DE10313479A1

DE10313479A1 - Verfahren zur Bestimmung des Volumen-/Massenstroms einer Schmelze in einem metallurgischen Gefäß und Verfahren zum Betrieb eines metallurgischen Gefäßes zur Behandlung einer Schmelze

Info

Publication number: DE10313479A1
Application number: DE2003113479
Authority: DE
Inventors: Horst-Peter Dr. Rüther; Michael Dr. Peters; Oliver Dr. Mielenz; Herbert Dr. Köchner; Rolf Sablotny
Original assignee: ThyssenKrupp Stahl AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Volumen-Massenstroms einer Schmelze in einer metallurgischen Rinne (2). DOLLAR A Aus berührungslos gemessenen Abständen des Bodens (7a) einer leeren Rinne (2) für eine Schmelze und des Schmelzenspiegels (8) von einem Bezugspunkt wird unter Berücksichtigung der Querschnittsgeometrie der Rinne (2) der von der Schmelze durchflossene Strömungsquerschnitt ermittelt. Ein Auswertegerät rechnet aus der von dem Querschnitt und dem Umfang des Schmelzenstroms und dem Neigungswinkel der Rinne (2) bestimmten mittleren Strömungsgeschwindigkeit und dem Strömungsquerschnitt des Schmelzenstroms den Volumenstrom und gegebenenfalls unter Berücksichtigung der Dichte der Schmelze den Massenstrom. Unter Berücksichtigung des Volumen- bzw. Massenstroms der Schmelze, die dem metallurgischen Gefäß entnommen wird, kann dessen Füllgrad bestimmt werden und darüber dann die Behandlung der Schmelze im metallurgischen Gefäß erfolgen.

Description

Für den Betrieb eines metallurgischen Gefäßes zur Behandlung einer Schmelze, insbesondere eines Hochofens, dem Schmelze entnommen wird, ist es wichtig, möglichst genau zu wissen, wieviel Schmelze noch im metallurgischen Gefäß sich befindet. In der heutigen Praxis eines Hochofens wird deshalb die bei jedem Abstich entnommene Roheisenmenge durch Verwiegen der mit dem Roheisen befüllten Torpedopfannen bestimmt. Dazu müssen die Torpedopfannen nach ihrer Befüllung mit Roheisen zu einer vom Befüllungsort entfernt liegenden Verwiegestation transportiert werden. Dafür wird im Regelfall etwa eine halbe Stunde benötigt. Das bedeutet, daß in dieser Zeit keine aktuellen Meßwerte über das noch im Hochofen vorhandene Schmelzenvolumen und damit keine Parameter für die Fahrweise des Hochofens zur Verfügung stehen. Der Betreiber des Hochofens ist in dieser Zeit auf Erfahrungswerte angewiesen.

Die verwendeten Erfahrungswerte sind jedoch aus verschiedenen Gründen ungenau. Die Praxis hat gezeigt, daß beim Abstich eines Hochofens an verschiedenen Abstichlöchern, aber auch an demselben Abstichloch, dem Hochofen aufgrund deutlich unterschiedlicher Volumen-/Massenströme unterschiedliche Volumina bzw. Massen pro Zeiteinheit entnommen werden. Dies liegt daran, daß das Abstichloch für jeden Abstich neu gebohrt wird und deshalb nicht immer genau die gleiche Größe hat. Auch über den Füllgrad der Abstichrinne läßt sich keine Aussage für die pro Zeiteinheit durch die Rinne fließende Schmelze machen, weil sich die Geometrie der Rinne infolge Verschleiß verändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem das Volumen eines durch eine Abstichrinne eines metallurgischen Gefäßes fließenden Schmelzenstroms ermittelt werden kann. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Online-Betrieb eines Hochofens zu entwickeln.

Der erste Aufgabenteil wird bei einem Verfahren zur Bestimmung des Volumenstroms einer Schmelze in einer metallurgischen Rinne, insbesondere Abstichrinne beim Abstich eines metallurgischen Gefäßes, insbesondere eines Hochofens, durch folgende Verfahrensschritte gelöst:

a) Mit einem über der Rinne angeordneten Meßgerät werden berührungslos die Abstände des Bodens der leeren Rinne und des Schmelzenspiegels von einem Bezugspunkt gemessen und einem Auswertegerät zugeführt.
b) Das Auswertegerät errechnet aus den gemessenen Abständen unter Berücksichtigung der Querschnittsgeometrie der Rinne den von der Schmelze durchflossenen Strömungsquerschnitt.
c) Das Auswertegerät errechnet aus der von dem Querschnitt und dem Umfang des Schmelzenstroms und dem Neigungswinkel der Rinne bestimmten, mittleren Strömungsgeschwindigkeit und dem Querschnitt des Schmelzenstroms den Volumenstrom der Schmelze. Dabei kann der Massenstrom aus dem Volumenstrom unter Berücksichtigung der Dichte der Schmelze errechnet werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich in Intervallen oder auch fortlaufend der Volumen- bzw. Massenstrom der Schmelze errechnen, wobei die sich von Abstich zu Abstich aufgrund von Verschleiß verändernde Geometrie der Rinne berücksichtigt wird. Eine direkte Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit erübrigt sich. Durch die Erfassung der Geometrie der Rinne läßt sich nämlich nach einer aus der Strömungsmechanik wohlbekannten Annäherungsgleichung für die mittlere Strömungsgeschwindigkeit diese bestimmen.

Obwohl nur der Abstand des Bodens der Rinne von dem Bezugspunkt vor jedem Abstich gemessen wird, läßt sich dennoch die Geometrie der einem Verschleiß unterliegenden Rinne ziemlich genau bestimmen, wenn nach einer Ausgestaltung der Erfindung dafür ein Verschleißmodell verwendet wird, das für die am Anfang einer jeden Messung ermittelten verschiedenen Abstände des Bodens der Rinne gilt.

Da sich die Geometrie der Rinne während des Abstichs verändert, kann ein Korrekturfaktor eingeführt werden. Dieser kann auf Erfahrung beruhen, kann aber auch meßtechnisch ermittelt werden. Dafür wird nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung aus der ermittelten Veränderung des Abstandes des Bodens der Rinne vor und nach einem Abstich ein Korrekturfaktor für den gemessenen Abstand des Bodens vor den nächsten Abstich gebildet, um den mittleren Abstand während des nächsten Abstiches zu bestimmen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung arbeitet das Meßgerät mit Radarstrahlung. Vorzugsweise strahlt das Meßgerät die Radarstrahlung senkrecht auf den Boden der Rinne/ den Schmelzenspiegel ab und empfängt die senkrecht reflektierte Strahlung.

Mit Radarstrahlung arbeitende Meßgeräte für Durchflußmessungen sind für teilgefüllte Kanäle und Gerinne an sich bekannt („Berührungslose Durchflußmessung an Abwässern", Zeitschrift „Wasser und Boden", 3/01 – Industrieschau (www.blackwell.de/Journale/wabo/0103indu.htm)). Diese Art der Durchflußmessung basiert darauf, daß die Füllstandshöhe des Gerinnes und die Strömungsgeschwindigkeit der das Gerinne durchströmenden Flüssigkeit erfaßt wird. Ein Einsatz eines solchen mit Radar arbeitenden Meßgerätes für die Messung des Volumenstroms bzw. Massenstroms einer Schmelze in einer Abstichrinne ist nicht möglich, weil die Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze nicht unmittelbar erfaßbar ist und der Verschleiß der Rinne nicht berücksichtigt wird.

Der zweite Teil der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betrieb eines metallurgischen Gefäßes zur Behandlung einer Schmelze anzugeben, wird dadurch gelöst, daß die Fahrweise des Gefäßes in Abhängigkeit von dem im Gefäß verbliebenen Volumen bzw. der Masse erfolgt, wobei das entnommene Volumen bzw. die Masse der Schmelze nach dem beschriebenen Verfahren zur Bestimmung des Volumen-/Massenstroms der Schmelze erfolgt.

Im Rahmen der Erfindung kann bei der Bestimmung des Volumen-/Massenstroms der Schmelze nicht nur das schmelzflüssige Metall, sondern auch die schmelzflüssige Schlacke in der metallurgischen Rinne erfasst werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
1 einen Hochofen mit Abstichrinne und Pfanne, sowie einem Meßgerät zur Bestimmung des Volumens-/Massenstroms der Schmelze in der Rinne in schematischer Darstellung und
2 die Abstichrinne gemäß 1 im Querschnitt nach Linie II-II.
Einem Hochofen 1 für Roheisen wird in Intervallen über eine Abstichrinne 2 Roheisen entnommen und in ein Transportgefäß 3, z.B. eine Torpedopfanne 3, geleitet. Über der Abstichrinne 2 möglichst nah am Hochofen 1 ist ein Meßgerät 4 angeordnet, das mit senkrecht auf die Abstichrinne 2 gerichteter Radarstrahlung Abstandsmessungen ausführt. Das Meßgerät 4 liefert die Meßdaten für die Abstände an ein Auswertegerät 5.
Die Abstichrinne 2, die in 2 in vergrößerter Darstellung dargestellt ist, weist in einer Ausmauerung 6 ein Verschleißfutter 7 auf, dessen Boden 7a zunächst halbkreisförmig ist. Beim Abstich füllt sich diese Rinne 2 nur teilweise mit Schmelze. Der Schmelzenspiegel 8 ist in der Zeichnung gestrichelt angedeutet. Der Strom dieser Schmelze führt zu einem Verschleiß des Verschleißfutters 7. In der Zeichnung ist die Verschleißzone 7b angedeutet. Diese Verschleißzone 7b hat natürlich Einfluß auf den durchflossenen Querschnitt der Schmelze. Deshalb wird er bei der erfindungsgemäßen Bestimmung des Volumenstroms der Schmelze berücksichtigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt in der Weise, daß vor jedem Abstich mit dem Meßgerät 4 der Abstand des Bodens 7a von einem Bezugspunkt, z.B. dem Ort des Meßgerätes 4 und später während des Abstiches der Abstand des Schmelzenspiegels 8 von demselben Bezugspunkt gemessen wird. Bei der jungfräulichen Form des Verschleißfutters 7 erfaßt das Meßgerät 4 den halbkreisförmigen Boden 7a. Vor allen folgenden Abstichen wird ein größerer Abstand gemessen. Jedem größeren Abstand entspricht eine bestimmte Geometrie des Bodens 7a. Diese bestimmte Geometrie ist in einem Verschleißmodell festgehalten. Sie wird bei jeder Abstandsmessung bei der Bestimmung der Querschnittsgeometrie berücksichtigt. Da sich die Geometrie während des Abstiches verändert, kann aus einer Abstandsmessung vor und nach einem Abstich der Verschleißgrad während des Abstichs ermittelt werden. Dieser Verschleißgrad kann berücksichtigt werden, um den mittleren Verschleiß während des nächsten Abstiches zu bestimmen. Dadurch wird die Genauigkeit der Bestimmung des Querschnittes der Rinne 7 weiter verbessert.
Die Meßwerte für den Abstand des Bodens 7a der Rinne 2 und des Abstands der Schmelzenspiegels 8 werden an ein Auswertegerät 5 geliefert, das aus diesen Abständen die beschriebenen Bestimmungen des Strömungsquerschnittes unter Berücksichtigung des Verschleißmodells bestimmt. Um den Volumenstrom der Schmelze, d.h. das pro Zeiteinheit durch die Rinne 7 fließende Volumen der Schmelze zu bestimmen, muß noch die Strömungsgeschwindigkeit berücksichtigt werden. Diese Berücksichtigung erfolgt über eine aus der Strömungsmechanik bekannte Annäherungsgleichung für die mittlere Strömungsgeschwindigkeit v
wobei
A_f = Querschnittsfläche des Volumenstroms,
U_f = Querschnittsumfang des Volumenstroms,
α = Neigungswinkel der Abstichrinne,
k = äquivalente Rauhigkeit der Rinne
sind.
Über den so ermittelten Volumenstrom bzw. Massenstrom der dem Hochofen entnommenen Schmelze läßt sich der Füllgrad des Hochofens bestimmen und darüber die Fahrweise des Hochofens steuern.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Volumen-/Massenstroms einer Schmelze in einer metallurgischen Rinne, insbesondere einer Abstichrinne beim Abstich eines metallurgischen Gefäßes, insbesondere eines Hochofens, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Mit einem über der Rinne (2) angeordneten Messgerät (4) werden berührungslos die Abstände des Bodens (7a) der leeren Rinne (7) und des Schmelzenspiegels (8) von einem Bezugspunkt gemessen und einem Auswertegerät (5) zugeführt. b) Das Auswertegerät (5) errechnet aus den gemessenen Abständen unter Berücksichtigung der Querschnittsgeometrie der Rinne (2) den von der Schmelze durchflossenen Strömungsquerschnitt. c) Das Auswertegerät (5) errechnet aus der von dem Querschnitt und dem Umfang des Schmelzenstroms und dem Neigungswinkel der Rinne (2) bestimmten, mittleren Strömungsgeschwindigkeit und dem Strömungsquerschnitt des Schmelzenstroms den Volumenstrom der Schmelze.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswertegerät (5) durch Berücksichtigung der Dichte der Schmelze den Massenstrom errechnet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bestimmung der Querschnittsgeometrie der Rinne (2) ein Verschleißmodell verwendet wird, das für die am Anfang einer jeden Messung ermittelten, verschiedenen Abstände des Bodens (7a) der Rinne (2) gilt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus der ermittelten Veränderung des Abstandes des Bodens (7a) der Rinne (2) vor und nach einem Abstich ein Korrekturfaktor für den gemessenen Abstand des Bodens (7a) vor dem nächsten Abstich gebildet wird, um den mittleren Abstand des Bodens (7a) während dieses nächsten Abstiches zu bestimmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Messgerät (4) mit Radarstrahlung arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Messgerät (4) die Radarstrahlung senkrecht auf den Boden (7a) der Rinne (2) bzw. den Schmelzenspiegel (8) abstrahlt und die senkrecht reflektierte Strahlung empfängt.
Verfahren zum Betrieb eines metallurgischen Gefäßes (1) zur Behandlung einer Schmelze, insbesondere eines Hochofens, dem Schmelze entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrweise des Gefäßes (1) in Abhängigkeit von dem im Gefäß (1) vorhandenen Volumen bzw. der Masse erfolgt, wobei das Volumen bzw. die Masse unter Berücksichtigung des entnommenen Volumens bzw. der Masse bestimmt wird, dessen Volumen- bzw. Massenstrom nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 6 ermittelt wird.