DE2835548A1

DE2835548A1 - Verfahren zum bestimmen des gehaltes einer charge eines metallurgischen systems an einem oder mehreren elementen

Info

Publication number: DE2835548A1
Application number: DE19782835548
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr Kruse; Pervez Dr Patel
Original assignee: Kloeckner Werke AG
Current assignee: Kloeckner Werke AG
Priority date: 1978-08-14
Filing date: 1978-08-14
Publication date: 1980-02-28
Also published as: DE2835548C2

Description

Verfahren zum Bestimmen des Gehaltes einer Charge eines
metallurgischen Systems an einem oder mehreren Elementen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Gehaltes einer Charge eines metallurgischen Systems an einem oder mehreren in Gasform ein- und/oder austragbaren Elementen, insbesondere Kohlenstoff, bei dem der anfängliche Gehalt an diesem oder diesen Elementen bestimmt und dessen oder deren Gehalt durch Einbringen von Gas erhöht oder erniedrigt wird.
Der Trend zur Erzeugung besserer Stahlqualitäten erfordert zwangsläufig die Einhaltung von immer enger werdenden chemischanalytischen Toleranzen. Hierzu nimmt die genaue Einstellung von Kohlenstoffgehalten im Stahl einen besonderen Rang ein, da Kohlenstoff das primäre Legierungselement darstellt. Eine etwaige Nichteinhaltung von Kohlenstoffanalysen führt während der Stahlherstellung zu kostspieligen Eonditionierungsmaßnahmen.
Direktreduktionsverfahren, beispielsweise das Schachtreduktionsverfahren, erzeugen aufgekohlten Eisenschwamm. Ein hoher und gleichmäßiger Xohlenstoffgehalt im Eisenschwamm ist eine Anforderung, die wegen der nachgeschalteten Stahlerzeugungsaggregate erfüllt werden muß. Dabei muß besonders auf die reduzierenden Eigenschaften von Kohlenstoff als Begleitelement im Eisenschwamm hingewiesen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem es möglich ist, in jedem gewünschten Zeitpunkt den Kohlenstoffgehalt der Charge, bzw. den Gehalt der Charge an einem oder mehreren in Gasform ein- und/oder austragbaren Elementen zu bestimmen, um einen vorbestimmten Gehalt präzise einstellen zu können.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Gehalt pro Zeiteinheit der an- und/oder abtransportierten Gase durch Messung der Gasdurchflußmenge, Gastemperatur, Gasdruck und Konzentration des oder der Elemente im an- und/oder abtrans von an- und/ tierten Gas bestimmt wird, wobei bei Vorhandensein abtransportiertem Gas eine Eichung bezüglich der durchzuführenden Messung über eine Bypass-Leitung zu dem metallurgischen System vorgenommen wird, während aus den Meßwerten und dem anfänglichen Gehalt der Gehalt der Charge in beliebigen vorwählbaren Zeitpunkten digital ermittelt wird.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteranspruchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, Fig. 2 zeigt die automatische Meßwertverarbeitung und -anzeige, die im Zusammenhang mit Figur 1 verwendet werden kann.
In Figur 1 ist ein metallurgisches System 1, im allgemeinen ein Ofen, dargestellt, dem über eine Leitung 2 und ein Ventil 3 Gas zugeführt wird. An die Leitung 2 ist ein Manometer 4 angeschlossen, mit dem der Gasdruck des antransportieren Gases gemessen wird. Ferner ist an die Leitung 2 ein Wirkdruckmesser 5 angeschlossen mit dem der Gesamtdurchsatz an antransportiertem Gas gemessen wird. Ferner sind an die Leitung 2 Infrarotanalysatoren 6 angeschlossen, wobei es sich beispielsweise um Infrarotanalysatoren mit gespreizten Messbereichen für CO, C02 und CH4 handelt. Anstelle der Infrarotanalysatoren kann auch ein Massenspektrometer verwendet werden. Sie gestatten die Erfassung von sehr kleinen Konzentrationadifferenzen. Vor dem Einlaß der Gase in das metallurgische System 1 ist ein 4-Wege-Magnetventil 7 angeordnet, von dem eine Bypass-Leitung 8 ausgeht, die parallel zu dem metallurgischen System 1 bis zu einem 4-Wege-Magnetventil 9 austrittsseitig des metallurgischen Systems 1 verläuft. An die Abgasleitung 10, die von dem Ventil 9 wegführt, ist wiederum ein Manometer 4 sowie Infrarotanalysatoren 6 und ferner ein Gaszähler 11 angeschlossen. Außerdem sind in den beiden Leitungen 2 und 10 Thermoelemente 12 für Frischgas bzw.
Abgas vorgesehen, um die Temperatur des an- bzw. abtransportierten Gases zu messen.
Vorzugsweise kann bei der Konzentrationamessung von CO und C02 im Gas die quantitative Oxidation von CO in einem Verbrennungsofen vorgenommen werden, wodurch ein Infrarotanalysator mit Eichsystem überflüssig wird, da dann nur noch eine Analyse hinsichtlich C02 vorgenommen zu werden braucht.
Dies führt zu einer wesentlichen Kostenersparnis im Gesamtsystem.
Eine Wirkdruckmessung mit dem Wirkdruckmesser 5 ist besonders zweckmäßig, da diese eine relativ hohe Genauigkeit besitzt und eine Berechnung etwa der Kohlenstoffbilanz neben der Eonzentrationsmessung von kohlenstoffhaltigen Gasen auch deren Durchsoflußmessung erfordert. Die Durchflußmessung kann wahlweise auch durch Zugabe chemischer Spurenelemente oder -verbindungen durchgeführt werden. Die gleichzeitige Messung von Gastemperatur und Gasdruck erlaubt dann eine mit Hilfe eines Rechners durchgeführte Umrechnung auf den Normalzustand.
Zunächst erscheint es zumindestens ungewöhnlich, daß mit einem derartigen Verfahren eine zuverlässige Messung erzielt werden kann, denn die an- bzw. abgeführten Gasströme sind z.B. beim Härten von Stahl oder beim Direktreduktionsverfahren stoffmengenmäßig etwa gleich groß, wobei das Ziel der Messung die möglichst exakte Erfassung ihrer Differenz ist.
Aber mit Hilfe der Bypass-Leitung 8 können vor Versuchsbeginn sämtliche Geräte mit Frischgas geeicht werden. Ein in dem als Abgasdurchflußmesser verwendeten Gaszähler 11 zusätzlich eingebautes Potentiometer wird derart verstellt, daß die Differenz der Stoffströme an an- und abtransportiertem Gas gegen Null geht. Da die Geräte untereinander geeicht sind, kommt es nunmehr nicht mehr auf die Gesamtgenauigkeit der Geräte an, sondern auf ihre Reproduzierbarkeit sowie Ansprechempfindlichkeit. Die Werte der beiden letztgenannten Geräteeigenschaften liegen wesentlich günstiger als die Gesamtgenauigkeit des Gerätes.
Bei Messungen, bei denen nur die an- bzw. abtransportieren Gase berücksichtigt werden müssen, etwa bei der Entkohlung im Konverter und bei der Spülgas- und Vakuumentgasung, sind keine Differenzmessungen notwendig, so daß sich eine vorherige Eichung der Geräte untereinander erübrigt.
Zur Meßwertverarbeitung ist ein d/D-Wandler 20, ein Scanner 21 (programmierter Meßstellenumschalter), ein Interface 22, ein vorzugsweise quarzgesteuerter Taktgeber 23 und ein Rechner 24 vorgesehen. Im Scanner 21 wird jeweils ein Signal durch einen Programmbefehl weitergeleitet. Sobald das Analogsignal am Eingang des Wandlers 20 steht, kann mit der Konvertierung in Digitalwerte begonnen werden. Der Wandler 20 muß schnell genug sein, um jedes am Eingang stehende Signal umzuformen, da der Scanner 21 durch Programmbefehl auf den nächsten Kanal weiterschaltet. Die Umwandlungsrate des Wandlers 20 erlaubt bei direkter Adressierung ca. 60 Umwandlungen/s, während bei indirekter Adressierung die Meßrate ca. 20 Umwandlungen/s beträgt.
Die periodische Datenerfassung mittels Scanner 21 und Wandler 20 muß durch einen externen Trigger gesteuert werden, da eine Zuordnung der Meßwerte als Zeitfunktion erforderlich ist. Dies geschiaht gemäß Figur 2 durch das Zuschalten des guarzgesteuerten Taktgebers 23. Zur Meßwertverarbeitung sind Analogeingänge 25, Kennzahlen und Eichkurven der Infrarotanalysatoren sowie der Integrationaschritt 26 bzw. 27 erforderlich. Zur Bildung des Zeitintegrais ist es besonders zweckmäßig für eine Einsparung von Speicherplätzen bei der Impuls abgabe vom Taktgeber 23 zehn Scannerdurchgänge einzuleiten. Der Rechner 24 bildet und speichert sodann Mittelwerte der Signale. Der nächste Triggerimpuls vom Taktgeber 23 läßt wiederum den Scanner 21 zehnmal abfragen. Die Mittelwerte dieser Signale werden getrennt gespeichert, mit den vorangegangenen Werten aufsummiert und deren Mittelwerte gebildet.
Diese vom Rechner 24 ermittelten Werte werden anschließend mit dem Integrationszeitintervall multipliziert, umddas Zeitintegral zu bilden.
Nachdem die Zeitintegrale vorliegen, steuert ein Unterprogramm die Berechnung der einzelnen Bilanzen des betreffenden Elementes, etwa Kohlenstoff, mit Hilfe der von Hand im Rechner eingegebenen Kennzahlen. Eine Summierung über sämtliche Zeitintervalle erlaubt die Angabe der augenblicklichen Stoffbilanz als Funktion der Zeit, wobei diese Werte im übrigen mit Hilfe eines Druckers 28 bzw. eines Digitalschreibers 29 ausgegeben werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise bei metallurgischen Systemen wie Konvertern, Direktreduktionsanlagen, Vakuumentgasungsanlagen, AOD-Anlagen sowie Spülgasanlagen und Wärmebehandlungsöfen bei der Härtung von Werkstücken verwendet werden, wobei im letzteren Falle der Vorteil besteht, daß man nicht die Legierung zu kennen braucht, da legierungsunabhängig gemessen wird. Bei der Härtung kann es sich dabei beispielsweise auch um eine Nitrier-, Borier- oder Carbonitrierhärtung handeln.
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Claims

A n 5 p r üc h e 1. Verfahren zum Bestimmen des Gehaltes einer Charge eines metallurgischen Systems an einem oder mehreren in Gasform ein- und/oder austragbaren Elementen, insbesondere Kohlenstoff, bei dem der anfängliche Gehalt an diesem oder diesen Elementen bestimmt und dessen oder deren Gehalt durch Einbringen von Gas erhöht oder erniedrigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt pro Zeiteinheit der an- und/oder abtransportierten Gase durch Messung der Gasdurchflußmenge, Gastemperatur, Gasdruck und Konzentration des oder der Elemente im an- und/oder abtransportierten Gas bestimmt wird, wobei bei Vorhandensein von an- und abtransportiertem Gas eine Eichung bezüglich der durchzuführenden Messung über eine Bypass-Leitung zu dem metallurgischen System vorgenommen wird, während aus den Messwerten und dem anfänglichen Gehalt der Gehalt der Charge in beliebigen vorwählbaren Zeitpunkten digital ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bestimmung des Gehaltes an Kohlenstoff vorhandenes CO in C02 vollständig verbrannt und nur eine Analyse in Bezug auf C02 durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß- die I)urchfirtißmenge durch Tirkdruckmessung ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmenge durch Zugabe chemischer Spurenelemente oder -verbindungen und deren Durchflußmengenbestimmung ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußmesser für das abtransportierte Gas so eingestellt wird, daß die Differenz der Ströme des an- und des abtransportierten Gases gegen Null geht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Konzentration des oder der Elemente eine Infrarot-Analyse durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Konzentration des oder der Elemente eine massenspektrometrische Messung vorgenommen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Messdaten periodisch mit einstellbarem Zeitabstand erfaßt werden.
9. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für Konverter.
10. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für Wärmebehandlungsöfen bei der Härtung von Werkstücken.
11. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für Direktreduktionsanlagen.
12. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für Spül- und Vakuumentgasungsanlagen.