DE1803211A1 - Method and device for controlling metallurgical processes in an oxygen-containing atmosphere - Google Patents
Method and device for controlling metallurgical processes in an oxygen-containing atmosphereInfo
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Description
General Electric Company, 1 River Road, Schenectady, N.Y. } USAGeneral Electric Company, 1 River Road, Schenectady, NY } USA
"Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung metallurgischer Prozesse in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre""Method and device for controlling metallurgical processes in an oxygen-containing atmosphere"
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung metallurgischer und chemischer Prozesse, die in sauerstoffhaltigen Atmosphären durchgeführt werden. { The invention relates to a method and a device for controlling metallurgical and chemical processes which are carried out in oxygen-containing atmospheres. {
Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Steuerung der Verarbeitung oder der.Reaktion der Produkte in sauerstoffhaltigen Atmosphären, bei dem
zuerst bestimmt"wird, in wieweit das Produkt bei verschiedenen Verfahrensschritten, wie beispielsweise bei der Reduktion, Oxydation
usv/., vom Sauerstoff chemisch angegriffen wird, und bei dem das Ergebnis dieser Bestimmung dazu verwendet wird, die Gasatmosphäre
derart einzustellen, daß die Reaktionsbedingungen
ouvimalisiert werden.In particular, the invention relates to a method and an apparatus for controlling the processing or der.Reaktion of the products in oxygen-containing atmospheres, in which
First of all, it is determined to what extent the product is chemically attacked by oxygen in various process steps, such as reduction, oxidation, etc., and the result of this determination is used to adjust the gas atmosphere in such a way that the reaction conditions
ouvimalized.
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BAD ORIGINALBATH ORIGINAL
Bei.der Durchführung von Reaktionen in großtechnischem Maßstab werden die Reaktionsprodukte in hohem Maße vom Sauerstoffgehalt der verwendeten Atmosphäre beeinflußt (die im folgenden als Gasphase bezeichnet werden soll). Ob nun der Sauerstoff aus der Gasphase mit dem Produkt reagiert oder nicht, hängt vom Sauerstoffpartialdruck, der Temperatur und der Art des Produktes ab, das hergestellt wird. Wenn man diese Paktoren kennt, kann man die ^ Reaktionsfreudigkeit des Sauerstoffs aus der Gasphase (das sogenannte Sauerstoffpotential) so regulieren, daß der günstigste Einfluß auf das Produkt zustandekommt.When carrying out reactions on an industrial scale the reaction products depend to a large extent on the oxygen content influenced the atmosphere used (which is to be referred to as the gas phase in the following). Whether the oxygen from the gas phase reacts with the product or not, depends on the oxygen partial pressure, the temperature and type of product being made. If you know these factors, you can do them ^ Reactivity of oxygen from the gas phase (the so-called Regulate oxygen potential) so that the most favorable Influence on the product comes about.
Bisher war es hierfür üblich, eine oder mehrere Komponenten in' der Gasphase zu messen, die bei dem in Frage stehenden Prozess verwendet wird und aus dieser Messung Rückschlüsse auf das Sauerstoffpotential in der Gasphase zu ziehen. Diese indirekten Messungen wurden dann dazu verwendet, das Sauerstoffpotential· der ^ Gasatmosphäre zu regulieren. Beispiele für solche indirekten Messungen sind Taupunktsbestimmungen oder CO und/oder C0o-Messungen in der Atmosphäre eines Ofens während der Behandlung von Metallen. Solche indirekten Messungen sind aber aus ihrer Natur heraus ungenau, so daß es außerordentlich schwierig ist, das Sauerstoffpotential in solchen Gasatmosphären genau auf den optimalen Wert einzustellen. Es wäre daher wesentlich günstiger, wenn man bei Reaktionen im großtechnischen Maßstab das Sauerstoffpotential der verwendeten Gasatmosphären direkt bestimmen würde, • da man dann die ablaufende Reaktion bzw. den Prozess wesentlich besser steuern könnte.Up to now it has been customary to measure one or more components in the gas phase, which is used in the process in question, and to draw conclusions from this measurement about the oxygen potential in the gas phase. These indirect measurements were then used to regulate the oxygen potential of the gas atmosphere. Examples of such indirect measurements are dew point determinations or CO and / or C0 o measurements in the atmosphere of a furnace during the treatment of metals. However, such indirect measurements are imprecise by their nature, so that it is extremely difficult to set the oxygen potential in such gas atmospheres exactly to the optimum value. It would therefore be much more beneficial if one were to determine the oxygen potential of the gas atmospheres used directly in reactions on an industrial scale, • because then the reaction or the process could be controlled much better.
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Die Erfindung beinhaltet also ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung metallurgischer und chemischer Prozesse, die in einem Reaktionsgefäß mit einer sauerstoffhaligen Atmosphäre ablaufen. Hierzu ist ein Vorrat an Prozessgas vorgesehen, das über eine Steuervorrichtung, mit der der Gasdurchsatz eingestellt v/erden kann, dem Reaktionsgefäß zugeführt wird. Weiterhin sind Sensoren zur direkten Messung des Sauerstoffpotentials der Gasatmosphäre in dem Reaktionsgefäß vorgc- | sehen, die Signale abgeben, die ein Maß für das Sauerstoffpotential sind. Diese Ausgangssignale der Sensoren werden dann über Regelvorrichtungen zurückgeführt und dazu verwendet, den Betrieb des Reäktionsgefäßes derart zu steuern, daß der metallurgische Prozess optimalisiert wird. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung wird das Sauerstoffpotential der Gasatmosphäre mit Hilfe eines Gasanalysators gemessen, der in der Lage ist, den Gleichgewichtssauerstoffpartialdruck der Gasatmosphäre in dem Reaktionsgefäß direkt zu bestimmen, so daß man eine Anzeige des Sauerstoffpotentials der Gasatmosphäre erhält.The invention thus includes a method and a device for controlling or regulating metallurgical and chemical Processes that take place in a reaction vessel with an oxygen-containing atmosphere. A supply of process gas is required for this provided, which is supplied to the reaction vessel via a control device with which the gas throughput can be adjusted will. There are also sensors for direct measurement of the oxygen potential the gas atmosphere in the reaction vessel see that emit signals that are a measure of the oxygen potential are. These output signals from the sensors are then fed back via control devices and used to control the operation of the Control reaction vessel in such a way that the metallurgical process is optimized. In preferred embodiments the invention, the oxygen potential of the gas atmosphere is measured with the aid of a gas analyzer which is able to To determine equilibrium oxygen partial pressure of the gas atmosphere in the reaction vessel directly, so that one has an indication of the Oxygen potential of the gas atmosphere is maintained.
Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Produkt ein Metall sein, das entweder reduziert oder oxydiert werden soll, und bei dem der Gleichgewichtspartialdruck, bei dem die Reduktion oder die Oxydation beginnt, durch folgenden Ausdruck gegeben ist:In other exemplary embodiments, the product can be a metal which is to be either reduced or oxidized and at which the equilibrium partial pressure at which the reduction or the oxidation begins is given by the following expression:
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Wenn der Prozess ein Oxydationsprozess ist, wird der Prozess- · Gasdurchsatz so reguliert, daß pO <C P°°i(jaob ^stt Ist der prozess dagegen ein Reduktionsprozess, so wird der Prozessgasdurchsatz so reguliert, daß pO .> P°°Maob w^-rd# If the process is an oxidation process, the process gas throughput is regulated so that pO <CP °° i ( j a ob ^ stt If, on the other hand, the process is a reduction process, the process gas throughput is regulated so that pO.> P °° Ma ob w ^ - rd #
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschriebenIn the following, the invention is to be described in detail on the basis of exemplary embodiments in conjunction with the drawings
werden.will.
Figur 1 zeigt schematisch Sauerstoff in der Gasphase und Sauerstoff in der Metallphase sowie die Art, in der der Sauerstoff in der Gasphase und in der Metallphase in Wechselwirkung treten.Figure 1 shows schematically oxygen in the gas phase and oxygen in the metal phase as well as the way in which the oxygen in the gas phase and in the metal phase interact.
Figur 2 ist ein Blockschaltbild einer Regelanordnung zur Regelung der Schutzgasatmosphäre in einem Glühofen zur Vergütung von Metallen. Figure 2 is a block diagram of a control arrangement for control the protective gas atmosphere in an annealing furnace for tempering metals.
Figur 3 zeigt das Profil des H-O/Hp-Verhältnisses in einer. ]kontinuierlich betriebenen Glühofen, das durch die direkte Messung des Sauerstoff partialsdruclcs in der Gasatmosphäre gewonnen wurde.Figure 3 shows the profile of the H-O / Hp ratio in one. ]continually operated annealing furnace, which was obtained by direct measurement of the oxygen partial pressure in the gas atmosphere.
Figur 1I ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Prozessregelung für einen Reduktionsprozess.Figure 1 I is a block diagram of a process control according to the invention for a reduction process.
Figur 5 ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Regelung einer Sinteratmosphäre.FIG. 5 is a block diagram of an arrangement according to the invention for regulating a sintering atmosphere.
BADBATH
— ei—,- ei—,
Figur 6 ist ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Regelung einer Karburierungsatmosphäre.Figure 6 is a block diagram of an arrangement for controlling a carburizing atmosphere.
Figuren 7 und 8 sind graphische Darstellungen und zeigen den Ausgang eines Gaserzeugers für ein Karburierungsgas in Abhängigkeit von den Kohlenstoffverarmungseigenschaften und in Abhängigkeit von dem Luft/Brennstoff-Verhältnis, die für e"ine Anordnung i nach Figur 6 errechnet wurden.Figures 7 and 8 are graphs showing the output of a gas generator for a carburizing gas depending on the carbon depletion characteristics and function of the air / fuel ratio, for ine e "i arrangement according to Figure 6 were calculated.
Es wurde oben bereits erwähnt, daß Sauerstoff bei einer großen Anzahl von großtechnischen Reaktionen auf die eine oder die andere V/eise eine Rolle spielt. Wenn man daher den Sauerstoffpartialdruck in den Gasen kontinuierlich mißt, die in solchen Prozessen beteiligt sind, kann man für die Steuerung solcher Prozesse wertvolle Informationen gewinnen. In der Figur 1 ist schematisch die Viechseiwirkung zwischen Sauerstoff in der Gasphase und einem Metall dargestellt, das gerade verarbeitet wird. Der Sauerstoff in der Gasphase und der Sauerstoff in dem Produkt stellen sich in einem bestimmten Gleichgewicht zueinander ein, das durch die folgenden Beziehungen gegeben ist:It has already been mentioned above that oxygen in a large number of large-scale reactions to one or the other V / he plays a role. If you therefore consider the partial pressure of oxygen continuously measures in the gases involved in such processes are involved, you can gain valuable information for the control of such processes. In the figure 1 is schematic the animal effect between oxygen in the gas phase and a metal that is being processed is shown. Of the Oxygen in the gas phase and the oxygen in the product are in a certain equilibrium with each other, which is given by the following relationships:
°2(g)-K1 = Ρ( ° 2 (g) -K 1 = Ρ (
Ρ02/Κ1 Ρ 02 / Κ 1
aM + bO HaOb
<^ MaObaM + bO HaOb
<^ MaOb
Λ2 Λ 2
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RAD ORIGHMÖl :"RAD ORIGHMOIL : "
Die einzelnen Symbole haben die folgende Bedeutung:The individual symbols have the following meanings:
O2 s Sauerstoff in der GasphaseO 2 s oxygen in the gas phase
0 = Sauerstoff in der Metallphase0 = oxygen in the metal phase
PQ2 = Sauerstoffpartialdruck in der GasphaseP Q2 = oxygen partial pressure in the gas phase
οί n = Sauerstoffaktivität in der Metallphase οί n = oxygen activity in the metal phase
>~ = Aktivitätskoeffizient des Sauerstoffs in der > ~ = Activity coefficient of oxygen in the
MetallphaseMetal phase
CQ = Sauerstoffkonzentration in der MetallphaseC Q = oxygen concentration in the metal phase
K. = Gleichgewichtskonstante für die erste ReaktiK. = equilibrium constant for the first reaction
Kp = Gleichgewichtskonstante für die zweite ReaktKp = equilibrium constant for the second react
Of,. = Aktivität des Metalls in der MetallphaseOf ,. = Activity of the metal in the metal phase
ö/ ... Λ. = Aktivität des Oxydes in der Oxydphaseö / ... Λ . = Activity of the oxide in the oxide phase
" wau D"woof D
MO, = Stöchiometrische Formel des Oxyds abMO, = stoichiometric formula of the oxide away
a,b,c = Stöchiometrische Reaktioriskoeffizientena, b, c = stoichiometric reactive coefficients
Aus den oben angegebenen Beziehungen geht hervor, daß der Sauerstoffpartialdruck in der Gasphase direkt mit dem Sauerstoffgehalt eines Produktes in Beziehung steht, das in einer sauerstoffhaltig Atmosphäre verarbeitet wird. Wenn an den Systemen Metalle beteiligt sind, beeinflußt der Sauerstoffpartialdruck auch die Geschwindigkeit, mit der sich Metalloxyde bilden, und außerdem spielt der Sauerstoffpartialdruck bei der Frage eine Rolle, welche Metalloxyde gebildet v/erden. Wenn man' also den Sauerstoffpartialdruck in der Gasphase mißt und die Temperatur des Produktes sowie seine chemische Affinität zu Sauerstoff kennt, kann man bestimmen, in welchem Maße der Sauerstoff in der GasphaseFrom the relationships given above, it can be seen that the partial pressure of oxygen in the gas phase is directly related to the oxygen content of a product that contains oxygen in a Atmosphere is processed. If metals are involved in the systems, the partial pressure of oxygen also affects the speed with which metal oxides are formed, and the oxygen partial pressure also plays a role in the question of which one Metal oxides are formed. So if you have the partial pressure of oxygen measures in the gas phase and knows the temperature of the product and its chemical affinity for oxygen one determine to what extent the oxygen is in the gas phase
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mit dem Produkt in Wechselwirkung tritt, und diese Wechselwirkung kann dann geregelt oder gesteuert werden.interacts with the product, and that interaction can then be regulated or controlled.
Aufgrund neuerer Entwicklung auf dem Gebiet der elektrochemischen Zellen zur Messung thermodynamis.cher Größen ist es möglich, den Gleichgewichtssauerstoffpartialdruck zur Steuerung oder Regelung großtechnischer Prozesse bei außerordentlich hohen Temperaturen (in der Gegend von 10000C) zu messen. So ist seit kurzem ein Sauerstoffsensor kommerziell erhältlich, der für die hier in Frage kommenden Zwecke geeignet ist. Dieser Sauerstoffsensor ist eine Sauerstoffkonzentrationszelle, der aus einem stabilisierten Zirkonoxydelektrolyten besteht, der an zwei Seiten mit Elektroden versehen ist. Diese beiden Seiten können unterschiedlichen Sauerstoffdrucken ausgesetzt werden. Dieser Elektrolyt ist als einseitig geschlossenes Rohr ausgebildet, so daP es besonders zweckmässig ist, die innere Elektrode einem Gas mit einem bekannten Sauerstoffpartialdruck, wie beispielsweise Luft, auszusetzen. Wenn die beiden Elektroden in zwei Gase mit unterschiedlichen Gauerstoffpartialdrucken eingesetzt werden, entsteht zwischen den beiden Elektroden eine elektrische Spannung. Die beiden Gase sind durch einen kalziumstabilisierten Zirkonoxydelektrolyten voneinander getrennt, bei dem die Leitung über Sauerstoffionen erfolgt. Der Zusammenhang zwischen der elektromotorischen Kraft der Zelle und den Sauerstoffpartialdrucken in den beiden Gasen wird durch Nernst'sehe Gleichung beschrieben.Due to recent developments in the field of electrochemical cells for measuring thermodynamic quantities, it is possible to measure the equilibrium oxygen partial pressure for controlling or regulating large-scale processes at extremely high temperatures (in the region of 1000 ° C.). For example, an oxygen sensor has recently become commercially available which is suitable for the purposes in question here. This oxygen sensor is an oxygen concentration cell, which consists of a stabilized zirconium oxide electrolyte, which is provided with electrodes on two sides. These two sides can be exposed to different oxygen pressures. This electrolyte is designed as a tube closed on one side, so that it is particularly expedient to expose the inner electrode to a gas with a known oxygen partial pressure, such as air. If the two electrodes are used in two gases with different oxygen partial pressures, an electrical voltage is created between the two electrodes. The two gases are separated from one another by a calcium-stabilized zirconium oxide electrolyte, in which the conduction takes place via oxygen ions. The relationship between the electromotive force of the cell and the oxygen partial pressures in the two gases is described by Nernst's equation.
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Bei dem Betrieb der Sauerstoffsensoren wird die Temperatur des Sensors auf einen bestimmten Wert gebracht, und außerdem ist der Sauerstoffpartialdruck in dem einen Gas bekannt. Wenn man also die EMK zwischen den beiden Gasen in der Zelle mißt, kann der Sauerstoffpartialdruck der einen Atmosphäre, die überwacht wird, durch die Nernst'sehe Gleichung berechnet wer-,When operating the oxygen sensors, the temperature of the sensor brought to a certain value, and also the oxygen partial pressure in one gas is known. So if you measure the emf between the two gases in the cell, the oxygen partial pressure of the one atmosphere being monitored can be calculated using the Nernst equation,
£ den. Dieser gemessene Sauerstoffpartialdruck (Pq2) stent d^" rekt mit der Sauerstoffkonzentration in dem Gas sowie mit seiner chemischen Zusammensetzung ab. Es gibt Sauerstoffsensoren', die mit einem sehr geringen Filteraufwand in Industriegasen verwendet werden können. Solche Sensoren enthalten ihre eigenen Filter, Trockner und ihre eigenen Pumpen zur Gasaufbereitung. Außerdem weisen solche Sensoren ein Nadelventil und einen Gasmesser auf, um den Gasdurchsatz regulieren und messen zu können. Die Temperatur dieser Sensoren wird auf 85O0C plus oder minus 5°C gehalten. Hierzu wird ein in Festkörperbauweise Proportionalregler£ den. This measured oxygen partial pressure (Pq 2) stent d ^ "rectly to the oxygen concentration in the gas as well as by its chemical composition. There are oxygen sensors', which may be used with a very small amount of filtering in industrial gases. Such sensors include their own filters, dryers and their own pumps for gas processing. in addition, such sensors have a needle valve and a gas meter on, regulate the gas flow rate and to measure. the temperature of these sensors is held at 85O 0 C plus or minus 5 ° C. for this, a solid state design proportional controller
* verwendet. Die Ausgangsspannung dieser Sensoren wird durch einen vollständigen Verstärkerkreis hindurchgeführt, so daß man diese Ausgangsspannung direkt als Sauerstoffpartialdruck an einem Meßinstrument ablesen kann. Man kann die Ausgangsspannung aber auch einem Schreiber oder einem Rechner zuführen. Der pO-Wert ist mit dem gemessenen Gleichgewicht-ssauerstoffpartialdruck Po? durch folgenden Ausdruck verknüpft: * used. The output voltage of these sensors is passed through a complete amplifier circuit, so that this output voltage can be read off directly as oxygen partial pressure on a measuring instrument. The output voltage can also be fed to a recorder or a computer. The pO value is related to the measured equilibrium oxygen partial pressure P o? linked by the following expression:
BAD ORI0INÄLBATH ORI0INÄL
Solche Sauerstoffsensoren sind, in der Lage, kontinuierlich das Sauerstoffpotential von Gasen zu messen, die in Großtechnischen Prozessen verwendet werden. Außerdem besitzen sie die folgenden günstigen Eigenschaften;Such oxygen sensors are able to continuously measure the To measure the oxygen potential of gases that are used in large-scale industrial processes. They also have the following favorable properties;
(a) Das Ausgangssignal wächst logarithmisch mit linearabnehmendem Sauerstoffpartialdruck an.(a) The output signal increases logarithmically with linearly decreasing oxygen partial pressure.
■■■■-·■■ j■■■■ - · ■■ j
(b) Sie weisen außerordentlich niedrige Spannungs- "(b) They have extremely low voltage "
Schwankungen auf.Fluctuations on.
(c) Ihre kontinuierliche Ansprechgeschwindigkeit ist hoch (innerhalb von 5 see.)(c) Your continuous response speed is high (within 5 see.)
(d) 'Aggressive und mit Teilchen beladene Gasströne können durch die Sensoren hindurchgeführt werden, ohne ihre Empfindlichkeit zu beeinträchtigen.(d) 'Aggressive and particle-laden gas streams can be passed through the sensors without impairing their sensitivity.
Wenn man die Zusammensetzung eines Gases messen will, das in einem großtechnischen Prozess verwendet wird, um aufgrund dieser ' έ Messung den Prozess zu steuern, so stellt sich die grundsätzliche Frage, wieviele unabhängige Messungen bei einer vorgegebenen Temperatur und bei einem vorgegebenen Gosamtdruck erforderlich :3ind, um zuverlässige Informationen zu ernalfcen, mit denen die weitere steuerung durchgeführt werden kann. Die t'hcu-ci.rof.el m-:-- thonaüciyKar.iischen Zustände besagt, da f. zur vollständiger, L.cütirnung dor ",usaniMensetsung einer Garprobe -in·': ur 1 gi-.Tin*-.'■·it ■ r- ::ahl von unabtiängigcn Hosöungcn orforcicri Lc:i ist, als (iac Cuv. ■Komponenten bzvi. Elenicnte aufweist. Für die Steuerung vieler Pro-' sooGü ict es jedoch nicht erforderlich, die gesamte r.usnnmen-If one wants to measure the composition of a gas used in an industrial process in order to control the process due to these 'έ measurement, the fundamental question of how many independent measurements is at a predetermined temperature and required at a given Gosamtdruck: 3ind in order to obtain reliable information with which further control can be carried out. The t'hcu-ci.rof. '■ · it ■ r- :: a number of independent Hosöungcn orforcicri Lc: i is, as (iac Cuv. ■ components or elements. For the control of many products it is not necessary, however, the entire r.usnmen -
909826/0860 BAD ORIÖINAfc909826/0860 BAD ORIÖINAfc
setzung des Gases zu bestimmen, das gemessen wird. Dig entscheidende Frage bezüglich der. Messung der Zusammensetzung, eines Gases oder in Verbindung mit einem speziellen. Gas besteht ,.darin, welcher Parameter des Gases wichtig ist und wie er verwendet werden kann. Die Antworten auf diese Frage kann man ganz all-, gemein in zwei Gruppen einteilen: 1) Es gibt Fülle, in denento determine the amount of gas that is being measured. Dig crucial Question regarding the. Measure the composition, one Gas or in conjunction with a special. Gas consists in what parameter of the gas is important and how it can be used. The answers to this question can be found in all, common to divide into two groups: 1) There is abundance in which
»die Zusammensetzung des Gases selbst wichtig ist, um die Konzentrationsänderung einer bestimmten Komponente des Gases zu messen.. 2) Weiterhin gibt es Fälle, in denen die Gaszusammensetzung dazu verwendet wird, schwerer zugängliche Eigenschaften des Ga'-(1. ses zu messen. Dieses erfolgt dann üblicherweise durch eine Rcch-. nung oder durch Einsetzen in eine Formel. In beiden.Fällen ist es nicht immer erforderlich, die Mindestanzahl unabhängiger Messungen durchzuführen, um die vollständige Zusammensetzung des Gases kennenzulernen."The composition of the gas itself is important to the change in concentration of a specific component to measure the gas .. 2) There are also cases where the gas composition is used less accessible properties of Ga'- (1. Ses to measure. This is usually done by calculating or by inserting it into a formula. In both cases it is not always necessary to carry out the minimum number of independent measurements in order to get to know the complete composition of the gas.
™ V/erin der Sauerstoffgehalt eines Prozessgases mehr als etwa 0,1m beträgt, wirken die anderen Komponenten des Gases als Verdünnungsmittel. Bei einer Sauerstoffkonzentration in dieser liehe sind zur Prozeßsteuerung bisher paramagnetic ehe SciuerstoiT-sensoren und Verbrennungsmesscr verwendet worden. Lirnt l.:ür:r. Lieh sind die neu verfügbaren Sauorstoffsensoren in Vorbind'ir.g :.it ■ Prozessen der hier interessierenden Art verwendet worden, i;> denen ihre lonarithmioche Kenn Linie und ihre Unempfindlichkeit gegenüber Partikelchen in der Gasphase sie zu sehr brauchbaren 'Instrumenten machen. Es sei erwähnt, daß solche neu verfügbaren .. Sauerstoff sensoren zusammen mit anderen Instrumenten die Mög-If the oxygen content of a process gas is more than about 0.1m, the other components of the gas act as diluents. In the case of an oxygen concentration in this range, paramagnetic before SciuerstoiT sensors and combustion meters have so far been used for process control. Lirnt left: door: r . The newly available oxygen sensors have been used in processes of the type of interest here, in which their ionic characteristic line and their insensitivity to particles in the gas phase make them very useful instruments. It should be mentioned that such newly available .. oxygen sensors together with other instruments
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bad'9 098 2 6/0 860
bath'
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liehkeit eröffnet haben> bei der Stahlhersteilung nach dem Sauerstoffblasverfahren zu berechnen, wie der Sauerstoff aus der Lanze bei diesem Oxydationsprozess ausgenutzt wird.have opened loan> in the production of steel after Oxygen blowing method to calculate how the oxygen from the lance is used in this oxidation process.
Diese neu verfügbaren Sauerstoffsensoren sind auch zur Bestimmung des stöchibmetrischen Verbrennungspunktes sehr gut geeignet. Wenn das Verhältnis Luft zu Brennstoff über den stöchio- f metrischen Verbrennungspunkt hinaus geändert wird, findet eine drastische Änderung des Gleichgewichtssauerstoffpartialdruckes in den Verbrennungsprodukten statt, und dieses führt auf eine sprunghafte Änderung des Ausgangssignals des Senders. Der stöchiometrische Verbrennungspunkt ist ein sehr gutes Beispiel dafür, wie eine bestimmte Eigenschaft'einer aus mehreren Komponenten bestehenden Gasmischung durch die Sauerstoffsensoren bestimmt werden kann, ohne daß zusätzliche Informationen benötigt werden.These newly available oxygen sensors are also used for determination the stoichiometric combustion point is very suitable. If the air-to-fuel ratio is above the stoichio- f If the metric combustion point is changed beyond, there is a drastic change in the equilibrium oxygen partial pressure in the products of combustion, and this leads to a sudden change in the output signal of the transmitter. The stoichiometric Burn point is a very good example of how a certain property is made up of several components Gas mixture can be determined by the oxygen sensors without the need for additional information.
In den eben geschilderten Fällen j_st es zwar außerordentlich vorteilhaft, wenn man die neu verfügbaren Sauerstoffsensoren verwendet. In Fällen, wo der Gleichgewichtssauerstoffpartialdruck durch die Reaktion der anderen gasförmigen Komponenten bestimmt ist, wo also die Konzentration an freiem Sauerstoff unter 10 Atmosphären liegt, kommen heutzutage nur die neu verfügbaren Sauerstoffsensoren in Frage. Bisher wurden andere Komponenten der Gasphase gemessen (wie beispielsweise CO, CO-, H0O und H0) und diese Messungen werden auch heute noch für Steuerzwecke durchgeführt. Diese gemessenen oder angenommenen Konzentrationen der einzelnen Elemente in der Gasphase wer xen ^u** verschiedene In the cases just described, it is extremely advantageous to use the newly available oxygen sensors. In cases where the equilibrium oxygen partial pressure is determined by the reaction of the other gaseous components, i.e. where the concentration of free oxygen is below 10 atmospheres, nowadays only the newly available oxygen sensors come into question. Previously, other components of the gas phase were measured (such as CO, CO-, H 0 O and H 0 ) and these measurements are still made today for control purposes. These measured or assumed concentrations of the individual elements in the gas phase wer xen ^ u ** different
909826/0860 BAD 0RK3JNAL909826/0860 BATHROOM 0RK3JNAL
Weise kombiniert, um zu zeigen, wie die Gasphase das.Endpro-. J dukt des Prozesses (beispielsweise ein Oxydations*, Reduktionsoder Karburierungsprozess) beeinflussen kann. Die Voraussetzung, die bei dieser Art der Steuerung oder Regelung gemacht wird, besteht darin, daß das Gas im Gleichgewicht ist oder nur wenig vom Gleichgewicht abweicht, so daß die thermodynamischen Beziefe hungen angewendet werden können. Bei Taupunktsbestimmungen sowie bei paramagnetischen Messungen oder Infrarotuntersuchungen nimmt die Gasprobe jedoch nicht bei einer genau bekannten Temperatur einen Gleichgewichtszustand an, wie es bei den neu verfügbaren Sauerstoffsensoren der Fall ist. Die Anwendung dieser bekannten Sensoren beruht daher auf Voraussetzungen, die auf die neu verfügbaren Sauerstoffsensoren nicht zutreffen. In vielen Fällen werden die Meßergebnisse, die mit solchen Instrumenten erhalten werden, dazu verwendet, durch die Anwendung passender Reaktionsgleichungen den Sauerstoffpartialdruck des Gases indirekt zu bestimmen. In solchen Fällen kann und sollte einer der neu verfügbaren Sauerstoffsensoren verwendet werden, da man mit ihm den Gleichgewichtssauerstoffpartialdruck unter bekannten Temperaturen und Drucken direkt messen kann. Außerdem ist der Gleichgewichtssauerstoffpartialdruck eine thermodynamisch sinnvolle Größe. · . -Way combined to show how the gas phase das.endpro-. J the product of the process (e.g. an oxidation *, reduction or carburization process). The condition, what is done with this type of control is that the gas is in equilibrium or only slightly deviates from equilibrium, so that the thermodynamic references can be applied. For dew point determinations as well as for paramagnetic measurements or infrared examinations however, the gas sample does not reach a state of equilibrium at a precisely known temperature, as is the case with the newly available Oxygen sensors is the case. The application of this well-known Sensors is therefore based on requirements that are based on the newly available Oxygen sensors do not apply. In many cases the measurement results obtained with such instruments are used, by applying appropriate reaction equations indirectly increases the oxygen partial pressure of the gas determine. In such cases, one of the newly available can and should be used Oxygen sensors are used because with it one can determine the equilibrium oxygen partial pressure under known temperatures and can measure printing directly. Also is the equilibrium oxygen partial pressure a thermodynamically meaningful quantity. ·. -
Ein Grund, warum die logarithmische Kennlinie der neu verfügbarenOne reason why the logarithmic characteristic of the newly available
BAD ORlGiNAL.BAD ORlGiNAL.
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-13--13-
Sauerstoffsensoren diese Sensoren besonders gut geeignet macht, besteht darin, daß das Ausgangssignal dieser Sensoren mit der allgemeinen Reaktionsgleichung übereinstimmt, mit der die Oxydation eines Metalles durch Sauerstoff beschrieben wird:Oxygen sensors make these sensors particularly well suited is that the output of these sensors agrees with the general reaction equation with which the oxidation of a metal is described by oxygen:
(§-) H + (I/?) O2 > φ Ma0b (7)(§-) H + (I /?) O 2 > φ M a 0 b (7)
Diese Gleichung gilt, wenn sowohl das Metall II als. auch sein Oxyd M 0, fest oder flüssig sind.This equation applies when both the metal II and. also its oxide M 0, are solid or liquid.
el Del D
Die Gibbs'sche freie Bildungsenergie des Oxyds nach Gleichung (7) beträgt pro Mol Δ G°H Q.. Wenn dieser Wert negativ ist, so handelt es sich um ein stabiles Oxyd, und zwar ist das Oxyd umso stabiler, je größer der Betrag der freien Bildungsenergie ist. Es liegen umfangreiche Berechnungen der Werte für ^ G°Ma0b vorVJ die auch in Abhängigkeit von der Temperatur tabuliiert sind. Diese Tabellen sind auch in den sogenannten Ellingham-Diagrammen in Form graphischer Darstellungen erschienen. Der generalisierte ' pO-Wert, der dem Sauerstoffpartialdruck entspricht, der durch die Gleichung (7) gegeben ist, wird durch die folgende Beziehung beschrieben: The Gibbs free energy of formation of the oxide according to equation (7) amounts to Δ G ° HQ per mole free educational energy is. There are extensive calculations of values for G ^ ° Ma0b before V J are tabuliiert also depending on the temperature. These tables have also appeared in the so-called Ellingham diagrams in the form of graphical representations. The generalized ' pO value, which corresponds to the partial pressure of oxygen given by equation (7), is described by the following relationship:
PO°fvT n = - AG°MaOb/b (8)PO ° fvT n = - AG ° MaOb / b (8)
uaub 4,575 T u a u b 4,575 T
In diesem Ausdruck wird AG°M q in cal/Mol eingesetzt.In this expression, AG ° M q is used in cal / mole.
a baway
909826/0860909826/0860
-Ill--Ill-
Oxyd M O, wird reduziert, wenn pO größer als pO°M n ist. a b Maub Oxide MO, is reduced when pO is greater than pO ° M n . from M a u b
Das Metall M wird dagegen oxydiert, wenn pO kleinerThe metal M, on the other hand, is oxidized when pO is smaller
als pO°M n ist.
aubas pO ° M n .
a u b
Durchführung der Steuerung. .
Steuerung einer Schutzgasatmosphäre. Execution of the control . .
Control of a protective gas atmosphere.
Das Glühen von Metallteilen unter einer Schutzgasatmosphäre zwecks Vergütung dieser Teile ist ein gutes Beispiel dafür, wie vor dem Vorhandensein der neuartigen Sauerstoffsensoren der Sauerstoffpartialdruck eines Gases durch indirekte Messungen bestimmt wurde. Bisher war es nicht möglich, einen. Sauerstoff-Annealing metal parts in a protective gas atmosphere to temper these parts is a good example of how the oxygen partial pressure of a gas is determined by indirect measurements before the new oxygen sensors are available became. So far it has not been possible to get one. Oxygen-
-27-27
partialdruck bis hinunter auf 10 Atmosphären (was einem Taupunkt von etwa -60°C äquivalent ist) zu messen, was für manche Anwendungen, wie beispielsweise dem Blankglühen von Bandmaterial aus nichtrostendem Stahl erforderlich ist. Durch die neuen Sauerstoffsehsoren sind solche Anwendungsmöglichkeiten ohne weiteres gegeben. Ob ein Metall beim Glühen oxydiert wird, ist eine direkte Punktion des Gleichgewichtssauerstoffpartialdruckes in der Schutzgasatmosphäre. Der Gleichgewichtssauerstoffpartialdrucl. bei dem ein Metall aufgrund der thermodynamischen Gesetze zu oxydieren beginnt, ist in Werten von pO durch die Gleichung (δ) gegeben. Der Schutzgasdurchsatz durch den Glühofen sollte so reguliert werden, daß die Beziehung pO kleiner als pO°,. Q, für solche Temperaturen aufrechterhalten wird, bei denen die Oxydationsgeschwindigkeit aufgrund der Reaktionskinetik nicht be-· schränkt ist.Partial pressure down to 10 atmospheres (which is equivalent to a dew point of about -60 ° C) to measure, which is necessary for some applications, such as bright annealing of strip material made of stainless steel. With the new oxygen sensors, such possible applications are readily available. Whether a metal is oxidized during annealing is a direct puncture of the equilibrium oxygen partial pressure in the protective gas atmosphere. The equilibrium oxygen partial pressure at which a metal begins to oxidize due to the thermodynamic laws is given in values of pO by the equation (δ). The protective gas throughput through the annealing furnace should be regulated so that the relationship pO is less than pO °. Q , is maintained for temperatures at which the rate of oxidation is not restricted due to the reaction kinetics.
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In der Figur 2 ist ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Steuerung bzw. Regelung einer Atmosphäre dargestellt., mit der der Betrieb eines Glühofens 11 gesteuert werden kann. Der Glühofen 11 wird durch irgendein Brennstoffsystem beheizt, das von einem Regler 12 und Temperatursensoren 13 gesteuert wird. Der Regler 12 kann ein digitaler Prozessrechner sein. Der Rechner weist analog-zu-digital-und digital-zu-analog-Umsetzer auf, * FIG. 2 shows a block diagram of an arrangement for controlling or regulating an atmosphere, with which the operation of an annealing furnace 11 can be controlled. The annealing furnace 11 is heated by any fuel system which is controlled by a controller 12 and temperature sensors 13. The controller 12 can be a digital process computer. The computer has analog-to-digital and digital-to-analog converters, *
mit denen einmal analoge Eingangssignale, beispielsweise von den Temperatursensoren 13» in digitale Signale umgesetzt werden, die der Rechner verarbeiten kann, und die zum anderen die vom Rechner erzeugten digitalen Steuersignale in analoge Signale umsetzen, die den Steuereinrichtungen für das Brennstoffsystem zugeführt werden. Auf diese Weise wird die Temperatur an verschiedenen Punkten im Glühofen geregelt. Solche Temperaturregeleinrichtungen, die mit Prozeßrechnern arbeiten, sind bekannt und brauchen daher nicht im einzelnen beschrieben zu werden. . - 'with which once analog input signals, for example from the temperature sensors 13 »are converted into digital signals that the computer can process, and on the other hand the convert digital control signals generated by the computer into analog signals that are sent to the control devices for the fuel system are fed. In this way, the temperature is controlled at various points in the annealing furnace. Such temperature control devices, which work with process computers are known and therefore do not need to be described in detail. . - '
Erfindungsgemäß wird nun der Glühofen 11 mit einem Prozeßgas versorgt, das dem Ofen von einem Gaserzeuger 14 her an verschiedenen Stellen zugeführt wird. Dieser Gaserzeuger 1*1 führt dem Glühofen an mehreren Stellen Schutzgas einer bekannten Zusammensetzung zu, dessen Sauerstoffpartialdruck am Ausgang des Gaserzeugers uiid an verschiedenen Stellen im Glühofen durch MeJ?.-vorrichtungen 15 gemessen wird, in denen die neu verfügbaren Sauerstoffsensoren verwendet sind. Der Ausgang dieser Sauerstoffoensoren wird dem Prozeßrechner 12 zugeführt, und äep Prozeß-According to the invention, the annealing furnace 11 is now supplied with a process gas, the furnace from a gas generator 14 on different Places is fed. This gas generator 1 * 1 leads to the Annealing furnace at several points to protective gas of a known composition, its oxygen partial pressure at the outlet of the gas generator uiid at various points in the annealing furnace by measuring devices 15 using the newly available oxygen sensors. The output of these oxygen sensors is fed to the process computer 12, and äep process
BADORIGINAL 909826/0860BAD ORIGINAL 909826/0860
rechner errechnet daraus die erforderlichen Größen, die notwendig sind, um an den verschiedenen Meßpunkten den gewünschten Sauerstoffpartialdruck in der Schutzgasatmosphäre aufrecht zu erhalten. Zu diesem Zweck sind noch ein Gasdurchsatzmesser und Regelkreise vorgesehen, die bei 16 dargestellt sind, und mit denen der Durchsatz gemessen und eingestellt wird, mit dem. P das Schutzgas den verschiedenen Punkten des Ofens zugeführt wird.From this, the computer calculates the quantities required to achieve the desired values at the various measuring points To maintain oxygen partial pressure in the protective gas atmosphere. There is also a gas flow meter for this purpose and control loops are provided, which are shown at 16, and with which the throughput is measured and adjusted with the. P the protective gas is fed to the various points of the furnace.
Auf Wunsch kann man die Steuerung der Gaszusammensetzung des Gaserzeugers l'J, die von dem Prozeßrechner durchgeführt wird·, zu einer vollen Regelschleife ergänzen, wenn es auf die Zusammensetzung der Schutzgasatmosphäre besonders genau ankommt. Die hierfür erforderlichen Rückführungs- und Gegenkopplungswege sind in der Figur durch die gestrichelten Linien 17 dargestellt worden. Bei den meistend Anwendungen stellt Luft einen Hauptbestandteil des Schutz- ^ gases dar, das vom Gaserzeuger 14 abgegeben wird. Bei der dargestellten Anordnung kann man über den Rückführungsweg 17 die Luftmenge steuern, die dem Gaserzeuger Ik zugeführt wird, so daß sich die Zusammensetzung des abgegebenen Schutzgases ändert. Diese Art der Steuerung beziehungsweise Regelung zusammen mit der Steuerung des Schutzgasdurchsatzes für die verschiedener! Stellen des Glühofens über die Sauerstoffsensoren 15 und die Regelkreise beziehungsweise Steuerkre.ise 16 macht esmöglich, auf Grund der Bedingungen an verschiedenen Stellen in dem Glühofen die Zusammensetzung des Schutzgases ganz genau zu regeln oder zu steuern.Der Gasdurchsatz des Ofens wird s-o eingestellt, daß die Bedingung pO kleiner alsIf desired, the control of the gas composition of the gas generator 1'J, which is carried out by the process computer, can be supplemented to form a full control loop if the composition of the protective gas atmosphere is particularly important. The feedback and negative feedback paths required for this have been shown in the figure by the dashed lines 17. In most applications, air is a main component of the protective gas that is emitted by the gas generator 14. In the arrangement shown, the amount of air which is fed to the gas generator Ik can be controlled via the return path 17, so that the composition of the protective gas emitted changes. This type of control or regulation together with the control of the protective gas throughput for the various! Setting the annealing furnace via the oxygen sensors 15 and the control circuits or Steuererkre.ise 16 makes it possible to regulate or control the composition of the protective gas very precisely based on the conditions at different points in the annealing furnace. The gas throughput of the furnace is set so that the Condition pO less than
*iird. " ■ '■'"■"-* iird. "■ '■'" ■ "-
In der Figur 3 ist nun das tatsächliche Profil des Verhältnisses IIpO/Hp aufgetragen, das mit Hilfe einer Regelanordnung nach Figur 2 in einem kontinuierlichen Glühofen erhalten wurde. Um die Daten zu erhalten, die in der Figur 3 dargestellt sind, wurde der Sauerstoffpartialdruck an verschiedenen Stellen im Ofen mit Sauerstoffsensoren überwacht, um diejenigen Verhältnisse ausfindig zu machen, (Einströmen von Außenluft, zu hoher Sauerstoffpartialdruck in der Kühlzone, usw.), unter denen das Bandmaterial oxydiert. Die I mit den Sauerstoffsensoren gewonnenen Heßergebnisse kann man dann über den Rechner und die zugehörigen Steuer- und Regelkreise dasu verwenden, den Betrieb des Glühofens weiterhin so zu regeln oder zu steuern, daß das Blankglühen optimal verläuft.In the figure 3 is now the actual profile of the ratio IIpO / Hp applied, using a control arrangement according to FIG 2 was obtained in a continuous annealing furnace. To obtain the data shown in Figure 3, the partial pressure of oxygen was used monitored at various points in the furnace with oxygen sensors to identify those conditions (Ingress of outside air, excessive oxygen partial pressure in the cooling zone, etc.), under which the strip material oxidizes. The I Hess results obtained with the oxygen sensors can then be dasu via the computer and the associated control and regulation circuits use to regulate or control the operation of the annealing furnace so that the bright annealing proceeds optimally.
Direkte Reduktion D irect reduction
In einem direkten Reduktiohsprozeß wird einem Oxyd Sauerstoff entzogen, und dieser Sauerstoff wird dann Bestandteil des reduzierenden Gases. Ein solcher Reduktionsprozeß wird für die Herstellung ' verschiedener Metalle verwendet. Die Fähigkeit des reduzierenden Gases, einem Oxyd Sauerstoff au entziehen, ist eine direkte Funktion des Gleichgewichtssauerstoffpartialdruckes in dem Gas. Die Sauerstoffmenge, die pro Volumencinheit des verwendeten reduzierenden Gases entzogen wird, bestimmt die Reduktionsgeschwindigkeit und damit den Wirkungsgrad des Prozesses. Der Wirkungsgrad dieses Prozesses ist durch folgenden Ausdruck definiert:Oxygen is removed from an oxide in a direct reduction process, and this oxygen then becomes part of the reducing gas. Such a reduction process is used for the production ' different metals are used. The ability of the reducing gas to remove oxygen from an oxide is a direct function the equilibrium oxygen partial pressure in the gas. The amount of oxygen per unit volume of reducing agent used Gas is withdrawn, determines the rate of reduction and thus the efficiency of the process. The efficiency of this Process is defined by the following expression:
P°in - P°outP ° in - P ° out
pO -pO0-.pO -pO 0 -.
MaOb
BADORIQINAL 909826/0860MaOb
BADORIQINAL 909826/0860
·■}· ■}
In diesem Ausdruck bedeutet pO. den Sauerstoffpartialdruck des umgewälzten Gases beim Eintritt in den Gaserzeuger, mit dem das reduzierende Gas für den Reduktionsprozeß hergestellt beziehungsweise aufbereitet wird, und pO . den Sauerstoffpartialdruck im reduzierenden Gas, wenn es den Gaserzeuger verläßt. Man kann diese Daten zusammen mit den Durchsatzmengen und dem Luft/Brenn- ^ stoffverhältnis im Gaserzeuger dazu verwenden, den pO-Wert und den Durchsatz des reduzierenden Gases durch das Reduktionsgefäß zu regeln, den Wirkungsgrad des Prozesses und die Reduktionsgeschwindigkeit zu überwachen und außerdem kann ir.an unter Stützung auf diese Daten die Gasmenge festlegen, die dem Gaserzeuger wiede zugeführt wird und die im Gaserzeuger neu erzeugt wird.In this expression, pO means. the oxygen partial pressure of the circulated gas on entry into the gas generator, with which the reducing gas produced or respectively for the reduction process is processed, and pO. the partial pressure of oxygen in the reducing gas as it leaves the gas generator. You can do this Data together with the throughput rates and the air / fuel ^ Use the substance ratio in the gas generator to determine the pO value and the flow rate of the reducing gas through the reduction vessel to regulate, to monitor the efficiency of the process and the speed of reduction, and ir.an can also be assisted on this data set the amount of gas that is fed back to the gas generator and that is newly generated in the gas generator.
Figur ^ ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Regelanor nung zur Regelung beziehungsweise Steuerung eines direkten Reduktionsprozesses, die zur Verwendung mit einem Reduktionsbehälter ™ 21 bestimmt ist. Der Reduktionsbehälter 21 ist ein Gegenstroirbehi ter, dem die zu reduzierenden Oxydean einem Ende in Richtung des Pfeiles 22 zugeführt werden. Die reduzierten Oxyde verlassen danr den Reduktionsbehälter am anderen Ende in Richtung des Pfeiles 21 Das reduzierende Gas wird vom Gaserzeuger 21I geliefert und den Pe duktionsbehälter an demjenigen Ende zugeführt, an dem das reduzic te Oxyd den Behälter verläßt. Das verbrauchte reduzierende Gas wird am anderen Ende des Behälters abgenommen. Ein Teil des verbrauchten reduzierenden Gases wird dem Gaserzeuger 2'I durch dl Deitung 25 zur Aufbereitung wieder zugeführt, und ein anderer .. Teil wird über die Leitung 26 abgeblasen. Man sieht also, daß danFigure ^ is a block diagram of a Regelanor tion according to the invention for regulating or controlling a direct reduction process, which is intended for use with a reduction tank ™ 21. The reduction tank 21 is a counter-flow tank to which the oxides to be reduced are fed at one end in the direction of arrow 22. The reduced oxides then leave the reduction tank at the other end in the direction of arrow 21. The reducing gas is supplied by the gas generator 2 1 I and the production tank is supplied to the end at which the reduced oxide leaves the tank. The used reducing gas is taken off at the other end of the container. Part of the used reducing gas is fed back to the gas generator 2'I through the line 25 for processing, and another part is blown off via the line 26. So you can see that then
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j.V-s .Jr^ ■*-.■■·:; BADORfGtNALj.V-s .Jr ^ ■ * -. ■■ · :; BADORfGtNAL
. -19-. -19-
reduzierende Gas das Reduktionsgefäß in entgegengesetzter Richtung wie das zu reduzierende Oxyd durchströmt. Auf Wunsch kann derjenige Teil des verbrauchten reduzierenden Gases, der dem Gaserzeuger 24 über die Leitung 25 zugeführt wird, einen Gasreiniger durchströmen, der in der Leitung 25 angeordnet ist.reducing gas moves the reduction vessel in the opposite direction how the oxide to be reduced flows through. If desired, one can Part of the used reducing gas that goes to the gas generator 24 is supplied via line 25, flow through a gas cleaner, which is arranged in the line 25.
Der Gaserzeuger 2l\ kann ein üblicher Gaserzeuger sein, bei den; zur Erzeugung des reduzierenden Gases für das Redaktionsgefäß Luft verwendet wird. Die Luftzufuhr für den Gaserzeuger 2k wird überwacht und gesteuert, um innerhalb des Gaserzeugers das Richtige Luft/Brennstoffverhältnis aufrecht zu erhalten. Die hierzu benötigen überwachungs- und Steueranordnungen sind mit 28 bezeichnet worden. Diese überwachungS7 und Steueranordnungen 28 werden ihrerseits von einem Prozeßrechner 12 gesteuert. Der Prozeßrechner 12 ist ein üblicher digitaler Prozeßrechner mit Analog- zu Digital- und Digital- zu Analog-Umsetzern, dem vom Temperaturfühler 13 her Daten über die Proteßtemperatur innerhalb des Reduktionsbehälters 21 zugeführt werden, so daß die Prozeßtemperatur konstant gehalten werden kann.The gas generator 2 l \ can be a conventional gas generator in the; is used to generate the reducing gas for the editing vessel air. The air supply for the gas generator 2k is monitored and controlled in order to maintain the correct air / fuel ratio within the gas generator. The monitoring and control arrangements required for this have been designated by 28. This monitoring S7 and control arrangements 28 are in turn controlled by a process computer 12. The process computer 12 is a conventional digital process computer with analog to digital and digital to analog converters, to which data on the protein temperature within the reduction tank 21 are fed from the temperature sensor 13 so that the process temperature can be kept constant.
Zusätzlich zu den bereits geschilderten Bestandteilen weist die Regelanordnung nach Figur k noch Sensoren für den Sauerstoffpartialdruck und Steuervorrichtungen für den Durchsatz des reduzierenden Gases auf, die zusammen mit 29 bezeichnet sind. Mit den im Block 29 zusammengefaßten Bestandteilen werden der Saue.rstoffpartialdruck am Ausgang des Gaserzeugers 2*1 (pO,.) sowie der Sauerstoffpartialdruck im verbrauchten reduzierenden Gas gemessen und eingestellt, der fit-in Gaserzeuger über die Leitun* 25 wieder suge- In addition to the components already described, the control arrangement according to FIG. K also has sensors for the oxygen partial pressure and control devices for the throughput of the reducing gas, which are designated 29 together. With the components summarized in block 29, the oxygen partial pressure at the outlet of the gas generator 2 * 1 (pO ,.) and the oxygen partial pressure in the used reducing gas are measured and adjusted, the fit-in gas generator draws in again via the line 25.
903026/0860 BAD ORKälNAt903026/0860 BAD ORKälNAt
führt wird. Dieses ist die Größe ρθ^η· Im block 29 können die neu verfügbaren Sauerstoffsensoren verwendet werden, und außerdem können Durchsatzmesser und Regelventile vorgesehen sein, mit denen der Durchsatz von frischem reduzierenden Gas sum Reduktionsbehälter sowie der Anteil des verbrauchten reduzierenden Gases eingestellt v/erden können, der dem Gaserzeuger über die Leitung 25 wiefe der zugeführt wird.Man kann auch noch Anordnungen für die überwachung der Produktionsgeschwindigkeit und der Qualität der reduzierten Metalle vorsehen, die durch Reduktion in dem Behälter 21 erzeugt werden. Diese Anordnungen sind in dem Block 30 zusammengefaßt worden.will lead. This is the size ρθ ^ η · In block 29, the newly available oxygen sensors can be used, and flow meters and control valves can also be provided with which the throughput of fresh reducing gas sum reduction tank and the proportion of the used reducing gas can be set , which is fed to the gas generator via the line 25 as well. Arrangements can also be provided for monitoring the production speed and the quality of the reduced metals which are produced in the container 21 by reduction. These arrangements have been combined in block 30.
Während des Betriebs wird das zu reduzierende Oxyd der. Reduktionsbehälter 21 in Richtung des Pfeiles 22 zugeführt, und das reduzierte Metall verläßt den Ofen am anderen Ende in Richtung des Pfeiles 23. Während das Oxyd den Reduktionsbehälter durchwandert, wird es durch das Gas reduziert y das vom Gaserzeuger 2k gel.iefert wird und das den Reduktionsbehälter in einer Richtung durchströmt, die der Richtung entgegengesetzt ist, mit der das Oxyd durch den Ofen hindurch wandert. Die Reduktion des Oxydes findet direkt im Reduktionsbehälter statt, und somit ist der Wirkungsgrad des ganzen Systems durch die Gleichung auf -Seite 17 definiert. Der Reduktions· prozeß kann dadurch optimalisiert werden, daß man die Größen pOin und p0out des Gases am Eingang und am Ausgang des Gaserzeugers 24 richtig regelt, oder steuert. .During operation, the oxide to be reduced becomes the. Reduction tank 21 fed in the direction of arrow 22, and the reduced metal leaves the furnace at the other end in the direction of arrow 23. While the oxide migrates through the reduction tank, it is reduced by the gas y supplied by the gas generator 2k and the Flow through the reduction tank in a direction which is opposite to the direction in which the oxide migrates through the furnace. The reduction of the oxide takes place directly in the reduction tank, and thus the efficiency of the entire system is defined by the equation on page 17. The reduction process can be optimized by properly regulating or controlling the quantities p0 in and p0 out of the gas at the inlet and outlet of the gas generator 24. .
BAD ORfGINALBAD ORfGINAL
Regelung einer Sinteratmosphäre.Rege development e ne of sintering atmosphere.
Wenn man einen Sinterkörper aus einem bestimmten Oxyd eines Metalles herstellen will, von dem es mehrere Oxyde gibt, ist es erforderlich, den Gleichgewichtspartialdruck des Sauerstoffs in der Sinteratmosphäre genau einzustellen. So sei beispielsweise angenommen, daß ein Sinterkörper aus einem Metalloxyd der Zusam- Λ iTicnsetzunc M O, hergestellt werden soll, nicht jedoch der Zusammen-If one wants to produce a sintered body from a certain oxide of a metal, of which there are several oxides, it is necessary to precisely adjust the equilibrium partial pressure of the oxygen in the sintering atmosphere. So For example, assume that a sintered body of a metal oxide of Λ together iTicnsetzunc MO is to be prepared, but not for interconnection
el Del D
setzung M 0/i+2 \· Der Zusammenhang zwischen diesen beiden Metalloxyden kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden:setting M 0 / i +2 \ · The relationship between these two metal oxides can be described by the following equation:
H 0, + c0o = M 0,, - .
ab 2 a (b+2c)H 0, + c0 o = M 0 ,, -.
from 2 a (b + 2c)
Der Gleichgewichtspartialdruck des Sauerstoffs in der Sinteratrnosphäre rruß (in Ausdrücken von pO) so aufrecht erhalten werden, daß der der folgenden Beziehung genügt:The equilibrium partial pressure of oxygen in the sintered atmosphere soot (in expressions of pO) can be maintained, that it satisfies the following relation:
Vo >M0.h+? .Vo> M0. h +? .
ab a(b+2c)from a (b + 2c)
Um den nach dieser Beziehung richtigen Partialdruck (pO-Wert) zu erhalten, sind der Durchsatz und der pO-Wert des Sintergases im Sinterofen zu messen und einzustellen.To find the correct partial pressure (pO value) according to this relationship to obtain, the throughput and the pO value of the sintering gas in the sintering furnace must be measured and adjusted.
In der Figur 5 ist nun eine erfindungsgemäße Anordnung zur Hegelung beziehungsweise Einstellung einer Sinteratmosphäre dargestellt, mit der sich die erforderlichen engen Toleranzen einhalten lassen. Diese Anordnung wird in Verbindung mit einem Sinterofen verwendet, mit dem sich die folgende Reaktion ausführen läßt:An arrangement according to the invention for controlling or setting a sintering atmosphere is now shown in FIG. with which the required tight tolerances can be maintained. This arrangement is used in conjunction with a sintering furnace is used, with which the following reaction can be carried out:
909826/0860 BADORI(SINAu .,909826/0860 BADORI (SINAu.,
Bei der Durchführung eines Sinterprozesses, der nach dieser Beziehung abläuft, wird der Sinterofen 31 mit Hilfe einer Temperatu meß- und Steueranordnung 13 auf der richtigen Temperatur gehalten die zusammen mit einem Rechner 12 arbeitet. Zusätzlich wird dem Sinterofen 31 von einem Gaserzeuger 32 her Prozessgas zugeführt. fe Das Prozessgas aus dem Gaserzeuger 32 wird zum Teil über eine Leitung 33 umgewälzt, und der umgewälzte Teil des Gases wird dann innerhalb des Gaserzeugers mit Frischgas (beispielsweise Luft) gemischt und wieder dem Sinterofen zugeleitet. Um die Zusammensetzung des Prozessgases einzustellen, das dem Ofen 31 vom Gas-.When performing a sintering process, according to this relationship expires, the sintering furnace 31 with the help of a Temperatu measuring and control arrangement 13 is kept at the correct temperature which works together with a computer 12. In addition, process gas is fed to the sintering furnace 31 from a gas generator 32. fe The process gas from the gas generator 32 is partly via a Line 33 is circulated, and the circulated part of the gas is then inside the gas generator with fresh gas (for example air) mixed and fed back to the sintering furnace. To adjust the composition of the process gas that the furnace 31 from the gas.
. erzeuger 32 zugeführt wird, sind eine Durchsatzneßvorrichtung . -... und Steuerventile vorgesehen, die im Block 3^ zusammengefaßt sine und vom Rechner 12 angesteuert v/erden. Mit diesen im Block 3'l zusammengefaßten Bestandteilen der Anordnung wird das Luft/Brennstoff verhältnis für den Gasgenerator 32 derart eingestellt', daß das Prozessgas dem Sinterofen 31 in der optimalen Zusammensetzunf zugeführt wird. Zu diesem Zweck sind ein Gasanalysator und weitere Steuerventile vorgesehen, die im Block 35 zusammengefaßt sind. Im Block 35 sind die neu verfügbaren Sauerstoffsensoren, verwendet, mit denen der Sauerstoffpartialdruck in demjenigen Anteil des Sintergases festgestellt wird, der über die Leitung 3; dem Gasgenerator 32 wieder zugeführt wird, und außerdem wird mit diesen Sauerstoffsensoren der Sauerstoffpartialdruck in dem Prozessgas am Ausgang des Gaserzeugers gemessen, das dann dem. generator 32 is supplied, are a throughput measuring device. -... and control valves are provided, which are summarized in block 3 ^ and controlled by the computer 12 v / ground. With these components of the arrangement summarized in block 3'l, the air / fuel ratio for the gas generator 32 is set in such a way that the process gas is fed to the sintering furnace 31 in the optimum composition. A gas analyzer and further control valves, which are combined in block 35, are provided for this purpose. In block 35, the newly available oxygen sensors are used, with which the oxygen partial pressure is determined in that portion of the sintering gas which is via line 3; the gas generator 32 is supplied again, and also with these oxygen sensors, the oxygen partial pressure in the process gas is measured at the outlet of the gas generator , which is then the
' Sinterofen zugeführt wird. Die Daten über den Sauerstoffpartial- ' Sintering furnace is fed. The data on the partial oxygen
909820/0860909820/0860
druck werden dann dem Rechner 12 zugeführt, der daraus die Informationen errechnet, mit denen die Durchsatzmenge des umgewälzten Sintergases und der Durchsatz des Sintergases eingestellt werden, das vom Gaserzeuger 32 an den Sinterofen abgegeben wird. Auf diese Weise kann die Sinteratmosphäre innerhalb des Ofens 31 für den Ablauf der Reaktion optimalisiert werden, die durch die zi*eite Beziehung auf Seite 21 beschrieben ist. ä pressure are then fed to the computer 12, which uses it to calculate the information with which the throughput of the circulated sintering gas and the throughput of the sintering gas that is emitted from the gas generator 32 to the sintering furnace are set. In this way, the sintering atmosphere within the furnace 31 can be optimized for the course of the reaction, which is described by the relationship on page 21. Ä
Regelung' einer Reaktionsatmosphäre zum Karburieren. Regulation of a reaction atmosphere for carburizing .
Beim Karburieren von Metallteilen soll erreicht werden, daß in die Oberfläche der Metallteile Kohlenstoff in'einer bestimmten Konzentration eingelagert wird", und daß die Kohlenstoffkonzentration nach innen hin nach einem bestimmten Profil abnimmt. Um eine Gasatmosphäre zu schaffen, mit der Metallteile karburiert werden können, muß ein Gas mit einem ganz bestimmten Kohlenstoffpotential erzeugt werden. Hierzu werden Kohlenwasserstoffe verbrannt und die Verbrennungsprodukte werden aufbereitet (getrocknet und gereinigt). Der Gleichgewichtspartialdruck des Sauerstoffs ist eine Punktion der verschiedenen Prozeßvariablen, also eine Funktion der stöchiometrischen Zusammensetzung des verbrannten Kohlenwasserstoffs, des Luft/BrennstoffVerhältnisses, der Wirkungsgrade beim Trocknen und beim Reinigen sowie des ümfangs und der Geschwindigkeit des Karburierens selber. Wenn man den Gleichgewichtspartialdruck des Sauerstoffs nach jedem einzelnen Schritt mißt, kann man das Kohlenstoffpot-cnti al in GasWhen carburizing metal parts, the aim is to ensure that carbon in the surface of the metal parts is contained in a certain amount Concentration is stored ", and that the carbon concentration decreases towards the inside according to a certain profile. Um To create a gas atmosphere with which metal parts can be carburized, a gas with a very specific carbon potential has to be used be generated. For this purpose, hydrocarbons are burned and the combustion products are processed (dried and cleaned). The equilibrium partial pressure of oxygen is a puncture of the various process variables, i.e. a function of the stoichiometric composition of the burned hydrocarbon, the air / fuel ratio, the efficiency during drying and cleaning as well as the extent and the speed of the carburizing itself. if one measures the equilibrium partial pressure of oxygen after each individual step, one can determine the carbon potential in gas
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einstellen.to adjust.
In der Figur 6 ist ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Steuerung bzw. Regelung der Gaserzeugung, der Gasaufbereitung und der Verwendung des Gases in einem Karburierungsofen dargestellt. Der Karburierungsofen 41 erhält Karburierungsgas aus einem Gaserzeuger 42, das dem Ofen 41 durch Anordnungen 43 und 44 zum Trocknen und Reinigen des Gases zugeführt wird. Wie bereits erwähnt, werden im Gaserzeuger 42 als Brennstoffe Kohlenwasserstoffe verbrannt, und die Verbrennungsprodukte werden durch den Gastrockner und die Reinigungsanlage dem Karburierungsofen 41 zugeführt. Um die Verbrennung der Kohlenwasserstoffe zu steuern, sind eine Durchsatzmeßvorrichtung und Steuerventile vorgesehen, die im Block 45 zusammengefaßt sind. Diese Bestandteile der Anordnung werden von einem digitalen Prozeßrechner angesteuert. Außerdem wird auch der Gastrockner 43 vom Rechner 12 gesteuert. Hierzu ist ein üblicher Feuchtigkeitsmesser und ein Regler vorgesehen, die im Block 46 zusammengefaßt sind. Außerdem wird auch die Gasreinigungsanlage 44 über einen bekannten Regler 47 vom Rechner 12 her überwacht. An den Ausgängen des Gaserzeugers 42, des Trockners 43 und der Reinigungsanlage 44 wird der Gauerstoffpartialdruck mittels der Meßeinheiten 48, 49 und 51 gemessen. Die Meßeinheiten 48, 49 und 51 sind mit den neu verfügbaren Sauerstoffsensoren versehen, mit denen nach jedem Schritt der Gleichgewichtspartialdruck des Sauerstoffes im Gas gemessen wird,In the figure 6 is a block diagram of an arrangement for Control or regulation of the gas generation, the gas processing and the use of the gas in a carburizing furnace. The carburizing furnace 41 receives carburizing gas from a gas generator 42, which is fed to the furnace 41 through assemblies 43 and 44 is supplied for drying and cleaning the gas. As already mentioned, hydrocarbons are used as fuels in the gas generator 42 burned, and the combustion products are supplied to the carburizing furnace 41 through the gas dryer and the purification equipment. To increase the combustion of the hydrocarbons control, a flow rate measuring device and control valves are provided, which are combined in block 45. These components of the arrangement are controlled by a digital process computer. In addition, the gas dryer 43 is also controlled by the computer 12. A conventional moisture meter and a controller, which are combined in block 46, are provided for this purpose. aside from that the gas cleaning system 44 is also monitored by the computer 12 via a known controller 47. At the outlets of the gas generator 42, the dryer 43 and the cleaning system 44 is the oxygen partial pressure measured by the measuring units 48, 49 and 51. The measuring units 48, 49 and 51 are the newly available ones Provided oxygen sensors with which the equilibrium partial pressure of the oxygen in the gas is measured after each step,
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woraus man das Kohlenstoffpotential des Karburierungsgases bestimmen kann, das dem Karburierungsofen 1H zugeführt wird. Zusätzlich ist noch eine Anordnung 52 zur Bestimmung der Gaszusammensetzung und der Temperatur im Karburierungsofen 1M vorgesehen, die die Daten über diese Größen dem Rechner 12 zuführt. Gleichzeitig wird mit der Anordnung 52 über den Rechner 12 die Temperatur im Karburierungsofen ^l auf übliche Weise geregelt. from which we can determine the carbon potential of the carburizing gas which is supplied to the Karburierungsofen 1H. In addition, an arrangement 52 for determining the gas composition and the temperature in the carburizing furnace 1 M is provided, which feeds the data on these variables to the computer 12. At the same time, with the arrangement 52 via the computer 12, the temperature in the carburizing furnace ^ l is regulated in the usual way.
Die Anordnung nach Figur 6 dient dazu, für den Karburierungsofen 4l Karburierungsgas mit einem bestimmten Kohlenstoffpotential zu erzeugen und zu steuern. Hierzu wird der Gleichgewichtspartialdrucks des Sauerstoffs am Ausgang einer jeden Stufe gemessen, die für die Erzeugung des Karburierungsgases benötigt wird, und jede Stufe wird so gesteuert, daß das Kohlenstoffpotential des Karburierungsgases optimalisiert wird. Die hierbei auftretendenThe arrangement according to FIG. 6 is used for the carburizing furnace 4l carburizing gas with a certain carbon potential to generate and control. For this purpose, the equilibrium partial pressure the oxygen measured at the outlet of each stage, which is required for the generation of the carburizing gas, and each stage is controlled to optimize the carbon potential of the carburizing gas. The occurring here
~12 ~ 20~ 12 ~ 20
Sauerstoffpartialdrucke können zwischen 10 und 10 Atmosphären liegen, und daher sind die neu verfügbaren Sauerstoffsensoren für eine Verwendung in der Anordnung nach Figur 6 besonders gut geeignet.Oxygen partial pressures can be anywhere from 10 to 10 atmospheres, and so are the newly available oxygen sensors particularly well suited for use in the arrangement according to FIG.
In der Figur 7 sind graphische Darstellungen gezeigt, die auf berechneten Werten beruhen. Es ist der Ausgang des Gaserzeugers (nebst Trockner und Reinigungsanlage) gegenüber der Kohlenstoffverarmung und der Kohlenstoffaktivität ir,i Ofen aufgetragen worden. In der Figur 7 stellt die Abszisse die KohlenstoffverarmungIn FIG. 7, graphic representations are shown which are based on calculated values. It is the exit of the gas generator (together with dryer and cleaning system) compared to carbon depletion and carbon activity in the furnace. In Figure 7, the abscissa represents carbon depletion
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im Gas dar, während auf den Ordinaten verschiedene andere berechnete Eigenschaften des Karburierungsgases aufgetragen sind. Die Kurven aus Figur 7 wurden durch eine Simulierung, mit einem Digitalrechner erhalten, und die berechneten Eigenschaften, die dargestellt wurden, sind der Sauerstoffpartialdruck (pO und log Pq2) am linken Rand und die Kohlenstoffaktivität (AC) am rechten Rand. Wie sich der Figur 7 entnehmen läßt, kann man aus der Messung des Gleichgewichtspartialdrucks des Sauerstoffs in der Karburierungsatmosphäre direkt Daten über die Kohlenstoffverarmung und die Kohlenstoffaktivität im Karburierungsgas und damit über das Kohlenstoffpotential inder Karburierungsatmosphäre gewinnen.in the gas, while various other calculated properties of the carburizing gas are plotted on the ordinates. The curves of Figure 7 were obtained by simulation with a digital computer, and the calculated properties that were presented are the partial pressure of oxygen (pO and log Pq 2 ) on the left edge and the carbon activity (AC) on the right edge. As can be seen from FIG. 7, data about the carbon depletion and the carbon activity in the carburizing gas and thus about the carbon potential in the carburizing atmosphere can be obtained directly from the measurement of the equilibrium partial pressure of the oxygen in the carburizing atmosphere.
Die Figur 8 ist eine ähnliche graphische Darstellung, in der andere berechnete Eigenschaften einer Karburierungsatmosphäre aufgetragen sind. Insbesondere ist der direkte Zusammenhang zwischen dem Gleichgewichtspartialdruck des Sauerstoffs und dem Luft/Drennstoffverhältnis dargestellt, der zur Steuerung einen Gasgenerators für das Karburierungssystem nach Figur 6 verwendet werden kann.Figure 8 is a similar graph showing other calculated properties of a carburizing atmosphere are applied. In particular, there is the direct relationship between the equilibrium partial pressure of oxygen and the Air / fuel ratio shown, which is used to control a Gas generator for the carburization system of Figure 6 can be used.
Es sind vier verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden. Es gibt aber eine weitgrößere Anzahl metallurgischer und chemischer Prozeße, die in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt werden, auf die das Verfahren und die Anordnungen nach der Erfindung anwendbar sind. Die Erfindung be-Four different embodiments of the invention are described been. There are, however, a far greater number of metallurgical and chemical processes that take place in an oxygen-containing process Atmosphere to which the method and arrangements according to the invention are applicable. The invention
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inhaltet demzufolge ein*Verfahren und Vorrichtungen.zur Steuerung oder Regelung von Prozessen in einer säuerstoffhaltigen Gasatmosphäre, nach dem die Fähigkeit des Sauerstoffes in der Gasphase bestimmt wird, mit den Produkten, die dem Prozeß unterworfen sind, zu reagieren, beispielsweise durch Reduktion, Oxydation, Karburierung oder andere vergleichbare Erscheinungen, und nach dem das Ergebnis dieser Bestimmung dazu verwendet wird, zwecks Optimalisierung des Prozesses die Aufbereitung, der Gasatmosphäre zu steuern.therefore contains a * method and devices for control or control of processes in an oxygen-containing gas atmosphere, after which the ability of oxygen in the gas phase is determined with the products that are subjected to the process are to react, for example by reduction, oxidation, carburization or other comparable phenomena, and after the result of this determination is used for the purpose of optimizing the process, the preparation, the gas atmosphere to control.
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°2ρ 1/2
° 2
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pOin - p°WMa0b, P ° in - p0 out
pO in - p ° W Ma0b
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pu MaOb " " ~~ 4,575Tn ° - MaOb / b
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