DE2835548C2 - Verfahren zum Bestimmen des Gehaltes einer Charge eines metallurgischen Systems an einem oder mehreren Elementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der Trend zur Erzeugung besserer Stahlqualitäten erfordert zwangsläufig die Einhaltung von immer enger werdenden chemisch-analytischen 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 Konditionierungsmaßnahmen.

Direktreduktionsverfahren, beispielsweise das Schachtreduktionsverfahren, erzeugen aufgekohlten Eisenschwamm. Ein hoher und gleichmäßiger Kohlenstoffgehalt 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.

Aus der Entgegenhaltung »Was der Blasstahlwerker von seiner Arbeit wissen muß«, 2. Auflage, 1977, S. 88 bis 91 sind Überwachungseinrichtungen für die Blasstahlerzeugung, insbesondere Druck- und Mengenmeßverfahren für Gase bekannt Die dort beschriebenen Meßgeräte sind jedoch nicht empfindlich genug, um die heute geforderten, engen chemisch-analytischen Toleranzen bei der Stahlherstellung einhalten zu können. Sie werden daher auch nicht zur chemisch-analytischen Bestimmung herangezogen. Die Meßgeräte haben lediglich eine betriebliche Überwachungsfunktion. Der heutige Stand in der Anaiysentechnik besteht in der Probenahme und nachfolgenden, chemisch-analytischen Bestimmung dieser entnommenen Probe nach bekannten Verfahren. Eine »in situ«-erfolgende Bestimmung des Gehalts einer Charge ist bisher nicht bekannt

Erhöht man die Ansprechempfindlichkeit der bekannten Meßinstrumente, so tritt das Problem einer Nullpunktsdrift auf, d, h. der Bezugspunkt für die Messung ändert sich zeitlich. Nach Abschluß eines längeren Meßverfahrens liegt der Nullpunkt des Meßgerätes erheblich neben dem Autgangs-Nullpunkt, die Abweichung kann bei den sehr kleinen, zu bestimmenden Stoffströmen durchaus in derselben Größenordnung wie der Meßwert liegen.

So strömen bei der Direktreduktion von Eisenerz im Schacht (z. B. nach dem Midrex- oder dem Purofer-Verfahren) kohlenstoffhaltige Gase im Gegenstrom zur Eisenerzschüttung. Typischerweise werden pro Tonne Eisenerz etwa 400 kg Kohlenstoff in Form von gasförmigen Reduktionsmitteln zugeführt Von dieser Kohlenstoffmenge bleiben — setzt man einmal einen Kohlenstoffgehalt des reduzierten Erzes von 1,7% C voraus — etwa 17 kg tatsächlich im reduzierten Erz. Die aufgenommene Menge entspricht 4% des eingangs zugeführten Kohlenstoffs. In derselben Größenordnung, nämlich 3 bis 4%, liegen typischerweise die Fehler der derzeit genauesten Meßgeräte für die Bestimmung von Kohlenstoff in Gasen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem in jedem gewünschten Zeitpunkt der Gehalt einer Charge an mindestens einem in

Gasform ein- und austragbaren Element, insbesondere Kohlenstoff, bestimmt werden kann, so daß der Gehalt der Charge praktisch ohne Zeitverzug noch im metallurgischen System präzise eingestellt werden kann, sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung anzugeben.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Sie wird vorrichtungsmäßig gelöst durch eine nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung mit den Merkmalendes Patentanspruchs 14.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert

F i g. 1 zeigt schematisch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Fig.2 zeigt die automatische Meßwertverarbeitung uiid -anzeige, die im Zusammenhang mit F i g. 1 verwendet werden kann.

In Fig. 1 ist ein metallurgisches System I₁ 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 antransportierten 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, CO2 und CH4 handelt. Anstelle der Infrarotanalysatoren kann auch ein Massenspektrometer verwendet werden. Sie gestatten die Erfassung von sehr kleinen Konzentrationsdifferenzen. 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 verlauft. An die Abgasleitung 10, die von dem *o Ventil 9 wegführt, ist wiederum ein Manometer 4 sowie Infrarotanalysatoren 6 und ferner ein Gaszähler Ii angeschlossen. Außerdem sind in den beiden Leitungen 2 und 10 Thermoelemente 12 für Frischgas bzw. Abgas vorgesehen, um die Temperatur des an- bzw. abtrans- *5 portierten Gases zu messen.

Vorzugsweise kann bei der Konzentrationsmessung von CO und CO2 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 CO₂ 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 Konzentrationsmessung von kohlenstoffhaltigen Gasen auch deren Durchflußmessung erfordert. Die Durchflußmessung kann wahlweise auch durch Zugabe chemischer Spurenelemente so 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 zumindest ungewöhnlich, daß mit einem derartigen Verfahren eine zuverlässige Messung erzielt werden kann, denn die an- bzw. abeeführten 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. abtransportierten 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 A/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 geschieht gemäß F i g. 2 durch das Zuschalten des quarzgesteuerten Taktgebers 23. Zur Meßwertverarbeitung sind Analogeingänge 25, Kennzahlen und Eichkurven der Infrarotanalysatoren sowie der Integrationsschritt 26 bzw. 27 erforderlich. Zur Bildung des Zeitintegrals ist es besonders zweckmäßig für eine Einsparung von Speicherplätzen bei der Impulsabgabe 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 Wert aufsummiert und deren Mittelwerte gebildet. Diese vom Rechner 24 ermittelten Werte werden anschließend mit dem Integrationszeitintervall multipliziert, um das 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 K'lfe 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

1. Patentansprüche:

   1 Verfahren zum Bestimmen des Gehaltes einer Charge eines metallurgischen Systems an mindestens einem in Gasform ein- und austragbaren Element, insbesondere Kohlenstoff, bei dem zunächst der anfängliche Gehalt an diesem Element bestimmt und anschließend der durch Einbringen von Gas veränderte Gehalt der Charge ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in Ό einem ersten Schritt die Menge des Elements im an- und im abtransportierten, durch das metallurgische System strömenden Gas bestimmt wird und in einem zweiten Schritt, währenddessen das Gas durch eine Bypassleitung strömt, ein (Nullpunkts-)Abgleich der Meßgeräte vorgenommen wird und der Gehalt der Charge aus der gemessenen Differenz und dem anfänglichen Gehalt ermittelt »vird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt der Charge aus der gemessenen Differenz und dem anfänglichen Gehalt digital ermittelt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bestimmung des Gehaltes an Kohlenstoff vorhandenes CO und CO2 vollständig verbrannt und nur eine Analyse in bezug auf CO2 durchgeführt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmenge durch Wirkdruckmessung ermittelt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmenge durch Zugabe chemischer Spurenelemente oder -verbindungen und deren Durchflußmengenbestimmung ermittelt wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Konzentration des oder der Elemente eine Infrarot-Analyse durchgeführt wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Konzentration des oder der Elemente eine massenspektrometrische Messung vorgenommen wird.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdaten periodisch mit einstellbarem Zeitabstand erfaßt werden.
10. 10. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für Konverter.
11. 11. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für Wärmebehandlungsöfen bei der Härtung von Werkstücken.
12. 12. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für Direktreduktionsanlagen.
13. 13. Verwendung dec Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für Spül- und Vakuumentgasungsanlagen.
14. 14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zuleitung (2) zum metallurgischen System (1) ein Mehrwegeventil (7) und in die Ableitung (10) vom metallurgischen System (1) ein Mehrwegeventil (9) eingefügt sind und daß diese beiden Mehrwegeventile (7, 9) durch eine dem metallurgischen System (1) parallelgeschaltete Bypassleitung (8) miteinander verbunden sind.