) zur Messung wenigstens einer Abgaskenngröße, • eines Druckreglers (21) zur Einstellung des Druckes des Kühlwassers (7) in den Wasserrohrwänden (5) sowie • einer mit der Abgasmesseinrichtung (15) und dem Druckregler (21) datentechnisch verbundenen Auswerteeinrichtung (23), folgende Schritte umfassend: a) Beaufschlagen des Kühlwassers (7) mit einer Druckschwankung mittels des Druckreglers (21), b) Messen des Verlaufs einer Abgaskenngröße mittels der Abgasmesseinrichtung (15), c) Ermittlung der Korrelation des Verlaufs der Druckschwankung des Kühlwassers (7) mit dem Verlauf der Abgaskenngröße durch die Auswerteeinrichtung (23), d) Ausgabe der Korrelation durch die Auswerteeinrichtung (23).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Wasserrohrwände (5) wenigstens zwei unterschiedliche Abschnitte mit Kühlwasser (7) durchflossen sind, welche gemäß Schritt a) mit unterschiedlichen Druckschwankungen beaufschlagt werden und wobei eine Korrelation gemäß Schritt c) für jeden der Abschnitte durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Wasserrohrwände (5) zwischen den Abschnitten Ventile angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt b) gemessene Abgaskenngröße die Gasgeschwindigkeit und/oder der Wasseranteil und/oder die Wassermenge ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckschwankung in Schritt a) periodisch ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckschwankung in Schritt a) nicht periodisch ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckschwankung in Schritt a) einer Fibunacci-Folge oder einer Ipatov-Folge entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelation gemäß Schritt c) eine Kreuzkorrelation ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung gemäß Schritt b) mittels Spektroskopie erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung eine laserbasierte Emissionsmessung oder eine laserbasierte Absorptionsmessung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallurgische Schmelzofen (1) als Lichtbogenofen (1) mit Elektroden (9) als Heizeinrichtung (8) ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend • einen metallurgischen Schmelzofen (1) mit einem Ofengefäß (2), dessen Wandungen wenigstens teilweise aus mit Kühlwasser (7) durchflossenen Wasserrohrwänden (5) bestehen, und einem Abgasauslass (13) sowie • eine in Abgasströmungsrichtung (R) nach dem Abgasauslass (13) angeordnete Abgasmesseinrichtung (15) zur Messung wenigstens einer Abgaskenngröße gemäß Schritt b), • einen Druckregler (21) zur Beaufschlagung des Druckes des Kühlwassers (7) mit einer Druckschwankung gemäß Schritt a) und • eine mit dem Druckregler (21) und mit der Abgasmesseinrichtung (15) datentechnisch verbundene Auswerteeinrichtung (23) zur Durchführung der Korrelation gemäß Schritt c).