DE2547933C2

DE2547933C2 - Elektro-akustisches Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Dicke schäumender Schlacke

Info

Publication number: DE2547933C2
Application number: DE2547933A
Authority: DE
Inventors: Jean Esch Alzette Baumert
Original assignee: Arbed SA
Current assignee: Arcelor Luxembourg SA
Priority date: 1974-10-31
Filing date: 1975-10-25
Publication date: 1985-12-19
Also published as: DE2547933A1; BE835019A; FR2289893A1; JPS5167202A; AT377362B; FR2289893B1; GB1523918A; SU778716A3; US4098128A; ATA831675A; JPS6129441B2; CA1070008A; LU71228A1

Description

a) daß aus dem akustischen Spektrum des aus Gefäß, Metallbad und Abgasanlage bestehender. Gesamtsystems das Resonanzfrequenzband bestimmt wird und zur Bestimmung der Dicke der Schlacke herangezogen wird,

b) daß die Schallerfassung entfernt von der Quelle un-rsr Zwischenschaltung eines Schallrohres an dem der heißen Quelle abgewandten kalten Ende unter konstant gehaltener Temperatur des Schallrohres vorgenommen wird,

c) daß nach der Schallerfassung das mittels des Mikrofons gebildete elektrische Signal elektrisch entzerrt wird,

d) und daß aus dem linearisierten (entzerrten) Signal die Anteile elektrisch herausgefiltert werden, die nicht dem in der Verfahrensstufe (a) festgestellten Resonanzfrequenzband entsprechen.

2. Verfahren ntch Aniyruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehre/e Resonanzfrequenzen aus dem Resonanzfrequenzband hei .ngezogen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Resonanzfrequenz die Eigenfrequenz des aus Gefäß, Metallbad unH Abgasanlage bestehenden Gesamtsystems herangezogen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Umsetzung des Geräuschsignals in das elektrische Signal resultierenden Nichtlinearitäten herausgefiltert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Störsigna-Ie durch Filterung der über dem Bereich der interessierenden Eigenfrequenzschwankungen liegenden Frequenzen unterdrückt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzbereich von etwa 60 Hz Breite innerhalb des Resonanzfrequenzbandes herangezogen wird, wobei in der Mitte dieses Frequenzbereiches die Eigenfrequenz des Gesamtsystems liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzbereich größer ist als das Resonanzfrequenzband des gesamten akustischen Spektrums.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Mikrofon stammende Signal nach der Filterung mit dem Signal eines Oszillators gemischt, die Zwischenfrequenz durch einen Bandfilter geleitet, verstärkt, gleichgerichtet und zur Anzeige herangezogen wird.

9. Elektro-akustische Vorrichtung zur Bestimmung der Dicke schäumender Schlacke in einem metallurgischen Gefäß durch Messung der Lautstärke des beim Sauerstoffblasen auftretenden Geräusches mittels eines Mikrofons (5) zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Schalirohr (1) thermisch isoliert und mit einem Temperaturfühler (7) sowie einem Heizelement (6) versehen ist,

daß das Mikrofon (5) an dem von der heißen Schallquelle abgewandten kalten Ende des Schallrohres (1) angeordnet ist und

daß dem Mikrofon (5) ein Korrekturfilter (8) zur Entzerrung nachgeordnet ist

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Schallrohr (1) eine Temperatur von etwa 100° C aufweist

1L Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturfilter (8) zur Kompensation der Resonanzen und Verzerrungen des Schallrohres (1) und des Mikrofons (5) bei deren Betriebstemperatur ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturfilier (8) ausschließlich aus passiven Elementen besteht

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturfilter (8) mit mehreren Stufen zur Korrektur mehrerer Resonanzen des Schallrohres (1) ausgestattet ist

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß dem Korrekturfilter (8) ein Tiefpaßfilter (9) nachgeschaltet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß dem Tiefpaßfilter (9) ein Bandfilter (12) nachgeschaltet ist, dessen Mittenfrequenz der Eigenfrequenz des Gesamtsystems entspricht und dessen Bandbreite etwa IOC Hz beträgt

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis i5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Korrekturf:!- ter (8) nacheinander ein Tiefpaßfilter (9), ein Oszillator (11) mit Modulator (10), ein Bandfilter (12), ein Gleichrichter (14) unu ein Aii-jeigeinstrument nachgeordnet sind.

Die Erfindung betrifft ein elektro-akustisches Verfahren zur Bestimmung der Dicke schäumender Schlacke in einem metallurgischen Gefäß durch Messung der Lautstärke des beim Sauerstoffblasen auftretenden Geräusches durch ein Mikrofon und Verwendung des Signals zur manuellen oder automatischen Prozeßsteuerung eines Frischprozesses sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Aufbereitung von Stahl in einem metallurgischen Sauerstoffblasgefäß im Stahlwerk führt zur Bildung ei ner schäumenden Schlacke, die auf der Oberfläche des flüssigen Metallbades schwimmt. Die Dicke dieserj Schlacke gibt Aufschluß über den Verfahrensprozeß und ist ein nützlicher Parameter sowohl im Hinblick aufi die manuelle wie auch auf die automatische Führung des; Frischprozesses. Die Zuverlässigkeit der zur Messun der Schlackendicke eingesetzten Meßfühler sowie die] Reproduzierbarkeit dieser Messungen sind somit von entscheidender Bedeutung für den Prozeßablauf.

Ein bekanntes Verfahren zur Kontrolle der Dicke de Schlacke während des Sauerstoffblasens sieht vor, diei Lautstärke des von in das Metallbad eingeleiteten Sauerstoffstrahl erzeugten Geräusches an der Gefäßschnauze mit einem Mikrofon zu messen und das Signal'

zur manuellen oder automatischen Prozeßsteuerung des Frischprozesses zu verwenden.

Allerdings wird im metallurgischen Gefäß beim Sauerstoffblasen ein breitbandiges Geräuschspektrum erzeugt, wobei das aus dem Gefäß, dem Metallbad und der Abgasanlage bestehende Gesamtsystem als Ganzes ein Resonanzsystem bildet, in dem sich die Sauerstoffblaslanze als Geräuschquelle befindet Unterschiedlich dikke, schäumende Schlackenschichten bewirken eine unterschiedlich starke Dämpfung des Blasgeräusches, wo- to bei eine große Schlackendicke eine ausgeprägte Dämpfung und eine geringe Schlackendicke eine entsprechend geringere Dämpfung der Lautstärke bewirkt Von dem Dämpfungsgrad kann auf die Dicke der Schlackenschicht rückgeschloss«n werden.

Um die Dicke der schäumenden Schlacke zu bestimmen, wird bisher das gesamte Geräuschspektrum herangezogen. Um das beste Verhältnis »nutzbares Geräusch/Neben- und Störgeräusch« zu erzielen und eventuelle Verzerrungen auf ein Minimuni zu beschränken, wird bisher das Mikrofon so nahe wie mögl'ch an der Gefäßschnauze des metallurgischen Gefäßes angeordnet Damit bedingt diese Art der Verfahrensweise eine Kühlung des Mikrofons und seiner Halterung. Das umlaufende Kühlwasser jedoch erzeugt neue Neben- oder Störgeräusche, die nur schwer kontrollierbar sind, da sie von den kleinsten Mengenänderungen abhängig sind, ebenso wie viele Geräusche, die durch Schlackenauswurf gegen den Meßfühler entstehen. Ein derartiges Meßverfahren unterliegt vielen Störeinflüssen und die damit erzielten Resultate sind nicht reproduzierbar. Darüberhinaus wird die Lebensdauer der Meßeinrichtung, insbesondere des Mikrofons, in einem starkem Maße eingeschränkt, da sie einer heißen und staubigen sowie sporadisch von Schlacken- oder Flüssigmetallauswurf durchsetzten Atmosphäre ausgesetzt ist

Wird ein Schallrohr zur Geräuschübertragung auf das Mikrofon verwendet, so wirkt sich die Temperaturabhängigkeit der Schallwellenausbreitung im Sinne einer Änderung der Übertragungs-Charakteristik des Schallrohres aus. Ein zweites Problem bei der Verwendung von Schallrohren besteht darin, daß diese ein auf der einen Rohrseite empfangenes Signal auf der anderen Seite nur verzerrt wiedergeben. Zudem besitzen derartige Schallrohre im Bereich der bevorzugt in Betracht gezogenen Meßfrequenzen (etwa 100 bis 250 Hz) mehrere Resonanzfrequenzen. Dabei haben Versuche ergeben, daß ein durch das Schallrohr verzerrtes und von Resonanzfrequenzen überlagertes Signal zu unüberwindbaren Problemen bei der Auswertung führt

Der Erfindung liegt daher öie Aufgabe zugrunde, ein elektro-akustisches Verfahren zur Bestimmung der Dikke schäumender Schlacke in einem metallurgischen Gefäß sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, die zuverlässig genaue und reproduzierbare Resultate ergeben, wobei insbesondere die Vorrichtung zur Integration in einen automatisch ablaufenden Prozeß geeignet sein soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit dem Verfahren vorgeschlagen, daß aus dem akustischen Spektrum des aus Gefäß, Metallbad und Abgasanlage bestehenden Gesamtsystems das Resonanzfrequenzband bestimmt wird und zur Bestimmung der Dicke der Schlacke herangezogen wird, d?ß die Schallerfassung entfernt von der Quelle unter Zwischenschaltung eines Schallrohres an dem der heißen Quell? abgewandten kalten Ende unter konstant gehaltener Temperatur des Schallrohres vnrannnmmen wird, daß nach der Schallerfassung das mittels des Mikrofons gebildete elektrische Signal elektrisch entzerrt wird und daß aus dem linearisierten (entzerrten) Signal die Anteile elektrisch herausgefiltert werden, die nicht dem in der Verfahrensstufe festgestellten Resonanzfrequenzband entsprechen.

Die Erfindung macht sich das Phänomen der Resonanz des aus dem Gefäß, dem Metallbad und der Abgasanlage bestehenden akustischen Gesamtsystems zunutze. Die entsprechende Resonanzfrequenz hängt vor allem von den geometrischen Dimensionen von dem Ge faß und der Abgasanlage ab sowie von der Höhe des im Gefäß befindlichen Metallbades und der Gastemperatur während des Blasens. Die Resonanzfrequenz schwankt geringfügig mit dem Verschleiß der feuerfesten Auskleidung im Gefäßinnern. Die nutzbare Spektrumsbreite ist von einem Stahlwerk zum anderen unterschiedlich, liegt jedoch im allgemeinen' zwischen 150 und 250 Hz. Bei einem gegebenen metallurgischen Gefäß ist das Rescnanzfrequenzband konstant, da der Füllungsgrad mit der Schmelze konstant ist -,ad die darauf schwimmenden Schlacken aufgrund ihrer schaumartigen Beschaffenheit die Frequenzen nicht ändern. Unterschiediich dicke, schäumende Schlackenschichten bewirken lediglich eine unterschiedlich starke Dämpfung des Blasge; iusches, wobei eine große Schlackendicke eine ausgeprägte Dämpfung und eine geringe Schlakkendicke eine entsprechend geringere Dämpfung der Lautstärke bewirkt Der Dämpfungsgrad gibt daher den gewünschten Hinweis auf die Dicke der Schlackenschicht

Die Resonanzbreite bei einem bestehenden System beträgt im allgemeinen weniger als 100 Hz.

Das Resonanzfrequenzband des Gesamtsystems wird zu Beginn der Inbetriebnahme in einem »toten Raum« gemessen. Dieses Resonanzfrequenzband umfaßt normalerweise mehrere Resonanzen der im Schaürohr auftretenden stehenden Wellen, wobei Eigenfrequenzen des Gesamtsystems in das Resonanzfrequenzband fallen.

Das nach der Schallerfassung des mittels des Mikrofons gebildete elektrische Signal wird durch ein weitgehend auf die charakteristische Eigenfrequenz des im Einsatz befindlichen und mit entsprechender Meßvorrichtung versehenen Cefäßes zentriertes Bandfilter gefiltert. Dabei ist die Stärke bzw. Dämpfung des resultierenden Signals ein Maß für die Höhe der auf der Metallschmelze schwimmenden schäumenden Schlacke.

Die Tatsache, daß im allgemeinen die Bedingungen und damit die Resonanzfrequenzen bei jedem Gesamtsystem verschieden sind, bringt die Notwendigkeit mit sich, eine Bestimmung des Resonanzfrequenzbandes des Gesamtsystems anzufertigen. Hierzu können ein Brei'.baiijnsikrofon eingesetzt und die Geräusche des sich im Betrieb befindenden metallurgischen Gefäßes aufgezeichnet und gleichzeitig die Änderung der Schlackenschichtdicke beobachtet werden. Das dabei ermittelte Frequenzspektrum wird nachfolgend analysiert, um herauszufinden, welches Frequenzband am aussagekräftigsten ist, d. h. weiches Frequenzband die Veränderung der Schlackenschichtdicke am deutlichsten wiedergibt Es gelangen dabei zumeist zwei oder drei Frequenzen in die nähere Auswahl, bevor man sich für eine bestimmte Frequenz festlegt. Diese Frequenz liegt, wie erwähnt, für gängige metallurgische Gefäße erfahrungsgemäß zwischen 150 und 250 Hz. Liegt diese optimale Frequenz einmal fest, so wird die dem Mikrofon nachgeordnete Elektronik darauf abgestimmt. Neue Ausmauerungen des metallurgischen Gefäßes verschie-

ben die Resonanzfrequenzen leicht. Da aber bevorzugt in einem Frequenzbereich von etwa 60 Hz Breite gearbeitet wird, sind derartige Verschiebungen unerheblich. In dem für die Auswertung bevorzugten Frequenzbereich treten dann aufgrund des Linearisierungsfilters keine wesentlichen, frequenzbedingten Amplitudenänderungen mehr auf.

Um die Anwendung des Meßverfahrens auf verschiedene Frischanlagen zu ermöglichen, ist ein Frequenzwechsel mit Hilfe eines NF-Superhet-Empfängers vorteilhaft. Die Bandfilterung kann so in einem Festfilter mit geringeren Abmessungen, beispielsweise mit einer Bandbreite von 60 Hz erfolgen. Auf diese Weise wird die Einrichtung äußerst flexibel, d. h. sie kann selbst bei veränderten Betriebsverhältnissen noch weiter benutzt werden. Hierzu bedarf es lediglich einer Justierung der Frequenz des örtlichen Oszillators, der kontinuierlich auf die neue charakteristische Frequenz nachgestellt wird.

Durch Inbetriebnahme eines hochselektiven Filters, beispielsweise mit einem Durchgang von 5 Hz, kann das Verfahren als Frequenzanalysator eingesetzt werden. Zu diesem Zweck wird das nutzbare Geräusch bzw. das Stör- oder Nebengeräusch, das analysiert werden soil, auf Magnetband aufgezeichnet, wobei die für die verschiedenen Empfangsfrequenzen des Superhet registrierten Signale weitergek.iet und die festgestellten Amplituden festgehalten werden.

Das erfindungsgeniäße Verfahren hat den Vorteil, daß die Messung genau ist und ausschließlich nutzbare Frequenzen beinhaltet, da aus dem akustischen Spektrum des Gesamtsystems am Anfang das Resonanzfrequenzband bestimmt wird und dann zur Bestimmung der Dicke der Schlacke herangezogen wird Die Messungen sind darüberhinaus reproduzierbar, was um so wesentlicher is»-, als im praktischen Einsatz kaum Mittel vorhanden sind, um die Genauigkeit der erzielten Resultate kontrollieren zu können. Resonanzfrequenz-Schwankungen in Abhängigkeit von der Temperatur der eingeschlossenen Luftsäule im Schallrohr treten nicht auf, da eine konstant gehaltene Temperatur des Schallrohres vorgenommen wird. Diese Temperatur liegt vorzugsweise über der Umgebungstemperatur, beispielsweise bei 100⁰C. Mit dem dadurch verbundenen Wegfall der Wasserkühlung entfallen auch die durch Strömung und ggf. Sieden oder Aufwallen bedingten Störgeräusche, die ansonsten den gewonnenen Meßwert verfälschen wurden. Durch das Korrekturglied werden Störungen linearisiert und entzerrt, wobei derartige Störungen durch Jas Schallrohr und durch seine Eigenresonanzen entstehen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es somit erstmalig, auf elektro-akustischem Wege wirklich zuverlässige und reproduzierbare Aussagen über die Schlackenschichtdicke zu machen.

Ausgehend von einer elektro-akustischen Vorrichtung zur Bestimmung der Dicke schäumender Schlacke in einem metallurgischen Gefäß durch Messung der Lautstärke des beim Sauerstoffblasen auftretenden Geräusches mittels eines Mikrofons zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, daß das Schallrohr thermisch isoliert und mit einem Temperaturfühler sowie einem Heizelement versehen ist, daß das Mikrofon an dem von der heißen Schallquelle abgewaiidten kalten Ende des Schallrohres angeordnet ist und daß dem Mikrofon ein Korrekturfilter zur Entzerrung nachgeordnet ist

Mit dieser Vorrichtung wird der Vorteil erzielt, daß der Einsatz relativ empfindlicher Mikrofone, wie Kondensatormikrofone möglich ist, ohne daß eine Einbuße an Lebensdauer in Kauf genommen werden muß. Die Vorrichtung ist flexibel und läßt sich an j»:dcr Art metallurgischer Behälter anpassen. Sie ist einfach zu benutzen und unabhängig in dem Sinne, daß zu ihrer Steuc rung keine besonderen Einrichtungen erforderlich sind. Durch das Korrekturfilter, das dem Mikrofon nachgeordnet ist, wird eine Entzerrung des vom Mikrofon gewonnenen elektrischen Signals durchgeführt.

ίο Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung werden nunmehr anhand der Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch die aus Schall rohr und Mikrofon bestehende Sonde,

F i g. 2 ein Prinzipschema, aus welchem der Funktionsablauf des elektrischen Teils der Meßvorrichtung ersichtlich ist.

Ein Schallrohr t, das vorteilhafterweise aus einem Kupferrohr besteht, ist in einem Blechmantei Z von beliebiger Form und beliebigem Querschnitt angeordnet, der beispielsweise gegenüber der Mündung des Schallrohres 1 mit einem Schutzschild gegen eventuelle Flüssigauswürfe versehen sein kann und der mit Glaswolle 3 als mechanisches Träger- sowie als Wärme- und Schallisolierungsmaterial speziell entlang dem langen und dünnen Schallrohr 1 ausgestopft ist. Mit Hilfe eines Kupplungsnücks 4 ist ein Mikrofon 5 mit dem kalten Ende des Schallrohres 1 verbunden. Ein Heizelement 6 in Form eines Kabels ist um das Schallrohr 1 herumgelegt und es ist ein zur Wärmeregulierung des Schallrohres 1 dienender Temperaturfühler 7 an diesem angeschweißt. Das von der aus dem Schallrohr 1 und dem Mikrofon 5 bestehenden Sonde erfaßte Geräusch wird mittels eines Korrektufilters 8 korrigiert. Das korrigierte Signal wird durch ein Tiefpaßfilter 9 geleitet, das die Störbelastungen (beispielsweise das Geräusch akustischer Melder) außerhalb des interessierenden Bereichs unter drückt 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 in einem Verstärker 13 verstärkt und in einem Gleichrichter 14 gleichgerichtet

Die Einstellung des absoluten Pegels, d. h. der kontinuierlichen Komponente des Signals, erhält man mit Hilfe eines Potentiometers 17. Die gleichgerichtete Spannung wird in einen proportionalen Strorr 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

Nach erfolger Anwendung des Frequenzwechselprinzips beginnt jeder neue Einsatz mit der Bestimmung der charakteristischen Resonanzfrequenzen. In der Anfangsphase dient das System als Analysator, während es nach Ermittlung der charakteristischen Resonanzfrequenzen die Funktion eines einfachen Verstärkers/Demodulators hat wobei der Oszillator 11 gesperrt ist

In Fällen, wo die charakteristische Resonanzfrequem (Eigenfrequenz) im voraus bekannt ist nachdem ein« vorläufige Analyse durchgeführt wurde, können der Os zillator 11 und der Modulator iö weggelassen und dai Bandfilter 12 direkt auf die Eigenfrequenz eingerichtei werden, ohne Frequenzverschiebungen zu berücksichtigen, wobei jedoch in diesem Falle diese Verschiebunger

nicht zu groß sein dürfen, andernfalls eine Neuberech nung für das Bandfilter 12 erforderlich ist.

Im Prinzip umfaßt die vollständige Kette, d.h. die Frequenzwechselkette, wie vorbeschrieben eine Bandfiltereinheit 12, die aus zwei Filtern bestehen kann, wo- 5 bei 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 wird. Der Einsatz 10 eines Hüters mit größerem Durchgangsbereich macht es möglich, die Zahl der Korrekturen der Frequenz des Superhet-Oszillators bei solchen Einsätzen zu verringern, wo die Frequenzverschiebungen ausgeprägter sind. 15

Der zweite Oszillator 18 ermöglicht an Ort und Stelle eine schnelle Kontrolle der Funktion des elektrischen Kreises.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 20

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Claims

Patentansprüche:

1. Elektro-akustisches Verfahren zur Bestimmung der Dicke schäumender Schlacke in einem metallurgischen Gefäß durch Messung der Lautstärke des beim Sauerstoffblasen auftretenden Geräusches durch ein Mikrofon und Verwendung des Signals zur manuellen oder automatischen Prozeßsteuerung eines Frischprozesses, dadurch geken·: reichnet,