DE2754345A1

DE2754345A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen messung des kohlenstoffgehaltes in traegersubstanzen

Info

Publication number: DE2754345A1
Application number: DE19772754345
Authority: DE
Inventors: Friedel Dipl Ing Isenhardt; Roland Dipl Phys Dr Pfeiffer; Chazzy Dipl Ing Dr Rao
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1977-12-07
Filing date: 1977-12-07
Publication date: 1979-06-13
Also published as: AU4227778A; ZA786858B; BR7807976A; PL114241B1; PL211493A1

Description

Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des
Kohlenstoffgehaltes in Trägersubstanzen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Kohlenstoffgehaltes in Trägersubstanzen, vorzugsweise in Metallen.
Um eine automatische Prozeßführung vorzugsweise bei der Herstellung eines Gases durch Vergasung von Brennstoffen in einer Schmelze, beispielsweise in einer Metallschmelze, zu ermöglichten, ist eine kontinuierliche Bestimmung und Analyse, insbesondere des Kohlenstoffgehaltes in der Metallschmelze erwünscht.
Grundsätzlich ist die kontinuierliche Analyse von Schmelzen bekannt.
Zu den wichtigsten Verfahren, welche zur kontinuierlichen Analyse von flüssigem Metall geeignet sind, zählen unter anderem die Methoden der Spektralanalyse und der Röntgenfluoreszenz-Analyse. Diese beruhen auf der Messung elektromagnetischer Wellen, welche insbesondere von der dampfförmigen Materie emittiert werden, wobei ein definierter, verhältnismäßig schmaler Wellenlängenbereich fltr jedes Element charakteristisch ist. Die Durchführung der Spektralanalyse erfolgt in der Weise, daß dem zu prüfenden Material eine Probe entnommen und im Analysengerät beispielsweise durch eine elektrische Entladung verdampft wird, während das ausgestrahlte Licht durch ein Prisma oder ein Gitter zerlegt und die Intensität der Spektrallinien gemessen wird. FUr die Messung von Komponenten einer Schmelze ist die Spektralanalyse wegen der Notwendigkeit der Probenentnahme und Zuführung zum Analysengerät nicht sonderlich geeignet, weil einerseits zwischen Probenentnahme und Analysenergebnis eine unerwünschte, gegebenenfalls unterschiedliche Zeitspanne liegt, und weil andererseits die Entnahme einer im Verhältnis zur Masse der am Prozeß beteiligten Schmelze winzigen Probe die Möglichkeit eines nicht repräsentativen Analysenwertes nicht ausschließt. Auch die Röntgenfluoreszenzanalyse weist die gleichen Nachteile auf.
Um eine Überwachung der automatischen Prozeß führung bei der Stahlerzeugung, insbesondere bei der Sauerstoffaufblastechnik zu gewährleisten, wurde bereits eine sogenannte "Spontananaly8e" durch Ausnützung der prompten (n,{)-Prozesse untersucht. Das dabei angewandte Verfahren bedient sich der sogenannten Neutronen-Aktivierungsanalyse. Hierbei werden die zu analysierenden Elemente mit Neutronen beschossen, bei deren Reaktion mit den Atomkernen Wechselwirkungen auftreten, die zur prompten Emission von sehr energiereichen t -Quanten führen. Dabei bildet sich beim Neutroneneinfang ein Zwischenkern, welcher durch die Anlagerung des Neutrons in einen angeregten Zustand gebracht wird. Ein die Spektrallinien der einzelnen Konstituenten enthaltendes Spektrum der-Strahlung wird von einem ¢ Detektor aufgenommen. Diese Methode liefert zwar spontane Analysenwerte, jedoch läßt die Genauigkeit zu wünschen übrige insbesondere wegen der mit fortschreitender Bestrahlungsdauer sich aufbauenden langlebigen Aktivitäten. Diese sind im übrigen wegen der Gefahr radioaktiver Strahlung nicht unbedenklich. Und schließlich wird als weiterer Nachteil empfunden, daß der -Detektor unter Hochvakuum und bei Niedrigtemperturen unter Stickstoffkühlung arbeitet, was die Anwendung kompliziert und teuer macht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, speziell im Rahmen eines Prozesses, wie beispielsweise Vergasung von kohlenstoff-und schwefelhaltigen Brennstoffen in einer Schmelze, den Kohlenstoffgehalt der Schmelze kontinuierlich zu messen, um danach den Prozessablauf kontinuierlich, vorzugsweise automatisch zu steuern. Die Meßmethode soll die Notwendigkeit der Entnahme von Proben ausschließen, ebenso die Gefahr von radioaktiven Strahlungen und sie soll schließlich bei gr6ßtmöglicher Toleranzgenauigkeit ein Mindestmaß an komplizierten und teueren Apparaturen benötigen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein definierter Querschnitt der Substanz einer Quelle schneller Neutronen derart ausgesetzt wird, daß nah Maßgabe des Kohlenstoffgehaltes in der Substanz eine Umwandlung schneller Neutronen in thermische Neutronen erfolgt, und daß der Neutronenfluß der aus der Substanz austretenden thermiæhen Neutronen mit einem geeigneten Meßgerät gemessen wird.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens beträgt der Neutronenfluß der schnellen Neutronen an der Quelle min-4 6 bestens ca. 10 bis 10 lO6/sec., vorzugsweise 105/8etc. und ist zeitlich annähernd konstant.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt eine Eichung der angezeigten Meßwerte bei einem definierten DurchdringungsquersUnitt nach Maßgabe des zu messenden Kohlenstoffgehaltes.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens schließlich umfaßt eine Strahlungsquelle für schnelle Neutronen, sowie vorzugsweise einen Bor-Fluorid-Zãhler (BF3-ZGhler) als Meß-3 gerät für die thermalisierten Neutronen.
Der Vorteil dieser Meßmethode, welche die besondere physikalische Eignung eines leichten Elementes, beispielsweise Kohlenstoff, zur Thermalisierung von schnellen Neutronen als Folge des im Verhältnis zu anderen Elementen besonders kleinen Absolytionsquerschnittes nutzt, liegt in der Gewinnung eines kontinuierlichen Analysenwertes von sehr hoher Genauigkeit (+ 0,1 %) bei unkomplizierter Handhabung sowie einer relativ unkomplizierten und preisgünstigen Meßeinrichtung.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt: Fig. l das Blockschaltbild einer Anlage zur Messung von C in einer Metallschmelze In der Fig. 1 ist mit Ziffer l ein Reaktor bezeichnet, welcher eine Charge von flüssigem Eisen 2 enthält. Ein Neutronengenerator 3 erzeugt einen Strom 10 von schnellen Neutronen, welcher an der Quelle eine Intensität von annähernd 105/sec.
hat. Der Neutronengenerator 3 ist außerdem so ausgelegt, daß der Neutronenfluß zeitlich annähernd konstant ist.
An der gegenüberliegenden Seite des Schmelzbadreaktors l befindet sich der Zähler 4 für die thermalisierten Neutronen.
Das Ausgangssignal des Zählers 4 wird einem Vorverstärker 5 und einem Hauptverstärker 6 zugeleitet, welcher das verstärkte Signal, angedeutet durch den Pfeil 7 beispielsweise dem Rechner einet nicht dargestellten Prozeßsteuerungseinheit aufschaltet.
Während des kontrollierten Prozesses werden durch eine Gruppe von Bodendüsen 8 Kohlenstoff und Sauerstoff in das Eisenbad 2 des Xonverters 1 eingeblasen und re$eren mit dem schmelzflüssigen Eisenbad 2, wobei dessen Gehalt an Kohlenstoff sich im Laufe des Prozesses verändert. Dabei wirkt jedoch der Kohlenstoff über den definierten Durchdringungsquerschnitt Q infolge der bekannten physikalischen Eigenart des extrem geringen Absorptionsquerschnittes des leichten Elementes C gegenüber den Neutronen als Moderator. Die aus dem Querschnitt Q austretenden thermalisierten Neutronen, angedeutet durch die Pfeile 9, werden von dem Zählrohr des Bor-Fluorid-Zählers 4 aufgefangen und gezählt. Hierbei dient die Zahl der thermalisierten Neutronen als Maß für den Gehalt an Kohlenstoff in dem Eisenbad 2.
Das gezeigte und erläuterte Beispiel gemäß Fig. 1 ist nur eine der möglichen Anwendung.
Grundsätzlich eignet sich die Meßmethode bestens für die Feststellung des Kohlenstoffgehaltes in einer Vielzahlvon flüssigen und festen Metallen, beispielsweise auch in einem Kupferbad etc.
Alle diese Verfahren und Vorrichtungen sowie deren Abwandlungen gehören, sofern sie unter das der Erfindung zugrundeliegende physikalische Prinzip und damit unter die geltenden Patentansprüche fallen, zur vorliegenden Erfindung.

Claims

Patentansprüche f7Verfahren zur kontinuierlichen Messung des Kohlenstoffgehaltes in Trägersubstanzen, vorzugsweise in Metallen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein definierter Querschnitt der Substanz einer Quelle schneller Neutronen derart ausgesetzt wird, daß nach Maßgabe des Kohlenstoffgehaltes in der Substanz eine Umwandlung schneller Neutronen in thermische Neutronen erfolgt, und daß der Neutronenfluß der aus der Substanz austretenden thermischen Neutronen mit einem geeigneten Meßgerät gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neutronenfluß der schnellen Neutronen an der Quelle min-6 destens ca. 104 bis 106/sec., vorzugsweise 105/sec. beträgt und zeitlich annähernd konstant ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eichung der angezeigten Meßwerte bei definiertem Durchdringungsquerschnitt nach Maßgabe des Kohlenstoffgehaltes erfolgt.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Strahlungsquelle für schnelle Neutronen sowie vorzugsweise einen Bor-Fluorid-Zähler (BF3-Zähler) als Meßgerät für die thermalisierten Neutronen.