DE2547933A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der akustischen intensitaet am ausguss eines metallurgischen gefaesses beim frischen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur messung der akustischen intensitaet am ausguss eines metallurgischen gefaesses beim frischen

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Description

DIPL.-ING. ALEX STENGER
D-4000 DÜSSELDORF 1 DIPL.-ING. WOLFRAM WATZKE
Malkastenstraße 2 DIPL.-ING. HEINZ J. RING
Unser Zeichen: iß ^ Datum: ^. Oktober 1975
Acieries Reunies de Burbach-Eich-Dudeianyje S.A. ARBED Avenue de Ia Liberte, Luxemburg
Verfahren und Vorrichtung zur Messung der akustischen Intensität am Ausguß eines metallurgischen Gefäßes
beim Frischen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Füllstandes eines metallurgischen Gefäßes, insbesondere zur Messung der Höhe der schäumenden Schlacke in einem Gefäß zum Frischen von Roheisen mit Sauerstoff.
Die Aufbereitung von Stahl in einem Sauerstoffblasgefäß im Stahlwerk führt zur Bildung einer schäumenden Schlacke, die auf der Oberfläche des flüssigen Metallbades schwimmt. Dementsprechend ist die Dicke dieser Schlacke ein sehr nützlicher Parameter sowohl im Hinblick auf die manuelle wie auch die automatische Führung des Frischprozesses. He Zuverlässigkeit der zur Messung dieser Größe eingesetzten Meßfühler sowie die Reproduzierbarkeit dieser Messungen sind somit von entscheidender Bedeutung.
Ein Verfahren zur Kontrolle der Schlackenbildung während des Blasens beinhaltet die Messung der Lautstärke des vom in das Bad eingeleiteten Sauerstoffstrahl erzeugten Geräusches an der Gefäß schnauze.
Um das beste Verhältnis "nutzbares Geräusch/Nebengeräusch" zu erzielen und eventuelle Verzerrungen auf ein Minimum zu beschränken, wurde nach bisheriger Übung das Mikrophon so nahe wie möglich an der Gefäßschnauze angeordnet. Damit bedingt diese Art der Verfahrensweise eine Kühlung des Mikrophons und seiner Halterung. Das umlaufende Kühlwasser jedoch erzeugt neue
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Telefon (0211) 36 0511 · Telegrammadresse: Dabspatent · Fosisdiedtlconto KBln 227610
Neben- oder Störgeräusche/ die nur schwer kontrollierbar sind, da sie von den kleinsten Mengenänderungen abhängig sind, ebenso wie Siedegeräusche, die durch Schlackenauswurf gegen den Kesfühler entstehen. Eine derartige Messung unterliegt also vielen Störeinflüssen und es sind die erzielten Resultate kaum reproduzierbar.
Darüberhinaus wird die Leberadauer des Meßfühlers aufgrund der Tatsache, daß er einer heißen und staubigen sowie sporadisch von Schlacken- oder Flüssigtnetallauswurf durchsetzten Atmosphäre ausgesetzt werden muß, in einem starken Maße eingeschränkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten auszuschalen und ein Meßverfahren sowie eine Meßvorrichtung zu schaffen, die zuverlässig genaue und reproduzierbare Resultate ergeben, und insbesondere eine Vorrichtung, die zur Integration in einen automatisch ablaufenden Prozeß geeignet ist.
Das erfindungsgemäße elektro-akustische Meßverfahren zur Bestimmung der Höhe von schäumender Schlacke in einem metallurgischen Gefäß ist dadurch gekennzeichnet, daß Schallwellen durch ein tterrnostatisiertes Schallrohr geleitet werden und daß der durch dieses Schallrohr bedingte nichtlineare Frequenzgang auf elektrischem Wege kompensiert wird.
Die erfindungsgemäße elektro-akustische Meßvorrichtung zur Bestimmung der Höhe von schäumender Schlacke in einem metallurgischen Gefäß ist gekennzeichnet durch ein Schallrohr, an dessen dem Gefäß entgegengesetzten Ende ein Meßfühler befestigt ist, welcher thermisch und mechanisch isoliert und thermostatisiert ist, während das vom Meßfühler ausgegebene elektrische Signal von einem Korrekturfilter korrigiert wird.
Der Meßfühler, der als solcher zweckmäßigerweise ein Kondensatormikrophon aufweisen kann, ist am kalten Ende eines Schallrohrs montiert, welches vorteilhafterweise aus einem geraden oder nichtgeraden Kupferrohr besteht. Wegen der in einem solchen Rohr auftretenden stehenden Wellen sowie der Resonanz-
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frequenz Schwankungen in Abhängigkeit von eier Temperatur der eingeschlossenen Luftsäule würde die Sonde als solche den Ansprüchen nicht genügen. Sie wird daher bei der Erfindung mit einem Thermostaten für eine Temperatur, die vorzugsweise über der Umgebungstemperatur liegt,versehen, beispielsweise für eine solche von 1000C. Mit dem Wegfall der Wasserkühlung entfallen auch die durch Strömung und gegebenenfalls Sieden oder Aufwallen bedingten Störgeräusche und erhält man eine Bezugstemperatur, auf welche die Berechnungen für die Kompensation des Frequenzgangs der Sonde abgestellt werden.
Die Erfindung macht sich das Phänomen der Resonanz des aus dem Gefäß und der Abgasanlage bestehenden akustischen Gesamtsystems zunutze. Die entsprechende Resonanzfrequenz hängt vor allem von den geometrischen Dimensionen von Kamin und Gefäß ab sowie von der Höhe des im Gefäß befindlichen Flüssigmetalls.und der Gastemperatur während des Blasens; sie schwankt geringfügig mit dem Verschleiß der feuerfesten Auskleidung im Gefäßinnern. Die nutzbare Spektrumsbreite ist also von einem Stahlwerk zum anderen unterschiedlich, liegt jedoch im allgemeinen zwischen und 250 Perioden/sek. Die Resonanzstärke beträgt im allgemeinen weniger als 100 Perioden/sek. Die Geräuschstärke ist von der Höhe der schäumenden Schlacke abhängig.
Der Frequenzgang des Schallrohrs mit dem Mikrophon, der nur einmal in einem "toten Raum" gemessen wird, wird durch einen Filter mit einem ausreichend weiten Bereich kompensiert, damit die Funktion innerhalb der Bandbreite der Eigenfrequenzen, beispielsweise löG bis 250 Perioden/Sek., ermöglicht wird. Dieser Bereich umfaßt normalerweise mehrere Resonanzen der im Rohr gegebenenfalls auftretenden stehenden Wellen.
Das auf diese Weise korrigierte Signal wird durch ein weitgehend auf die charakteristische Eigenfrequenz des im Einsatz befindlichen und mit entsprechender Meßvorrichtung versehenen Gefäßes zentriertes Bandfilter gefiltert. Die Stärke bzw. Dämpfung des
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resultierenden Signals ist ein Maß für die Höhe der auf der Metallschmelze schwimmenden schäumenden Schlacke.
Die Tatsache, daß im allgemeinen die Bedingungen und damit die Resonanzfrequenz bei jedem Gefäß verschieden sind, bringt die Notwendigkeit mit sich, eine Spektralanalyse des Geräuschs des aus dem betrieblichen Gefäß und Kamin bestehenden gesamten akustischen Systems anzufertigen.
Um die Anwendung des Meßverfahrens auf verschiedene Frischanlagen zu ermöglichen, ist ein Frequenzwechsel· mit Hiife eines NF-Superhet-Empfängers aus diesem Grunde sehr angezeigt. Die Bandfilterung kann so in einem Festfilter mit geringeren Abmessungen, beispielsweise mit einer Bandbreite von 60 Zyklen/ Sek., vonstatten gehen. Die Einrichtung wird auf diese Weise äußerst flexibel, d.h. sie&ann selbst bei veränderten Betriebsverhältnissen noch weiterbenutzt werden. Hierzu bedarf es lediglich einer Justierung der Frequenz des örtlichen Oszillators, der kontinuierlich nachstellbar ist, auf die neue charakteristische Frequenz.
Aus praktischen Gründen wird der Oszillator während einer Blaskampagne nur ein einziges Mal auf die charakteristische Frequenz eingestellt, wenngleich die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einstellung nach Belieben gestattet.
Damit die Frequenz des örtlichen Oszillators nicht zu oft geändert werden muß, wird für das Festfilter ein Durchlaßbereich von 100 Zyklen/Sek., der unter Ermöglichung eines noch ausreichenden Verhältnisses Signal/Geräusch die Vorrichtung unempfindlich macht gegen Schwankungen der Resonanzfrequenz des aus Gefäß und Kamin bestehenden Gesamtsystems (während einer Blaskampagne bzw. während des Blaszyklus für eine Charge), gewählt.
Außerdem wird durch Anschalten eines hochselektiven Filters,beispielsweise mit einem Durchgang von 5 Zyklen/Sek., eine Vorrichtung geschaffen, die als Fr.equenzanalysator eingesetzt wer-
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? S 4 7 9 3
den kann. Zu diesem Zweck wird das nutzbare Geräusch (bzw. das Stör- oder Nebengeräusch), das analysiert werden soll, auf Magnetband aufgezeichnet, werden die für die verschiedenen Empfangsfrequenzen des Superhet registrierten Signale weitergeleitet und werden die festgestellten Amplituden festgehalten.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Meßverfahrens und der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung sind im wesentlichen folgende:
Die Messung ist genau und beinhaltet ausschließlich nutzbare Frequenzen. Die Vorrichtung ist. so vorteilhaft konzipiert, daß der Einsatz relativ zerbrechlicher Meßfühler, beispielsweise eines Kondensatormikrophons, möglich ist, ohne daß eine Einbuße an Lebensdauer in Kauf genommen werden müßte. Die Lebensdauer des Meßfühlers beträgt mindestens ein Jahr. Die Vorrichtung ist flexibel und läßt sich an jede Art metallurgischer Behälter anpassen. Sie ist leicht benutzbar und unabhängig in dem Sinne, daß/zu ihrer Steuerung keine besonderen Einrichtungen erforderlich sind. Die Messungen sind reproduzierbar, was umso wesentlicher ist, als im praktischen Einsatz kaum Mittel vorhanden sind, um die Genauigkeit der erzielten Resultate zu kontrollieren.
Die Erfindung ist in Form eines Beispiels und in nicht einschränkendem Sinne in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die aus Schallrohr und Mikrophon bestehende Sonde,
Fig. 2 ein Prinzipschema, aus welchem der Funktionsablauf des elektrischen Teils der Meßvorrichtung ersichtlich ist.
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System zur Schallsignalerfassung
Ein Schallrohr ist in einem Blechmantel 2 von beliebiger Form und beliebigem Querschnitt angeordnet, der beispielsweise gegenüber der Mündung des Rohrs 1 mit einem Schutzschild gegen eventuelle Flüssigauswürfe versehen sein kann und der mit Glaswolle 5 als mechanisches Träger- sowie als Wärme- und Schallisolierungsmaterial speziell entlang dem langen und dünnen Rohr 1 ausgestopft ist. Mit Hilfe eines Kupplungsstücks 4 ist ein Mikrophon 5 mit dem kalten Ende des Schallrohrs 1 verbunden.Eine Heizwicklung 6 in Form eines Kabels ist um das Rohr 1 herumgelegt und es ist ein zur Wärmeregulierung des Meßfühlers dienendes ftermoelement 7 an diesem angeschweißt.
System zur Verarbeitung des elektrischen Signals
Das von der Sonde erfaßte Geräusch wird mittels eines Korrekturfilters δ korrigiert. Das korrigierte Signal wird durch ein Tiefpaßfilter 9 geleitet, das die Störbelastungen (beispielsweise das Geräusch akustischer Melder) außerhalb des interessierenden Bereichs unterdrückt bzw. abdämpft, deren Stärken einen Modulator 10 sättigen könnten.
Dem Modulator 10 wird das korrigierte und vorgefilterte Signal und darüberhinaus das von einem Oszillator 11 kommende Signal zugeführt. Die Differenz zwischen den Frequenzen dieser beiden Signale wird über ein Bandfilter 12 geleitet sowie anschließend verstärkt in 13 und gerichtet in 14.
Die Einstellung des absoluten Begels, d.h. der kontinuierlichen Komponente des Signals, erhält man mit Hilfe eines Potentiometers 17. Die gerichtete Spannung wird in einen proportionalen Strom im normalisierten Bereich 0 bis 20 mA umgewandelt. Ein Spannungs-Strom-Wandler 16 ist mit einem zweiten Potentiometer 15 versehen, mit dem die Verstärkung einstellbar ist.
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Nach erfolgter Anwendung des Frequenzwechselprinzips beginnt jeder neue Einsatz mit der Peststellung der charakteristischen Frequenz. In der Anfangsphase dient das System als Analysator, während es nach Ermittlung der charakteristischen Frequenz die Punktion eines einfachen Verstärkers/Demodulators hat, wobei , der Oszillator 11 gesperrt ist.
In Fällen, wo die charakteristische Frequenz (Eigenfrequenz) im voraus bekannt ist, nachdem eine vorläufige Analyse durchgeführt wurde, können der Oszillator 11 und der Modulator 10 weggelassen und das Bandfilter 12 direkt auf die Eigenfrequenz eingerichtet werden, ohne PrequenzverSchiebungen zu berücksichtigen, wobei jedoch in diesem Falle diese Verschiebungen nicht zu groß sein dürfen, andernfalls eine Neuberechnung für das Bandfilter 12 erforderlich ist.
Im Prinzip umfaßt die vollständige Kette wie vorbeschrieben,d.h. die Frequenzwechselkette, eine Bandfiltereinheit 12, die aus zwei Filtern bestehen kann, wobei das Engbereichfilter zur Analyse des Spektrums dient, während nach Beendigung derselben und Übergang zur industriellen Durchführung das zweite Filter mit einem weiteren Durchgangsbereich (jedoch mit gleicher Mittelfrequenz) angeschaltet wM, Der Einsatz eines Filters mit größeren Durchgangsbereich macht es möglich, die Zahl der Korrekturen der Frequenz des Superhet-Oszillators be:ysolchen Einsätzen zu verringern, wo die Frequenzverschiebungen ausgeprägter sind.
Der zweite Oszillator 18 ermöglicht an Ort und Stelle eine schnelle Kontrolle der Funktion des elektrischen Kreises.
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Claims (1)

  1. Ansprüche :
    Elektro-akustisches Meßverfahren zur Bestimmung der Höhe schäumender Schlacke in einem metallurgischen Gefäß, dadurch gekennzeichnet, daß Schallwellen durch ein thermostatisiertes wärmereguliertes Schallrohr geleitet werden und daß der durch dieses Schallrohr bedingte nichtlineare Frequenzgang auf elektrischem Wege kompensiert wird.
    2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation für einen Frequenzbereich wirksam ist, der mehrere Resonanzfrequenzen des Schallrohrs umfaßt.
    3. Verfahren gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,daß der Frequenzbereich, für welchen die Kompensation wirksam ist, weitgehend auf die Eigenfrequenz des Gesamtsystems bestehend aus dem Gefäß mit der Schmelze und dem Kamin, abgestimmt ist.
    4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis J>, dadurch gekennzeichnet, daß nicht nur die Resonanzen des Rohrs, sondern auch die Nichtlinearitäten, die aus der Umsetzung des Schallsignals in ein elektrisches Signal resultieren können, kompensiert werden.
    5· Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß 'ein Teil der St or signale unterdrückt wird, indem durch Filterung die über dem Bereich der interessierenden Eigenfrequenzschwankungen liegenden Frequenzen ausgeschaltet werden.
    6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5* gekennzeichnet durch Filterung eines Bereichs von relativ geringerer Breite, z.B. 6o Phasen/Sek., innerhalb des Gesamtbereichs der interessierenden Frequenzen, wobei dieser Durchgangsbereich auf die Eigenfrequenz des Gesamtsystems aus Gefäß,Schmelze
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    -M-
    und Kanin zentriert ist, sowie durch Benutzung des resultie.-renden Signals als Anzeige für die Schlackenhöhe.
    7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterdurchgangsbereich größer ist als die Kurve der Resonenzfrequenz des gesamten akustischen Systems.
    ö. Verfahren gemäß einem der ansprüche 1 bis J, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzwechsel des elektrischen Signals nach dem an sich bekannten Superhet-Prinzip bewirkt wird.
    -j. Verfahren gemäß Anspruch 8,. gekennzeichnet durch Filterung eines Bereichs von sehr geringer Breite, z.B. von 5 Phasen/ Sea., innerhalb des Gesamtbereichs der interessierenden Frequenzen sowie durch Bestimmung der Eigenfrequenz des gesamten akustischen Systems durch Veränderung der Frequenz des Superhet-Oszillators.
    10. Elektro-akustische Meßeinrichtung zur Bestimmung der Höhe von schäumender Schlacke in einem metallurgischen Gefäß,gekennzeichnet durch ein Schallrohr (1), an dessen dem Gefäß entgegengesetzten Ende ein Meßfühler (5) befestigt ist, welcher thermisch und mechanisch isoliert und thermostatisiert ist, während das vom Meßfühler (5) ausgegebene Signal von einem KorrekturfiIter (8) korrigiert wird.
    11. Meßeinrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,daß die regulierte Temperatur des Rohrs (1) 1000C beträgt und daß das KorrekturfiIter (8) so ausgelegt ist, daß die Resonanzen und Dämpfungen des Rohrs (1) und Meßfühlers (5) bei dieser Temperatur kompensiert werden.
    12. Meßeinrichtung gemäß Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturfilter (8) ausschließlich aus passiven Elementen besteht.
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    I^. Meßeinrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,daß das Filter (ö) mit genügend Stufen ausgestattet ist, um mehrere Resonanzen des Schallrohrs (1) korrigieren zu können.
    Ik. Meßeinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis IJ, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente des Filters (8) passend zur Kompensation des elektrischen Signals sowohl gegen niedrige wie auch höhere Frequenzen als die Eigenfrequenz des aus Gefäß, Schmelze und Kamin bestehenden Gesamtsystems eingerichtet sind.
    15. Meßeinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch ein so eingestelltes Tiefpassfilter (9), daß die Storsignale der über dem Bereich der für den Metallurgen interessanten'Eigenfrequenzschwankungen liegenden Frequenzen ausgeschaltet werden.
    16. Meßeinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis I5, gekennzeichnet durch einen NF-Superhet mit kontinuierlich einstellbarer Empfangsfrequenz, welcher das Signal gegen eine feste Frequenz transponiert und anschließend demoduliert.
    17· Meßeinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet, durch ein Bandfilter (12) mit einem Bereich von beispielsweise 100 Phasen/Sek., der auf die Eigenfrequenz einjustiert ist, und daß ein elektrischer Anzeiger die Schlackenhöhe anzeigt .
    18. Meßeinrichtung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,daß die Selektivität des Bandfilters auf ca. 5 Phasen/Sek. reduziert ist-
    19. Meßeinrichtung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß diese als Frequenzanalysator eingesetzt wird.
    - 11 -.
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