DE3413589A1 - Method for measuring the composition and the temperature of liquid steel and liquid slag in a smelting crucible - Google Patents

Method for measuring the composition and the temperature of liquid steel and liquid slag in a smelting crucible

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Abstract

The invention relates to a method for determining the temperature and chemical composition of a melt, in which method high-intensity pulsed light is focused through a duct onto a part of the melt surface and there generates a plasma consisting of ions, atoms and electrons, which emits radiation specific for the elements contained in the plasma, which radiation is returned through the duct onto a spectrograph and is dispersed there, and in which the signal spectrum obtained is used to recognise the elements excited in the melt to emit radiation and/or to measure the temperature pyrometrically. The method according to the invention makes it possible to continuously obtain information, as a metallurgical process proceeds, on the composition and temperature of the melt, so that measures for setting the desired final composition can be controlled according to the current composition and temperature or the required alloying materials can be adjusted specifically.

Description

Verfahren zur Messung der Zusammensetzung und der TemperaturMethod of measuring composition and temperature

von flüssigem Stahl und flüssiger Schlacke in einem Schmelzgefäß Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Zusammensetzung und der Temperatur von flüssigem Stahl und flüssiger Schlacke in einem Schmeizgefäß.of liquid steel and liquid slag in a melting vessel Die The invention relates to a method for measuring the composition and the temperature of liquid steel and liquid slag in a melting pot.

Bei den schmelzmetallurgischen Verfahren, bei denen Metalle geschmolzen, gefrischt oder legiert werden, ist es bisher nur möglich gewesen, die jeweilige Zusammensetzung des Metalls oder der Schlacke dadurch zu bestimmen, daß eine Probe entnommen wurde, die nach chemischen oder physikalischen Verfahren aufbereitet worden ist. Bei den physikalischen Verfahren wurde z.B. durch Emissionsspektralanalyse oder Röntgenfluoreszenzanalyse die aufbereitete Probe untersucht und deren Zusammensetzung bestimmt.In the smelting metallurgical processes in which metals are melted, be refined or alloyed, it has so far only been possible to select the respective Determine composition of metal or slag by taking a sample which has been processed by chemical or physical processes is. In the case of the physical processes, e.g. emission spectral analysis or X-ray fluorescence analysis examines the prepared sample and its composition certainly.

Bei der Emissionsspektralanalyse werden die Elemente z.B. durch einen elektrischen Lichtbogen an der Auftreffstelle zum Strahlen angeregt, wobei aus dem Strahlenspektrum auf den Anteil der einzelnen Elemente in der Probe geschlossen werden kann. Da die Probeentnahme aus der Schmelze nur diskontinuierlich erfolgen kann und für Aufbereitung, Transport und Behandlung der Probe im günstigsten Fall eine Zeit von wenigstens etwa 5 Minuten benötigt wird, wird bei diesem Verfahrenskonzept nicht nur teure Produktionszeit und Energie gebraucht. Nachteilig ist auch, daß während der Probeentnahme eintretende Veränderungen nur angenähert zu erfassen sind. In vielen Fällen kann zwar eine ausreichende Treffsicherheit der gewünschten Endzusammensetzung erreicht werden; häufig muß die Schmelze jedoch abgewertet wer- den, weil dies nicht erreicht werden kann.In emission spectral analysis, the elements are e.g. electric arc excited to blast at the point of impact, whereby from the Radiation spectrum closed on the proportion of the individual elements in the sample can be. Since sampling from the melt is only carried out discontinuously can and for the preparation, transport and treatment of the sample in the most favorable case a time of at least about 5 minutes is required with this process concept not only used expensive production time and energy. It is also disadvantageous that Changes occurring during sampling can only be detected approximately. In many cases, the desired final composition can be sufficiently accurate to be achieved; however, the melt often has to be devalued the, because this cannot be achieved.

Bei der diskontinuierlichen Probenahme war es außerdem oft erforderlich, zur genauen Einstellung der gewünschten Zusammensetzung metallurgisch aufwendige Nacharbeiten durchzuführen. Ferner konnte die günstigste Prozeßführung zur Erreichung einer metallurgischen Zielsetzung nicht immer eindeutig erkannt werden.In the case of discontinuous sampling, it was also often necessary for the precise adjustment of the desired composition metallurgically complex Carry out rework. Furthermore, the most favorable litigation could be achieved a metallurgical objective cannot always be clearly identified.

Man hat schon versucht, wenigstens zu einem bestimmten Zeitpunkt mit Hilfe einer Sublanze Einblick in den Ablauf des metallurgischen Prozesses nehmen zu können. Mit Hilfe einer solchen Sublanze kann die Temperatur der Schmelze bestimmt werden. Gleichzeitig kann eine Probe entnommen und über den Haltepunkt beim Abkühlen deren Kohlenstoffgehalt bestimmt werden.You have already tried at least at a certain point in time With the help of a sublance, get an insight into the course of the metallurgical process to be able to. With the help of such a sublance, the temperature of the melt can be determined will. At the same time, a sample can be taken and over the stopping point while cooling whose carbon content can be determined.

Mit Hilfe einer solchen Vorrichtung kann aber die Temperatur und die Zusammensetzung des Metallbades nicht kontinuierlich während des gesamten Prozesses bestimmt werden. Auch muß die Analyse der Probe nach wie vor später im Labor erfolgen, so daß zwischen Probeentnahme und Kenntnis der Zusammensetzung geraume Zeit vergeht.With the help of such a device, however, the temperature and the Composition of the metal bath not continuously during the entire process to be determined. The sample must also be analyzed later in the laboratory, so that a considerable time elapses between taking the sample and knowing the composition.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, eine kontinuierliche Temperaturmessung von flüssigem Metall in einem Schmelztiegel in der Weise durchzuführen, daß durch einen durch die Wandung des Schmelzgefäßes hindurchgeführten Quarzstab die Temperaturstrahlung der Schmelze nach außen abgeführt und gemessen worden ist. Solche Messungen waren kurzzeitig möglich. Doch nach kurzer Betriebszeit war die der Schmelze zugewandte Oberfläche der Quarzdurchführung erblindet, so daß keine weitere Strahlung mehr aufgefangen werden konnte, die Rückschlüsse auf die Temperatur des Metallbades gestattete.A continuous temperature measurement has also been proposed of liquid metal in a crucible in such a way that carry through a quartz rod passed through the wall of the melting vessel the melt has been discharged to the outside and measured. Such measurements were possible for a short time. But after a short period of operation, it was turned towards the melt The surface of the quartz bushing becomes blind, so that no more radiation could be collected, which allowed conclusions to be drawn about the temperature of the metal bath.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Durchführung eines kontinuierlichen Verfahrens, das während des ablaufenden metallurgischen Prozesses ständig Informationen über die aktuelle Zusammensetzung der Schmelze und ihre Temperatur liefert, so daß die Maßnahmen zur Einstellung der gewünschten Endzusammensetzung nach der jeweiligen Zusammensetzung und Temperatur gesteuert oder die erforderlichen Legierungsstoffe gezielt eingestellt werden können.The aim of the present invention is to carry out a continuous Process that provides constant information during the ongoing metallurgical process provides information on the current composition of the melt and its temperature, so that the measures for setting the desired final composition according to the respective Composition and temperature controlled or the required alloys can be set in a targeted manner.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte gelöst. Als Licht hoher Intensität wird vorzugsweise das Licht eines gepulsten Lasers durch einen Kanal auf ein Oberflächenelement der Schmelze fokussiert, das durch ein in der Schmelze inertes Gas durchströmt und durch dieses von der Schmelze freigehalten wird. In jedem Fall muß der Kanal so gestaltet sein, daß sich in ihm entweder keine optischen Elemente befinden oder daß in ihm ein Lichtwellenleiter oder ein optisches Fenster so angeordnet ist, daß das Laserlicht auf die Schmelze geleitet werden kann. Dieses Licht hoher Intensität erhöht dort die Temperatur auf mehrere 10.000"C, wobei ein aus Elektronen, Ionen und neutralen Atomen bestehendes Plasma gebildet wird. Ein Teil des von diesem Plasma ausgestrahlten Lichts gelangt durch den bereits erwähnten Kanal oder einen anderen winklig zu diesem Kanal angeordneten zweiten Kanal, der in gleicher Weise ausgeführt werden kann wie der erste Kanal, wieder nach draußen. Nach Austritt des Lichts aus dem Kanal wird dieses im ersten Fall nach Strahlenteilung, im zweiten Fall direkt auf die Eingangsoptik eines Spektrographen gelenkt. In der Bildebene des Spektrographen ist eine Diodenzeile mit einem elektrooptischen Shutter angeordnet, so daß das vom Spektrographen zerlegte Licht über einen bestimmten Wellenlängenbereich zeitaufgelöst oder bei offenem Shutter zeitintegriert zeitparallel detektiert werden kann. Das auf diese Weise gewonnene Signalspektrum wird von einer nachgeschalteten Elektronik verarbeitet und einem Rechner zugeführt. Ein durch Strahl- teilung gewonnenes zweites Signal, das der frequenzintegrierten Intensität des Plasmas proportional ist, wird zur Normierung des gewonnenen Signalspektrums benutzt. Im Rechner wird das Signalspektrum mit einem Mustervorrat verglichen und eine Klassifizierung der Elemente in der Schmelze vorgenommen.This object is achieved by the method steps specified in claim 1 solved. The light from a pulsed laser is preferably used as the light of high intensity focused through a channel on a surface element of the melt that passes through a gas which is inert in the melt flows through it and is kept free of the melt by this will. In any case, the channel must be designed in such a way that there is either no optical elements are located or that in it an optical waveguide or an optical Window is arranged so that the laser light can be directed to the melt. This high-intensity light increases the temperature there to several 10,000 "C, whereby a plasma consisting of electrons, ions and neutral atoms is formed. Part of the light emitted by this plasma passes through the one already mentioned Channel or another angled to this channel arranged second channel, the can be carried out in the same way as the first channel, back outside. After the light emerges from the channel, it is in the first case after beam splitting, in the second case, it is directed directly to the input optics of a spectrograph. In the The image plane of the spectrograph is a line of diodes with an electro-optical shutter arranged so that the light broken down by the spectrograph over a certain wavelength range Time-resolved or, with the shutter open, detected in a time-integrated manner in parallel can. The signal spectrum obtained in this way is provided by a downstream Electronics processed and fed to a computer. A through beam division Second signal obtained which is proportional to the frequency-integrated intensity of the plasma is used to normalize the signal spectrum obtained. In the calculator the signal spectrum compared with a sample pool and a classification of the Elements made in the melt.

Das zwischen den Plasmaanregungen von der Schmelze emittierte Strahlungsspektrum wird zur pyrometrischen Temperaturmessung ausgenutzt.The radiation spectrum emitted by the melt between the plasma excitations is used for pyrometric temperature measurement.

Um bei der praktischen Anwendung der Erfindung die Funktionsweise des zur Lichtdurchführung notwendigen Kanals in der geschilderten Weise sicherzustellen, kann z.B. wie folgt verfahren werden: Ein Röhrchen, vorzugsweise aus Kupfer, wird so in das Metallbad eingeführt, daß ein Ende des Röhrchens sich unterhalb der Metallbadoberfläche, das andere Ende des Röhrchens sich außerhalb des Schmelzgefäßes oder der Pfanne befindet. Das Röhrchen kann dabei z.B. durch eine Offnung in der Zustellung geführt sein oder aber von oben durch die Schlackeschicht geschützt durch eine Feuerfest-Keramik in das Metallbad eintauchen. Mit einem bekannten, gegenüber der Schmelze weitgehend inerten Gas, z.B. Argon, das das Röhrchen durchströmt, wird die Oeffnung des Röhrchens freigehalten. In vielen Fällen kann auch ein anderes Gas, z.B. Stickstoff, verwendet werden. Das Röhrchen hat einen Innendurchmesser von etwa 2 bis 10 mm, vorzugsweise 2 bis 4 mm.To the practical application of the invention the functionality to ensure the channel necessary for the passage of light in the manner described, can be done, for example, as follows: A tube, preferably made of copper, is inserted into the metal bath so that one end of the tube is below the surface of the metal bath, the other end of the tube is outside of the melting vessel or pan is located. The tube can e.g. lead through an opening in the delivery be or protected from above by the slag layer by a refractory ceramic immerse in the metal bath. With a well-known, largely opposite the melt inert gas, e.g. argon, flowing through the tube becomes the opening of the tube kept free. In many cases another gas, e.g. nitrogen, can also be used will. The tube has an inside diameter of about 2 to 10 mm, preferably 2 to 4 mm.

Der Gasdurchsatz richtet sich nach dem freien Querschnitt. Die Gasgeschwindigkeit sollte etwa 10 bis 150m/sec., vorzugsweise 20 bis 60 m/sec., betragen. Geschwindigkeiten bis zur Schallgeschwindigkeit des Gases sind möglich, aus wirtschaftlichen Gründen aber nicht erwünscht. Das Röhrchen wird durch den Gasdurchsatz gleichzeitig gekühlt, so daß es den thermischen Bedingungen widerstehen kann.The gas throughput depends on the free cross-section. The gas velocity should be about 10 to 150 m / sec., preferably 20 to 60 m / sec. Speeds up to the speed of sound of the gas are possible, for economic reasons but not wanted. The tube is cooled by the gas flow at the same time, so that it can withstand the thermal conditions.

Angestrebt wird ein Gasdurchsatz, der gerade ausreicht, das Röhrchen zu erhalten. Im Fall einer Durchführung des Röhrchens durch die Zustellung wird im Zuge des Verschleißes der Zustellung das Röhrchen mit abgebaut, so daß es allgemein nicht in das flüssige Metall hineinragt, sondern nur gerade die Zustellung durchdringt.The aim is to achieve a gas throughput that is just sufficient for the tube to obtain. In the case of a passage of the tube through the notch will in the course of the wear and tear of the lining, the tube is also degraded, so that it is generally does not protrude into the liquid metal, but only just penetrates the lining.

Es muß in jedem Fall vermieden werden, daß durch einen überhöhten Gasdurchsatz und eine damit zusammenhängende überhöhte Kühlung sich vor dem Röhrchen ein fester Ansatz aus Metall und/ oder Schlacke bildet, der dann die freie Durchsicht durch das Röhrchen zur Schmelze verschließt. Der Gasdurchsatz soll dabei so eingestellt werden, daß in jedem Fall ein Zufrieren der Mündung des Röhrchens unterbleibt. Sollte demnach bei Oberkühlung durch überhöhten Gasdurchsatz durch das Röhrchen die Offnung zur Schmelze durch feste Ansätze verschlossen werden, wird immer der gleiche verschlossene Teil vom Laserstrahl getroffen, zur Strahlung angeregt und daraus die Zusammensetzung bestimmt. In dem Fall wird das Analysenergebnis konstant bleiben. Solange die Uffnung frei ist, wird die Zusammensetzung des vorbeiströmenden Metalls bestimmte Schwankungen aufweisen. Dies stellt neben den erwähnten Temperaturmessungen auf dem Röhrchen eine weitere Möglichkeit dar, um zu erkennen, ob durch einen überhöhten Gasdurchsatz die Düse überkühlt wurde, so daß es zur Ansatzbildung gekommen ist.It must be avoided in any case that by an excessive Gas throughput and an associated excessive cooling are in front of the tube a solid approach of metal and / or slag forms, which then allows a clear view sealed by the tube to melt. The gas throughput should be set in this way that the mouth of the tube does not freeze over in any case. Should accordingly, the opening in the case of overcooling due to excessive gas throughput through the tube are closed to the melt by solid approaches, the same is always closed Part hit by the laser beam, excited to radiation and from this the composition certainly. In this case the analysis result will remain constant. As long as the opening is free, the composition of the flowing metal will have certain fluctuations exhibit. This is in addition to the mentioned temperature measurements on the tube is another way of recognizing whether this is due to an excessive gas throughput the nozzle has overcooled, so that buildup has occurred.

Eine weitere Kontrollmöglichkeit stellt die pyrometrische Temperaturmessung selbst in Verbindung mit der laufenden Bestimmung der Zusammensetzung des vom Laser getroffenen Volumenelements dar. Wenn z.B. aus der Spektralanalyse und der Temperaturmessung geschlossen werden kann, daß die Temperatur des metallischen getroffenen Volumenelements unter der des Schmelzpunkts liegt, hat sich vor dem Röhrchen ein metallischer fester Ansatz gebildet.Another control option is pyrometric temperature measurement even in connection with the ongoing determination of the composition of the laser affected volume element. If, for example, from spectral analysis and temperature measurement it can be concluded that the temperature of the metallic volume element struck is below that of the melting point, a metallic solid has formed in front of the tube Approach formed.

Wenn Ansatzbildungen eingetreten sind, können diese durch kurzzeitiges Umschalten von Inertgas auf Sauerstoff wieder abgebrannt werden, wobei wiederum die spektralanalytischen oder pyrometrischen Ergebnisse erkennen lassen, wann das Freibrennen des durch Ansätze verschlossenen Röhrchens erfolgt ist. Danach wird wieder auf Inertgas, z.B. Argon oder Stickstoff, umgeschaltet und der Durchsatz geringfügig gesenkt, um ein weiteres Zufrieren zu vermeiden.If the build-up has occurred, this can be caused by brief Switching from inert gas to oxygen will be burned off again, in turn the spectral analytical or pyrometric results show when the Burning free of the tube closed by attachments has taken place. After that, will switched back to inert gas, e.g. argon or nitrogen, and the throughput slightly lowered to avoid further freezing.

Andererseits wirkt die punktförmige Erhitzung des Metalls an der Düsenmündung durch den Laserstrahl selbst einer behindernden Ansatzbildung entgegen.On the other hand, the punctiform heating of the metal acts at the nozzle mouth by the laser beam itself against an obstructive build-up.

Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Verbesserung der Abführung der durch den Laserstrahl an der Auftreffstelle erzeugten Strahlung in das Röhrchen zentral ein Lichtwellenleiter, z.B. aus Quarz, so eingeführt, daß zwischen Röhrchen und Lichtwellenleiter gegenüber der Schmelze inertes Gas strömen kann, um die Mündung entsprechend der vorangegangenen Ausführung freizuhalten und die Rohrdurchführung und den Lichtwellenleiter gegen überhöhte Temperatureinwirkung zu schützen. Der Lichtwellenleiter ist so ausgeführt, daß der Laserstrahl an ihm vorbei durch das Röhrchen zur Auftreffstelle geführt werden kann. Der Lichtwellenleiter kann starr oder flexibel ausgeführt werden.In a further embodiment of the method according to the invention is used to improve the dissipation of the laser beam at the point of impact generated radiation in the tube centrally a fiber optic, e.g. made of quartz, inserted so that between the tube and the optical waveguide opposite the melt inert gas can flow to the mouth according to the previous discussion to keep clear and the pipe lead-through and the fiber optic cable against excessive To protect against the effects of temperature. The optical fiber is designed so that the Laser beam can be guided past him through the tube to the point of impact. The optical waveguide can be made rigid or flexible.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird auch der Laserstrahl durch den Lichtwellenleiter, ein Fenster oder eine Fokussierlinse geführt. Die Durchführung durch einen Lichtwellenleiter ist dann erforderlich, wenn durch thermische Beanspruchung der Zustellung die Geradlinigkeit der Durchführung in Frage gestellt werden kann. In dem Fall ist ein Führen des Laserstrahls durch einen flexiblen Lichtwellenleiter eine Lösung, wobei allerdings berücksichtigt werden muß, daß ein Teil der Energie des Laserstrahls beim Durchgang durch den Lichtwellenleiter verlorengeht.In another embodiment of the invention, the laser beam is also used guided through the optical fiber, a window or a focusing lens. The implementation through an optical waveguide is required when due to thermal stress the straightforwardness of the implementation can be called into question. In this case, the laser beam is guided through a flexible optical waveguide a solution, although it must be taken into account that a part the energy of the laser beam is lost when passing through the optical fiber.

Die Stirnfläche des Lichtwellenleiters oder das Fenster dürfen keinen Kontakt mit flüssigem Metall oder flüssiger Schlacke erhalten, weil ihr Transmissionsvermögen stark beeinträchtigt wird und die Restintensität der Strahlung für eine Messung nicht mehr ausreichend ist. Dies kann, wie bereits erwähnt, durch die Gasdurchsätze erreicht werden, die durch die freibleibende Uffnung durch das Röhrchen durchgesetzt werden, wenn der in das Röhrchen eingeführte Lichtwellenleiter nicht bis zur Schmelze direkt durchgeführt wird, sondern von der flüssigen Schmelze oder der flüssigen Schlacke ein Sicherheitsabstand von wenigstens 10 bis30 mm erhält, und der Gasdurchsatz ausreicht, den Raum vor den optischen Bauteilen von Schlacke und Metall freizuhalten.The end face of the fiber optic cable or the window must not Get in contact with liquid metal or liquid slag because of their transmittance is severely impaired and the remaining intensity of the radiation for a measurement is no longer sufficient. As already mentioned, this can be achieved through the gas throughputs can be achieved, which enforced through the remaining opening through the tube if the optical fiber inserted into the tube does not melt is carried out directly, but from the liquid melt or the liquid Slag is given a safety margin of at least 10 to 30 mm, and the gas flow rate sufficient to keep the space in front of the optical components free of slag and metal.

Mit abnehmender Zustellungswandstärke verkürzt sich die Rohrdurchführung, und der Abstand der Lichtwellenleiter-Stirnfläche von der Schmelze wird verkürzt, so daß der Eintritt der zurückzuführenden Strahlung in den Lichtwellenleiter verhindert wird.As the lining wall thickness decreases, the pipe penetration is shortened, and the distance between the optical fiber end face and the melt is shortened, so that the return radiation is prevented from entering the optical waveguide will.

Aus diesem Grunde wird der Lichtwellenleiter als Faserbündel ausgeführt, dessen Fasern unterschiedlich tief in das Röhrchen hineinragen. Dadurch wird mit abnehmender Zustellungswandstärke zwar die Zahl der funktionsfähigen Lichtwellenleiter-Fasern geringer, die verbleibende Zahl reicht jedoch aus, um die Leitung des Lichts mit hinreichender Intensität zu gewährleisten.For this reason, the fiber optic cable is designed as a fiber bundle, the fibers of which protrude at different depths into the tube. This is with decreasing lining wall thickness the number of functional fiber optic fibers less, but the remaining number is sufficient to direct the light with ensure sufficient intensity.

Eine weitere Ausführung der Sicherung der Funktionsfähigkeit der lichtoptischen Obertragung besteht darin, daß bei Unterschreiten des oben erwähnten Sicherheitsabstandes die Stirnseite des Lichtwellenleiters mechanisch zurückgezogen wird. Erfindungsgemäß wird in dem vom Laserstrahl zur Strahlung angeregten Bereich vor der Düsenmündung, je nach prozeßbedingter Bewegung der Schmelze, Metall und Schlacke stochastisch abwechselnd strömen. Da aber Metall und Schlacke deutlich unterschiedliche Konstellationen verschiedener Komponenten in bestimmten Grenzbereichen, je nach dem gegebenen Schmelzprozeß, aufweisen, ist es möglich, aufgrund der gegebenen Grundzusammensetzungen von Metall und Schlacke zu erkennen, ob das gerade zu Strahlung angeregte Volumenelement aus Schlacke oder Metall besteht.Another embodiment of the safeguarding of the functionality of the light-optical Transmission consists in the fact that if the safety distance mentioned above is not reached the end face of the optical waveguide is withdrawn mechanically. According to the invention is in the area in front of the nozzle orifice that is excited by the laser beam, depending on the process-related movement of the melt, metal and slag stochastically alternately stream. But since metal and slag are clearly different constellations different components in certain limit areas, depending on the given melting process, it is possible due to the given basic compositions of metal and slag to detect whether the volume element just excited to radiation is out Slag or metal.

Es ist somit möglich, quasi gleichzeitig die jeweilige Zusammensetzung von Schlacke und Metall zu bestimmen. Hinzu kommt die oben erwähnte pyrometrische Temperaturbestimmung in den Pausen zwischen zwei Laserstrahlanregungen.It is thus possible, quasi simultaneously, the respective composition of slag and metal. In addition, there is the above-mentioned pyrometric Temperature determination in the pauses between two laser beam excitations.

Im weiteren Sinne kann unter einer Schmelze, die aus Metall und Schlacke besteht, für das erfindungsgemäße Verfahren auch eine beliebig andere Flüssigkeit verstanden werden oder ein Gemisch aus verschiedenen Flüssigkeiten und festen Bestandteilen, wobei die jeweiligen Flüssigkeiten und/oder Flüssigkeitsgemische und/ oder Feststoffe enthaltende Flüssigkeiten unterschiedliche Temperaturen aufweisen können. Das Verfahren kann in dem Fall unter vereinfachten physikalischen Randbedingungen angewandt werden.In a broader sense, it can take a melt consisting of metal and slag there is any other liquid for the method according to the invention be understood or a mixture of different liquids and solid components, whereby the respective liquids and / or liquid mixtures and / or solids containing liquids can have different temperatures. The procedure can be used in this case under simplified physical boundary conditions.

In gleicher Weise können auch gasförmige oder heterogene Gemische analysiert werden, die aus festen, flüssigen und gasförmigen Partikeln bestehen können. Die Beeinflussung der thermischen Strahlung vor der Düsenmündung durch den Durchsatz an Gas kann bei konstantem Gasdurchsatz durch das Röhrchen empirisch berücksichtigt werden.In the same way, gaseous or heterogeneous mixtures can also be used which consist of solid, liquid and gaseous particles can. The influence of the thermal radiation in front of the nozzle mouth The gas flow rate can be taken into account empirically with a constant gas flow rate through the tube will.

Durch die Erfindung wird ein einfaches Verfahren geschaffen, um die Zusammensetzung von flüssiger Schlacke und Metall kontinuierlich oder diskontinuierlich zu analysieren und gleichzeitig deren Temperatur zu bestimmen.The invention provides a simple method to the Composition of liquid slag and metal, continuous or discontinuous to analyze and determine their temperature at the same time.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, daß die Analyse kontaktlos durchgeführt werden kann.A particular advantage of the method according to the invention is that the analysis can be carried out without contact.

Vorteilhaft ist weiterhin die parallele Auslesung des Spektrums des Plasmas. Dies ermöglicht eine schnelle Durchführung der Klassifizierung des Spektrums und bewirkt eine Verkürzung der Analysezeit. Durch das unmittelbare Erkennen der Zusammensetzung von Schlacke und Metall sowie der zugehörigen Temperaturen ergeben sich bisher nicht mögliche Verbesserungen der metallurgischen Prozeßführung.The parallel reading of the spectrum of the is also advantageous Plasmas. This enables the classification of the spectrum to be carried out quickly and reduces the analysis time. By immediately recognizing the Composition of slag and metal as well as the associated temperatures result Improvements in the metallurgical process management that were not previously possible.

Das Verfahren nach der Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.The method according to the invention is based on one in the Drawing illustrated embodiment explained.

Dabei zeigt Fig. 1 die schematische Darstellung einer Einrichtung zum Messen der Zusammensetzung und der Temperatur von flüssigem Stahl an einem Schmelzgefäß und Fig. 2a und 2b den Verlauf der Zusammensetzung von Schlacke und Metall sowie der Temperatur einer Schmelze in grafischer Darstellung.1 shows the schematic representation of a device for measuring the composition and temperature of liquid steel on a melting pot and FIGS. 2a and 2b show the course of the composition of slag and metal as well the temperature of a melt in graphical representation.

In einem Schmelzgefäß 1 zum Frischen von Stahl mit der Zustellung 2 befindet sich eine Schmelze, bestehend aus Schlacke 4 und Metall 5. Durch die Lanze 6 wird ein Sauerstoffstrahl 7 auf die Badoberfläche gerichtet und das Metall 5 im Konverter gefrischt. Dabei stellen sich, je nach der Sauerstoffaktivität der basischen Schlacke und des Metalls, Verteilungsverhältnisse von Phosphor, Silicium, Mangan und Schwefel zwischen Schlacke und Metall ein. Das Metall enthält vorwiegend Eisen und nur geringe Sauerstoff- und Calciumanteile, während die Schlacke hohe Calciumanteile und hohe Sauerstoffanteile enthält. Die Temperatur der Schmelze verändert sich während des Frischens von 12500C auf 16300C.In a melting vessel 1 for refining steel with the infeed 2 is a melt consisting of slag 4 and metal 5. Through the Lance 6, an oxygen jet 7 is directed onto the bath surface and the metal 5 refurbished in the converter. Depending on the oxygen activity, the basic slag and metal, distribution ratios of phosphorus, silicon, Manganese and sulfur between slag and metal. The metal contains predominantly Iron and only small amounts of oxygen and calcium, while the slag contains high levels of calcium and high levels of oxygen. The temperature of the melt changes from 12500C to 16300C during freshening.

Durch die Zustellung 2 wurde ein Kupferröhrchen 8 mit einem lichten Innendurchmesser von 3 mm geführt mit einer Gaszuführung 9. In das Röhrchen wird Argon mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 30 m/sec geblasen. Auf dem Röhrchen sind Thermoelemente 10 und 11 zur Kontrolle der Temperatur des Röhrchens angebracht. Der Gasdurchsatz ist so eingestellt, daß, kontrolliert durch die Thermoelemente 10 und 11, am Röhrchen keine Temperaturen>7000C entstehen. Bei Überschreiten dieser Temperaturgrenze wird der Gasdurchsatz entsprechend erhöht. Durch das Röhrchen 8 wird ein gepulster Laserstrahl 13 über eine Fokussierlinse 17 gesendet. Er trifft auf die Schmelze an der Mündung des Röhrchens an der Stelle 14. Hier entsteht an der Auftreffstelle ein Plasma, in dem die Elemente zur spezifischen Strahlung angeregt werden. Die Strahlung wird durch das Röhrchen 8 zurückgeschickt und vom Lichtwellenleiter 15 über einen Strahl teiler und eine Fokussierlinse 18 auf den Eintrittsspalt eines Spektrographen 16 fokussiert. Vom Strahl teiler 19 wird ein Teil des Lichts auf eine Photodiode 20 geführt. Hier wird ein Referenzsignal erzeugt und zum Signalprozessor 21 geleitet.Through the infeed 2 a copper tube 8 with a clear Inside diameter of 3 mm out with a gas feed 9. In the tube is Argon blown at a flow rate of about 30 m / sec. On the tube Thermocouples 10 and 11 are attached to control the temperature of the tube. The gas flow rate is adjusted so that, controlled by the thermocouples 10 and 11, no temperatures> 7000C arise on the tube. When exceeded the gas throughput is increased accordingly to this temperature limit. Through the tube 8, a pulsed laser beam 13 is sent through a focusing lens 17. He meets on the melt at the mouth of the tube at point 14. Here is created at At the point of impact a plasma in which the elements are excited to produce specific radiation will. The radiation is sent back through the tube 8 and by the optical fiber 15 via a beam splitter and a focusing lens 18 onto the entrance slit of a Spectrograph 16 in focus. From the beam splitter 19, some of the light is on a photodiode 20 is guided. A reference signal is generated here and sent to the signal processor 21 headed.

Im Spektrographen 16 wird das zerlegte Licht über einen elektrooptischen Shutter 22 zum Diodenarray 24 geführt. Das hier erzeugte elektronische Signal gelangt in den Signalprozessor 21 und von hier in den Klassifizierungs- und Steuerrechner 16.In the spectrograph 16, the decomposed light is transmitted via an electro-optical Shutter 22 led to diode array 24. The electronic signal generated here arrives into the signal processor 21 and from here into the classification and control computer 16.

Das elektrooptische Shutter 22 wird vom Pulsformer 23 gesteuert, der wiederum über eine Verzögerungsleitung 24 vom Masterpulser gesteuert wird. Der Masterpulser 25 wiederum bezieht seine Steuerbefehle vom Klassifizierungs- und Steuerrechner 16. Andererseits steuert der Masterpulser 25 über einen Q-Switch-Trigger 26 und einen Blitzlampen-Trigger 27 den Laser 28.The electro-optical shutter 22 is controlled by the pulse shaper 23, the is again controlled by the master pulser via a delay line 24. The master pulser 25 in turn receives its control commands from the classification and control computer 16. On the other hand, the master pulser 25 controls via a Q-switch trigger 26 and a flash lamp trigger 27 the laser 28.

Die Laserimpulse 13 laufen in einem Abstand 1 bis 10 ???.The laser pulses 13 run at a distance of 1 to 10 ???.

Die Abklingzeit der Strahlungsanregung im Plasma 14 dauert mehrere psec. In der Zwischenzeit zwischen zwei dieser Anregungszyklen wird die Thermostrahlung des Bereichs vor der Mündung des Röhrchens 8 in den Spektrographen 16 oder auf die Diode 20 geleitet. Der Gasdurchsatz durch das Röhrchen wird nach Einstellung einer Maximaltemperatur von 700"C konstant eingestellt. Bei dem Gasdurchsatz ist die Temperatur an der thermisch strahlenden angeblasenen Auftreffstelle etwa 1300C tiefer als die des Bades. Diese Abweichung wurde zuvor durch parallel durchgeführte Thermoelementmessungen festgestellt und bei der Auswertung der pyrometrischen Strahlungswerte berücksichtigt. Als Folge der beim Aufblasprozeß intensiven Badbewegung wurde Schlacke und Metall vermischt, so daß im Plasma stochastisch abwechselnd Schlacke- und Metallteilchen zur spezifischen Elemetarstrahlung angeregt wurden. Es traten auch Fälle auf, in denen Grenzsituationen entstanden, in denen Schlacke- und Metallteilchen gemeinsam zur Strahlung angeregt wurden.The decay time of the radiation excitation in the plasma 14 lasts several times psec. In the meantime between two of these excitation cycles, the thermal radiation of the area in front of the mouth of the tube 8 in the spectrograph 16 or on the Diode 20 passed. The gas throughput through the tube is adjusted after a Maximum temperature of 700 "C set constant. At the gas throughput, the temperature is at the thermally radiant blown point of impact about 1300C lower than that of the bathroom. This deviation was previously determined by thermocouple measurements carried out in parallel determined and taken into account in the evaluation of the pyrometric radiation values. As a result of the intense movement of the bath during the inflation process, slag and metal became mixed so that stochastically alternating slag and metal particles in the plasma were excited to the specific elementary radiation. There have also been cases in where borderline situations arose, in which slag and metal particles together were stimulated to radiation.

Die Strahlungsimpulse werden aufgefangen, spektralanalytisch zerlegt und nach Intensitätsprüfung vom Rechner aufgenommen.The radiation pulses are captured and broken down by spectral analysis and recorded by the computer after the intensity test.

Die so erfaßten, jeweils ermittelten Analysenkollektive eines Impulses wurden nach Leitelementen geordnet. Als Leitelement für die Schlacke wird Calcium und Sauerstoff verwendet, d.h.The analysis collectives of an impulse determined in this way were arranged according to guiding elements. Calcium is used as the guiding element for the slag and oxygen is used, i.e.

Calcium muß> 7 % sein und Sauerstoff 10 %.Calcium must be> 7% and oxygen 10%.

Als Leitelement für die Metallphase wird Eisen und Sauerstoff verwendet. Der Eisenanteil muß 95 % sein und der Sauerstoff 40,2 %, um die angestrahlte Fläche als Metallfläche zu identifizieren.Iron and oxygen are used as guiding elements for the metal phase. The iron content must be 95% and the oxygen 40.2% around the illuminated area to be identified as a metal surface.

Alle Analysenkollektive, deren Leitelement nicht in die angegebenen Grenzen fallen, können nicht verwendet werden, da dann 7ufällin Schlacke- und Metallteilchen gleichzeitig zur Strahlung angeregt wurden.All analysis collectives whose guiding element does not fall into the specified Limits dropping cannot be used, since then slag and metal particles will fall were stimulated to radiation at the same time.

Die ermittelten und nach Schlacke- und Metallanalyse geordneten Kollektive je eines Strahlungsimpulses werden mit gleich gearteten Kollektiven vorangegangener Strahlungsimpulse vereinigt und deren mittlere Zusammensetzung von Metall und Schlacke getrennt ausgegeben. Auch bei der pyrometrischen Temperaturmessung werden mehrere Einzelmessungen zu einer mittleren Temperatur zusammengefaßt.The collectives determined and sorted according to slag and metal analysis Each radiation pulse is preceded by collectives of the same type Radiation pulses combined and their average composition of metal and slag issued separately. Also with the pyrometric temperature measurement several Individual measurements combined to form a mean temperature.

Nach dem in Fig. 2 gezeigten Verlauf der Zusammensetzung von Schlacke und Metall sowie der Temperatur einer Schmelze kann der Prozeß gesteuert werden. Es ist bekannt, daß der Phosphorgehalt des Metalls eine Funktion des Verhältnisses von Ca0 zu Si02 und Eisenoxidgehaltes der Schlacke ist. Nach aktueller Kenntnis der jeweiligen Zusammensetzung wird bei nicht ausreichendem Entphosphorungsverlauf und zu starker Entkohlungsgeschwindigkeit im Zeitbereich von 10 min Blaszeit durch Vergrößerung des Abstandes der Lanze nach 11 min Blaszeit die Entkohlungsgeschwindigkeit verringert und der Abfall des Eisenoxidgehaltes der Schlacke deutlich verkleinert.According to the course of the composition of slag shown in FIG and metal and the temperature of a melt, the process can be controlled. It is known that the phosphorus content of the metal is a function of the ratio from Ca0 to Si02 and iron oxide content of the slag. According to current knowledge of the respective composition if the dephosphorization process is inadequate and excessive decarburization speed in the time range of 10 min blowing time Increase the distance between the lance after a blowing time of 11 minutes, the decarburization rate and the drop in the iron oxide content of the slag is significantly reduced.

In Fig. 2 kann auch erkannt werden, daß später der Phosphorgehalt des Metalls den angestrebten Endwert von 0,015 % Phosphor bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,07 % erreicht. Andererseits kann aus dem Temperaturverlauf erkannt werden, daß 2-3 Minuten vor Blasende ein Zusatz von 0,6 % des Roheinsatzgewichtes an Erz erforderlich war, um die gewünschte Endtemperatur bei 1640"C einzustellen.In Fig. 2 it can also be seen that later the phosphorus content of the metal reached the desired final value of 0.015% phosphorus with a carbon content of 0.07% achieved. On the other hand, it can be seen from the temperature profile that 2-3 minutes before the end of the blowing an addition of 0.6% of the raw weight of ore was necessary to set the desired final temperature at 1640 "C.

Claims (10)

Patentansprüche ( 5 lVerfahren zur Bestimmung von Temperatur und chemischer Zusammensetzung einer Schmelze, dadurch gekennzeichnet, daß gepulstes Licht hoher Intensität durch einen Kanal auf einen Oberflächenteil der Schmelze fokussiert wird und dort ein aus Ionen, Atomen und Elektronen bestehendes Plasma erzeugt, das eine für die im Plasma befindlichen Elemente spezifische Strahlung emittiert, die durch den Kanal auf einen Spektrographen zurückgeführt und dort zerlegt wird, und daß das gewonnene Signalspektrum zur Erkennung der in der Schmelze zur Strahlung angeregten Elemente verwendet und/oder zur pyrometrischen Temperaturmessung benutzt wird. Claims (5 l method for determining temperature and chemical composition of a melt, characterized in that pulsed High intensity light through a channel onto a surface part of the melt is focused and there a plasma consisting of ions, atoms and electrons generates radiation that is specific for the elements in the plasma emitted, which is fed back through the channel to a spectrograph and decomposed there is, and that the signal spectrum obtained for the detection of the melt in the melt Radiation-excited elements used and / or for pyrometric temperature measurement is used. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gepulste Licht hoher Intensität ein gepulster Laserstrahl ist. 2. The method according to claim 1, characterized in that the pulsed High intensity light is a pulsed laser beam. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal aus einem Röhrchen aus schwerschmelzbarem Material besteht, das von einem gegenüber der Schmelze inerten Gas durchströmt und durch dieses von der Schmelze freigehalten wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the channel consists of a tube made of refractory material, which is from a gas that is inert to the melt flows through it and through this flows from the melt is kept free. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gewonnene Signalspektrum von einer nachgeschalteten Elektronik verarbeitet und einem Rechner zugeführt wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that that the signal spectrum obtained is processed by downstream electronics and fed to a computer. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch Strahl teilung gewonnenes zweites Signal, das der Frequenzintensität des Plasmas proportinnal ist ztir Normung des gewonnenen Signals beiiu L: t w 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in, that a second signal obtained by beam division, that of the frequency intensity of the plasma is proportional for standardization of the signal obtained at L: t w 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bildebene des Spektrographen ein Diodenarray mit einem elektronischen Shutter angeordnet ist.6th Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the image plane of the spectrograph is a diode array with an electronic shutter is arranged. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Kanal zur Rückführung der Strahlung ein Lichtwellenleiter angeordnet ist.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in, that an optical waveguide is arranged in the channel for returning the radiation. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter aus Quarz besteht.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in, that the optical fiber is made of quartz. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter aus flexiblen einzelnen Quarzfasern besteht. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in, that the optical waveguide consists of flexible individual quartz fibers. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter als Faserbündel ausgeführt wird, dessen Fasern unterschiedlich tief in den Kanal hineinragen.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in, that the optical waveguide is designed as a fiber bundle, the fibers of which are different protrude deep into the canal.
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