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Verfahren zur Analyse von Stahl während seiner
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Herstellung und Weiterverarbeitung Analysen von Stahl während seiner
Herstellung und Weiterverarbeitung werden bisher wie folgt vorgenommen. Aus einem
Ofen nimmt ein Schmelzer eine Probe mit einem Schöpflöffel.
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Er fährt eine Sonde ein. Die in der Sonde befindliche Probe wird entnommen
und mit Wasser abgekühlt. Der Schmelzer bezeichnet die Probe und verpackt sie in
eine Kartusche zum Rohrpostversand an ein Labor. Im Labor packt ein Probenvorbereiter
die Probe aus und sendet die leere Kartusche nach Verschließen wieder zurück. Der
Probenvorbereiter schleift die Probe und führt eine visuelle Prüfung ihrer Oberfläche
durch. Ein Laborant senkt die Probe in einen Analyseautomaten ein. Der Automat führt
die Analyse durch. Die fertige Analyse wird zu einem Leitstand, der sich in der
Nähe des Ofens befindet, übermittelt.
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Der Automatisierungsgrad bei bekannten Verfahren zeichnet sich durch
hohen Geräteaufwand im Labor und demgegenüber geringem Geräteaufwand im Betrieb
aus. Bekannte Verfahren sind mit langen Zeiten für die Analyse verbunden. Die Zeiten
ergeben sich aus der Probennahme sowie dem Versand und der Vorbereitung der Probe.
Bei der Probenahme dauert z.B. das Anlagen der Schutzkleidung Minuten. Es vergehen
weiterhin
Minuten, bis die Probe bezeichnet und verpackt ist. Beim Probenversand sind die
Transportwege häufig sehr lang, beispielsweise 1 bis 2 km. Dies führt zu hohen Zeitverlusten,
auch bei modernen Rohrpostanlagen mit Kartuschengeschwindigkeiten von 20 m/s. Bei
der Probenvorbereitung ist das Auspacken umständlich. Auch das Schleifen der Probe
ist unter Beachtung der bestehenden Sicherheitsvorschriften zeitraubend. Wesentlich
für die Dauer der Analyse ist auch die reibungslose Zusammenarbeit von drei räumlich
voneinander getrennten Personen, nämlich Schmelzer, Probenvorbereiter und Laborant.
Arbeitet einer von ihnen nicht optimal, sind Gesamtzeiten für die Analyse von 20
Minuten keine Seltenheit. Hinzu kommt, daß bei der Probennahme in bekannten Verfahren
zur Analyse des Stahls ein Umlegen des Konverters notwendig ist, was eine Unterbrechung
des Blasvorgangs nach sich zieht.
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An zwei Stellen innerhalb des zur Durchführung der Analyse notwendigen
Aufwandes sind Versuche unternommen worden, die Zeit einzugrenzen: Einmal hat man
die Probennahme dadurch verbessert, daß eine sogenannte Sublanze verwendet oder
die Probennahme aus dem Vakuum durchgeführt wird. Zum anderen hat man im Labor einen
Schleifautomaten in den Analyseautomaten intregiert.
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Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen; soweit bereits Maßnahmen
zur Verkürzung der Analysezeit getroffen wurden, diese weiterentwickeln. Der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem Proben aus flüssigem
Stahl während der Blasphase beim Konverter oder Elektroofen gewonnen, zum Analyseautomaten
versandt, analysenfertig vorbereitet und analysiert werden, ohne manuell berührt
zu werden und so zu einer wesentlichen Verkürzung der Zeit für die Durchführung
der
Analyse zu kommen. Das Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch
die im Patentanspruch 1 angegebenen, automatisch nacheinander durchgeführten Verfahrensschritte.
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Bei der Erfindung wird die Probe während der Blasphase dem Ofen mit
Hilfe einer Lanze entnommen. Die genommene Probe wird durch Zerstörung der Lanze
entnommen. Die genommene Probe wird automatisch versandfertig gemacht, insbesondere
gekühlt. Sie wird einer Gewichtskontrolle zur Grobprüfung unterzogen. Bei der Grobprüfung
werden größere Fehler erkannt; es wird unnütze Transportzeit für die Weitergabe
grob fehlerhafter Proben vermieden. Über eine Rohrpoststrecke wird die Probe dann
nach einer Aufbereitungszentrale befördert. Diese Aufbereitungszentrale braucht
nicht das Hüttenlaboratorium zu sein; kann vielmehr an einer günstigeren Stelle
im Stahlwerk eingerichtet werden.
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In der Aufbereitungszentrale wird die Probe automatisch aus der Kartusche
der Rohrpost ausgepackt und zum Analysieren vorbereitet. Diese Vorbereitung ist
probenspezifisch; sie kann entweder im Schleifen einer Flachprobe oder im Trennen
und Schleifen einer Kegelprobe bestehen.
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Auch dieser Vorgang verläuft völlig automatisch. Die für die Analyse
aufbereitete Probe wird nun mit einem handelsüblichen Prägeautomaten gekennzeichnet.
Beispielsweise werden der Probe Datum und Uhrzeit eingeprägt, Die bezeichnete Probe
wird dann in einem Spektrometer spektralanalytisch analysiert. Das Spektrometer
kann wahlweise nur einige Elemente bestimmen oder eine Vollanalyse durchführen.
Die Analysedaten werden dann von einem Rechner ausgerechnet und an den Leitstand
übermittelt.
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Das Verfahren nach der Erfindung wird mit Hilfe von an sich bekannten
Vorrichtungen ausgeführt. Es wird durch Druckknopfbetätigung im Leitstand ausgelöst.
Danach erfolgt eine Analyse des Stahls ohne Störung der Produktion und ohne weitere
manuelle Tätigkeit. Der mit dem Verfahren nach der Erfindung erzielte automatische
Ablauf der Analyse bringt eine erhebliche Zeit- und damit Energieersparnis und im
Regelfall die Einsparung von zwei oder drei Bedienungspersonen mit sich.
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Die automatische Analyse nach der Erfindung wird zweckmäßigerweise
dadurch vervollständigt, daß die Probenahmevorrichtung eine Probensonde auswählt,
mit der nacheinander die Analyse, die Temperatur und der aktive Sauerstoff ermittelt
werden können. Alle Meßdaten können in der Aufbereitungsstation aufgenommen und
dem Leitstand übermittelt werden.
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Der vorstehend beschriebene Weg zur Automatisierung der Analyse kann
nicht nur bei Konverterstahlanlagen, sondern auch bei Elektrostahlwerken mit Einfahren
der Sonden durch den Ofendeckel oder bei Legierungsständen sowie Pfannenbehandlungsständen
im Gießbetrieb eingesetzt werden. Bei diesen Einsätzen ist dann nicht in erster
Linie der Zeitgewinn, sondern der Rationalisierungseffekt durch Einsparung von Bedienungspersonal
maßgebend.
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Die automatische Analyse bei der Stahlherstellung und Weiterverarbeitung
nach der Erfindung verkürzt die Analysenzeit von der Probennahme über Probenbearbeitung
bis zur Analyse erheblich. Die Zeiteinsparung wird erreicht durch Automatisierung
aller Einzelvorgänge und Verkettung der Einzelvorgänge. Die Gesamtzeit von der Probennahme
bis zur Übermittlung der Analysenergebnisse
liegt bei ca. 3 Minuten
Bisher betrug die Analysenzeit 10 bis 20 Minuten, wobei je nach schon vorhandenem
Automatisierungsgrad die Zeit im oberen oder unteren Bereich der Zeitspanne liegt.
Die mit der Erfindung erzielte Verkürzung der Analysenzeit soll zur Verkürzung der
Schmelzzeit benutzt werden.
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Um die Einsparung durch Verkürzung der Analysenzeit zu erläutern,
werden nachfolgend drei Schmelzverfahren, die in der Bundesrepublik weit verbreitet
sind, herausgegriffen und beschrieben: a) Sauerstoff-Blas-Verfahren.
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Bei LD-, OBM- oder Verfahren, die sowohl von unten als auch von oben
den Sauerstoff in den Konverter blasen, wird der Konverter zur Probennahme einige
Minuten vor Abstich schräg gestellt. Danach wird nachgeblasen bis zum Erhalt der
Analyse. Zwar kann der Konverter auch "blind" abgestochen werden, d.h. nur nach
Rechendaten aus Einsatz und Abgas eine theoretische Analyse errechnet werden; bei
hohen Schrottsätzen ist dies aber nicht üblich.
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Die Verkürzung der Analysenzeit ergibt drei wesentliche Einsparungen
bei den Kosten für den Konverter: - Durch Verkürzung der Nachblaszeit kann die Eisenverschlackung
reduziert und dadurch das Ausbringen um ein bis zwei Prozent Eisen verbessert werden.
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- Durch Verkürzung der Gesamtblaszeit wird eine Verbesserung der Produktivität
um cao zwei bis zehn Prozent erreicht bei gleichzeitiger Senkung des sog. ff-Verbrauchs,
das ist der Verbrauch durch längeres Halten der Ofentemperatur von Feuerfestmaterialien.
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- Die Einführung der Sublanze zur Probenentnahme kann vermieden werden.
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b) Elektro-Stahl-Verfahren Die Praxis in modernen E-Öfen-Stahlwerken
ist die Probennahme vor dem Abstich. Durch Warten auf die Analyse, Legieren und
Abstechen vergeht die eingangs genannte Zeit.
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Die Zeit zum Abstich versucht man zu nutzen für das Temperatur - fahren.
Moderne UHP-Öfen mit wassergekühlten Oberöfen werden stark gedrosselt gefahren.
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Mit der Erfindung ergibt sich: - Eine Absenkung der tap-to-tap-Zeit,
das ist die Zeit vom Einsatz des Stahlschrotts und Roheisens bis zum Abstich, um
ca. 10 Minuten bei modernen UHP-Öfen.
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- Eine Einsparung an Legierungsmitteln in der nachgeschaltenen Pfannenmetallurgie
durch Legieren an den unteren Toleranzbereich mit Hilfe von Analysen in kurzen Zeitabständen.
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c) Gießereiöfen In Gießereiöfen wird im Regelfall keine metallurgische
Arbeit verrichtet. Der Einsatz oder die Einsatzstoffe bestimmen die Analyse. Bei
allen Ofentypen in der Gißerei, ob Kupol-, Frequenz- oder Elektro-Ofen, wird eingeschmolzen,
eine Probe genommen und bei Erhalt der Analyse abgestochen. Im Regelfall entfällt
eine Zeit zum Hochfahren auf Abstichtemperaturen, da die Abstichtemperatur nur wenig
über Liquidus-Temperatur liegt.
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Mit dem Verfahren nach der Erfindung ergibt sich - eine Verkürzung
der Schmelzzeit um ca. 10 Minuten.
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Die einzelnen Verfahrensschritte werden nachfolgend anhand einer schematischen
Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen Fig. 1 ein Stahlwerk Fig. 2 ein Labor.
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In einem Leitstand 12, auch als Kommandozentrale bezeichnet, wird
der automatische Vorgang für die Durchführung einer Analyse durch Druckknopf eingeleitet.
Bei Betätigung des Druckknopfes werden Uhrzeit, Chargennummer und Probenart festgelegt.
Zur Auswahl stehen: Probennahme von Lolli-, Doppelmedaillen- oder Talerproben; Messung
der Temperatur und Messung des aktiven Sauerstoffs Bei Knopfdruck werden in einem
Sondermagazin eine Sonde für eine Vorrichtung 3 zur automatischen Probenentnahme
ausgesucht, zur Probennahmestation befördert und dort in die Vorrichtung 3 eingesetzt.
Nach Einspannen der Sonde wird diese in das Bad eines Elektroofens oder Konverters
1 getaucht. Je nach Art der Messung bzw. Probennahme ist die Eintauchtiefe unterschiedlich.
Wird nur eine Einwegprobe zur Messung von Temperatur und aktivem Sauerstoff verwendet,
übergibt die Automatik die Sonden in einen Abfallbehälter. Wird eine Probennahme-Sonde
verwendet, wird diese mit der Probe einer Auspackmaschine 4 zugeführt. In Fig. 1
noch dargestellt ist eine Einblasvorrichtung 2 für den Elektroofen oder Konverter
1.
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In der Auspackmaschine wird die Probensonde zerstört und die heiße
Probe weiterbefördert. Papphülse, Blechkokille und Schutzmantel fallen in einen
Abfallbehälter.
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Die Probe gelangt dann in eine Kontroll- und Kühlstation 5.
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In dieser Station wird die Probe geprüft, ob sie für die spätere Spektralanalyse
einwandfrei ist. In der Station 5 werden Proben mit Oberflächenfehlem und kurz unter
der Oberfläche liegenden Lunkern in einer Tiefe, die eine Spektralanalyse stören
könnte, aussortiert. Die noch auf einer Temperatur von ca. 800 bis 9000 C befindliche
Probe wird mittels Wasser, Luft, Inertgas und/oder
C02-Schnee schnell
abgekühlt und an eine Prägestation 6 weitergegeben. In der Prägestation 6 wird die
Probe auf der umlaufenden Schmalseite mit einer Kennziffer versehen. Vor Weitergabe
an eine Sendestation 7 wird mit der Probe noch eine Gewichtsprüfung vorgenommen.
Proben bestimmter Abmessungen müssen innerhalb eines Gewichtsbereichs liegen, um
als einwandfrei gelten zu können.
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Nicht innerhalb des Gewichtsbereichs liegende Proben werden nicht
weiterbefördert.
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In der Sende station 7 wird die Probe in eine Kartusche einer Rohrpoststrecke
13 eingegeben, mit der sie zum Labor befördert wird. Die Kartusche ist so konstruiert,
daß die Bewegungsenergie bei der Rohrpost zum Öffnen und Schließen der Kartusche
verwendet wird.
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Das Ende der Rohrpoststrecke 13 im Labor bildet eine Empfangsstation
8 für die Kartusche. Aus der Empfangsstation 8 gelangt die aus der Kartusche entnommene
Probe in einen Schleifautomaten 9. In dem Schleifautomaten 9 wird die Probe einseitig
geschliffen, um die Fehlererkennung, Fehlerdokumentation und Spektralanalyse zu
ermöglichen. Die Schleiftiefe ergibt sich aus der Abkühlvorrichtung. Abkühlung in
und mit Inertgas kostet Zeit, erspart aber Schleifaufwand. Umgekehrt erfordert die
Abkühlung mit Wasser an der Oberfläche der Probe erhöhten Schleifaufwand.
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Aus dem Schleifautomaten 9 gelangt die Probe mittels eines Manipulators
auf den Petrytisch eines Spektrometers 10. Dieses als Analyseautomat dienende Spektrometer
ist in unterschiedlichen Ausführungen für die Durchführung von Analysen der hier
betrachteten Art bekannt. Auch das Spektrometer 10 arbeitet automatisch; der Petrytisch
ist in zwei Achsen verschieblich bzw. die Probe durch exzentrische Lagerung verdrehbar.
Dem Spektrometer 10 ist
ein Rechner 11 zugeordnet. Der Rechner
11 übernimmt die Legierungsrechnung. Ergeben sich in der Analyse Legierungen außerhalb
der Toleranzen, werden über den Rechner 11 Legierungsmittel abgerufen. Als Endpunkt
der Analyse druckt ein Schreibautomat im Leitstand 12, der über eine Leitung 14
mit dem Rechner 11 verbunden ist, das Analysenergebnis aus oder gibt es auf einen
Monitor.
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Der gesamte vorstehend beschriebene Vorgang dauert ca.
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3 Minuten, wobei alle beschriebenen Vorgänge automatisch ablaufen.
Es ergibt sich durch die Erfindung eine Einsparung an Zeit. Die Arbeit etwa noch
vorhandener Bedienungspersonen wird wesentlich erleichtert.