DE3617869A1

DE3617869A1 - Spektralanalysenvorrichtung an einem konverter

Info

Publication number: DE3617869A1
Application number: DE19863617869
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dr Ing Koch; Fritz Dr Meininghaus; Hermann Josef Prof Dr Kopineck; Wilhelm Dr Tappe
Original assignee: Hoesch Stahl AG
Current assignee: Hoesch Stahl AG
Priority date: 1986-05-27
Filing date: 1986-05-27
Publication date: 1987-12-03
Also published as: DE3768345D1; EP0250765A1; ATE61479T1; JPS62291521A; EP0250765B1; US4818106A

Description

Die Erfindung betrifft eine Spektralanalysenvorrichtung an einem Konverter oder sonstigem mit flüssigem Metall, vor allem Eisen oder Stahl gefüllten Behälter oder Ofen, bei der eine von außen durch eine Wand des Behälters bis zum schmelzflüssigen Inhalt verlaufende mit einem inerten Gas gefüllte Öffnung op tisch für von der Schmelze ausgehende Strahlung mit dem an der Außenwand des Konverters angebrachten Apparat zur Spektralana lyse verbunden ist und durch diese Öffnung außerdem ein Laser strahl in den Konverter auf die Schmelze strahlend gerichtet ist.

Eine solche Spektralanalysenvorrichtung ist aus der DE-OS 21 38 540 bekannt. Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß die Öffnung einen relativ großen Durchmesser besitzen muß, damit eine ausreichend große Menge an Strahlung durch die Öffnung dringt, da die Entfernung zum Apparat für die Spektral analyse wegen der etwa 1 m dicken Auskleidung des Konverters mit feuerfestem Material relativ weit ist.

Diese große Öffnung wird an ihrem Rand durch den flüssigen Stahl nach kurzer Betriebszeit so stark angegriffen, daß sie im Durchmesser immer größer wird, wodurch die Auskleidung des Kon verters eine Fehlstelle erhält und dieser unbrauchbar wird. Es hat sich herausgestellt, daß solche Auswaschungen bei im Durch messer sehr kleinen Öffnungen und bei hohen Ausströmge schwindigkeiten des kühlenden inerten Gases nicht entstehen. Eine solche Öffnung mit extrem geringerem Durchmesser hat gegenüber der in der DE-OS 21 38 540 beschriebenen Öffnung den Nachteil, daß durch diese nur sehr wenig der zu analysierenden Strahlung hindurchgeht. Die Strahlungsintensität wird auch da durch stark verringert, daß das mit hoher Geschwindigkeit aus strömende inerte Gas, die durch den Laserstrahl gebildete und zur Strahlung angeregte Dampfschicht sofort verdünnt und weg wäscht.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die gesamte Spektralanalysen vorrichtung so zu gestalten, daß die Öffnung nicht durch vom inerten Gas abgekühlte erstarrende Schmelze teilweise zugesetzt wird und auch nicht durch die Schmelze ausgewaschen wird und daß trotz der Länge und des geringen Durchmessers der Öffnung eine sehr genaue und auswertbare Messung erhalten wird und die Geräte einfach und mit geringem Bauaufwand als betriebssichere Anlage zu installieren sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebenen Maß nahmen gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 12 beschrieben.

Durch den geringen Querschnitt der Öffnung und das mit über 5 bar Druck ausströmende Spül-Gas vorzugsweise Edelgase Ar oder N₂Gas wird die Öffnung ausreichend gekühlt, damit ihre Ränder nicht wegbrennen oder chemisch stark angegriffen werden, an dererseits sorgt das Gas dafür, daß sich auch keine abgekühlten Stahlteile festsetzen können, da durch das Gas selbst kleinste Partikel mit hoher Geschwindigkeit von der Öffnung weggeschleu dert werden.

Die Ausmauerung des Konverters oder sonstigen Behälters wird im Laufe der Betriebszeit von der Schmelze angegriffen und immer dünner. Es ist deshalb erforderlich, daß der Brennpunkt des austretenden Laserstrahles nachreguliert wird. Die einfachste Möglichkeit des Nachregulierens besteht darin, daß der Licht leiter mit seiner am Ende befindlichen Linse in der Öffnung in regelmäßigen Abständen zurückgezogen wird. Dies hat außerdem den Vorteil, daß der Lichtleiter der Schmelze und somit dem hohen Temperaturbereich nicht so nahe kommt, daß er durch die Wärmeeinwirkung beschädigt und undurchsichtig wird. Dieses Zu rückziehen kann auch automatisch erfolgen.

Damit der Laserstrahl durch kleine Einstellungsungenauigkeiten nicht gegen die Wand der Öffnung strahlt, ist es von Vorteil, wenn der ihn in die Öffnung einleitende Licht leiter genau in der Längsachse der Öffnung liegt und die die zu analysierte Strahlung leitenden Lichtleiter um diesen herum an geordnet sind.

Die schnell ablaufenden Blasvorgänge haben bei einem Konverter zur Folge, daß es zumindest örtliche Unterschiede in der Zusam mensetzung des Stahles gibt. Um einen möglichst genauen Durch schnittswert für die Zusammensetzung des Stahles zu erhalten muß dieser an mehreren Stellen des Konverters analysiert wer den. Es ist deshalb von Vorteil, wenn an mehreren Öffnungen der ohnehin am Boden des Konverters vorhandenen Rührgasdüsen je weils eine Analysiervorrichtung angebaut ist. Der hohe appa rative Aufwand wird dadurch vereinfacht, daß jede Öffnung über Lichtleiter an einen gemeinsamen Analysierapparat oder eine ge meinsame Erzeugungsvorrichtung für Laserstrahlen angeschlossen ist.

Das zu analysierende Licht hat eine äußerst geringe Inten sität, weil die hohe Geschwindigkeit des ausströmenden inerten Gases den zum Leuchten durch den Laserstrahl angeregten Dampf sofort wegbläst und deshalb nur eine äußerst dünne Dampfschicht leuchtet.

Durch die lange dünne Öffnung werden auch die nicht genau mit der Richtung der Längsachse der Öffnung übereinstimmenden Lichtstrahlen zum Analysierapparat geleitet, wenn die Innenwän de der Öffnung z. B. durch eine dünne Aluminiumschicht verspie gelt sind. Mit dieser Maßnahme wird die Menge des durch die Öffnung fallenden Lichtes erheblich vergrößert. Die Verstellvor richtung an den Lichtleitern sorgt außer für die richtige Brennpunkteinstellung des Laserstrahles auch dafür, daß die Lichtleiter möglichst weit in Richtung zur Schmelze sitzen kön nen, wodurch die einfallende Lichtmenge ebenfalls vergrößert wird. Die Lichtleiter werden durch die Verstellvorrichtung immer soweit zurückgezogen, daß ihre Temperatur nicht soweit ansteigt, daß sie beschädigt werden. Die äußerst geringe zu analysierende Lichtintensität läßt sich nicht ohne weiteres sicher und genau analysieren. Sie erfordert vielmehr besondere Anordnungen.

So ist es beispielsweise zweckmäßig, das hintere Ende des Analysenlichtleiters so auszubilden, daß es den Eingangsspalt eines Spektralapparates bildet, der am oder im Boden des Kon verters angebracht wird, um möglichst kurze Lichtleitwege zu erreichen. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, einen im zugehörigen UV-Bereich wirksamen Monochromator zu ver wenden, dem den einzelnen Linien zugeordnete Lichtverstärker geräte z. B. Multichannelplat es zugeordnet sind. Da die interessierenden Elementanteile sehr klein sein können, so sind auch die zugehörigen Strahlungsintensitäten besonders klein. Es kann daher zweckmäßig sein, innerhalb des Lichtleitersystems eine elektrooptische Verstärkung des spektralen Nutzsignals mit an sich bekannten Mitteln vorzunehmen. Da die analytische Über wachung einer Stahlschmelze während der Erzeugung in einem LD- Konverter bereits mit der Analyse von relativ wenigen Elementen auskommt, (z. B. C, S, T, Si) da viele der charakteristischen Linien im UV-Bereich liegen, ist es besonders vorteilhaft, die spektrale Messung dieser Linien möglichst nahe der Strahlenein trittsstelle durchzuführen. Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, daß im Verlauf des das empfangene Spektrallicht leitenden Lichtleitersystems ein oder mehrere schmalbandige analysierende Elemente, wie Interferenzfilter mit zugehörigen Lichtmeßsy stemen, vorzugsweise Fotodetektoren angeordnet sind.

Ein Beispiel der Erfindung wird mit Hilfe der Fig. 1 und 2 näher erläutert.

In der Fig. 1 ist ein Teil des Bodens eines Konverters darge stellt, in dem sich die Öffnung 11 befindet. Im oberen Raum 12 der Schmelze wird durch das ausströmende inerte Gas ein in etwa halbkugelfförmiger freier Raum 13 gebildet. Die Öffnung 11 ist in ihrem unteren Teil 14 verbreitert. Die Öffnung 11 besteht aus einem Stahlrohr, das in die feuerfeste Masse des Konverters dicht eingebettet ist. Im unteren Teil 14 der Öffnung ist der Lichtleiter 15 eingebaut. Dieser ist von einem dünnwandigen, innen verspiegelten Rohr 16 umgeben. Am Rohr 16 sind 3 bis 4 abstützende Rippen 17 angebaut, die an der Wandung des unteren Teils der Öffnung 14 geführt sind. In der Mitte des Lichtlei ters 15 ist ein Lichtleiter 18 zum Einstrahlen des Laser strahles eingebaut. Das Innere der Öffnung 11 und 14 ist durch eine Dichtung 19 gegenüber der äußeren Atmosphäre abgedichtet. Das Rohr 16, mit den Lichtleitern 15, 18 ist durch den An trieb 20 schrittweise oder kontinuierlich aus der Öffnung 11 und 14 herausfahrbar zum Zwecke der Anpassung des Brennpunktes des Lasers bei sich im Betrieb verringernder Ausmauerung. Der Lichtleiter 18 ist zum Erzeugungsgerät 21 und der Licht leiter 15 zum Analysierapparat 22 geführt. Am Analysier apparat 22 ist das Multichannelplatesystem 23 angebaut, dessen Ausgang den Lichtintensitäten der Spektrallinien entsprechende Ströme an den Computer 24 liefert, der aus diesen Strömen mit Hilfe eines geeigneten Programmes die Anteile der Beimengungen des Stahles errechnet. Bei einer anderen Ausführungsform sind die Lichtleiter an den Stellen 25 und 26 unterbrochen. An der Stelle 26 wird das Licht des Lasers über einen wie eine Weiche funktionierenden beweglichen Spiegel zu Lichtleitern umgelei tet, die zu anderen ebenfalls für Meßzwecke benutzte Öffnungen führen. Die von diesen Öffnungen ankommende Strahlung kann ein bei 25 eingebauter ebenfalls beweglicher Spiegel in den zum Analysierapparat 22 führenden Lichtleiter einspiegeln.

Das Prinzip eines solchen beweglichen Spiegels ist in der Fig. 2 dargestellt.

Der z. B. vom Erzeugungsgerät 21 des Laserstrahles durch den Lichtleiter geleitete Laserstrahl verläßt diesen durch die Linse 23 im Punkt 26 und trifft den Spiegel 24 im Punkt 27 und wird zum Lichtleiter 18 reflektiert. Beim Verschieben des Spiegels 24 in Richtung 28 wird der reflektierte Strahl zu den Lichtleitern 29 oder 30 geworfen. Diese Lichtleiter 29 oder 30 führen zu anderen im Boden des Konverters befindlichen Öffnun gen. Die von diesen Öffnungen durch Lichtleiter ankommende Strahlung kann in der gleichen Weise in den zum Analysierappa rat führenden Lichtleiter eingespiegelt werden. Es muß dann allerdings der Spiegel 24 von einem Gehäuse umgeben werden, das zur Vermeidung von Absorbtionsverlusten luftleer ist oder mit dem Edelgas gefüllt ist.

Der Analysierapparat funktioniert normalerweise in herkömm licher Weise mit einem Prisma oder Gitter. Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, das Austrittsende des Lichtleiters als Spalt-Eintrittsspalt des Analysiergerätes auszubilden. Es ist aber auch möglich, daß die gesamte Strahlung in mehrere Zweige aufgeteilt wird und jeder Zweig mit einem schmalbandigen Filter versehen wird, der nur das gewünschte spektrale Licht durch läßt. Dieses wird wiederum elektro-optisch verstärkt und wie beschrieben, weiterverarbeitet.

11 Öffnung
12 oberer Raum
13 kegelf. Raum
14 unterer Teil
15 Lichtleiter
16 dünnwandiges Rohr
17 Rippe
18 mittlerer Lichtleiter
19 Dichtung
20 Antrieb
21 Laser zur Anregung
22 Analysierapparat
23 Linse
24 Spiegel
25 Unterbrechungsstelle
26 Unterbrechungsstelle
27 Punkt
28 Richtung
29 Lichtleiter
30 Lichtleiter

Claims

1. Spektralanalysenvorrichtung an einem Konverter oder sonsti gem mit flüssigem Metall beispielsweise Eisen oder Stahl gefüllten Behälter oder Ofen, bei der eine von außen durch die Wand des Behälters bis zum schmelzflüssigen Inhalt ver laufende mit einem UV-Licht absorbierendem Gas z. B. Edelgas gefüllte Öffnung optisch für von der Schmelze aus gehende Strahlung mit dem an der Außenwand des Konverters angebrachten Apparat zur Spektralanalyse verbunden ist und durch diese Öffnung außerdem ein Laserstrahl in den Behäl ter auf die Schmelze strahlend gerichtet ist, wobei Teile der Schmelze verdampfen und zur Aussendung einer element spezifischen Eigenstrahlung angeregt sind und die Erzeu gungsvorrichtung für den Laserstrahl und der Spektral analysenapparat mit der Öffnung durch jeweils einen Licht leiter verbunden sind und an die Spektralanalysenvorrichtung ein auf die Auswertung programmierter Computer ange schlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung mit ihrem in die Schmelze (12) mündenden Teil einen Querschnitt nicht größer als 1 cm² hat und die Ausströmgeschwindig keit des Gases oder Gasgemisches so groß ist, daß pro Minute mindestens 10 Gramm Gas bezogen auf einen Quererschnitt von 1 mm² ausströmen und der durch die Öffnung strahlende Laserstrahl auf von der Außenwand des Konverters verschieden weit entfernte Brenn- oder Arbeits punkte einstellbar ist.

2. Spektralanalysenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der in den äußeren Teil (14) der Öffnung eingeführte Lichtleiter für den Laserstrahl (18) in Längs richtung der Öffnung verschiebbar gelagert ist und mit einer Verstellvorrichtung (20) verbunden ist.

3. Spektralanalysenvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Lichtleiter (15) für die zu empfangende Strahlung in der Öffnung (14) in Längs richtung verschiebbar gelagert ist und mit einer Verstell vorrichtung (20) verbunden ist.

4. Spektralanalysenvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Schmelze hin gerichtete Ende des Lichtleiters (18) für den Laserstrahl zentrisch in der Längsachse der Öffnung (14) liegt und weniger als 20% der Querschnittsfläche der Öffnung ausfüllt und um diesen Lichtleiter (18) herum, in kreisringförmiger Anordnung, die die empfangende Analysenstrahlung leitenden Lichtleiter fasern (15) angeordnet sind.

5. Spektralanalysenvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dieser und dem Erzeugerge rät (21) für den Laserstrahl mehr als eine durch die Wand oder sonstigen Behälters gehende Öffnung (11) optisch ver bunden ist.

6. Spektralanalysenvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die optische Verbindung (15, 18) wahl weise herstellbar und unterbrechenbar gebaut ist.

7. Spektralanalysenvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Verbindung über einen beweglichen Spiegel (24) herstellbar ist.

8. Spektralanalysenapparat nach den Ansprüchen 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die Wände der Öffnung (11) und (14) verspiegelt sind.

9. Spektralanalysenapparat nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wände mit Aluminium verspiegelt sind.

10. Spektralanalysenapparat nach den Ansprüchen 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß das zur Analyse empfangene Licht nach der Zerlegung elektrooptisch verstärkt wird.

11. Spektralanalysenapparat nach den Ansprüchen 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß die elektrooptische Verstärkung in einer Bildverstärkerröhre wie z. B. Multichannelplate geschieht und danach das verstärkte Licht durch einen lichtelektrischen Detektor in ein von einem Computer zu verarbeitendes elektrisches Signal umgewandelt wird.

12. Spektralanalysenapparat nach den Ansprüchen 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß die Austrittsstelle des Licht leiters für die zu empfangende Strahlung als rechteckiger Spalt ausgebildet ist und in den Eingangsspalt des Ana lysierapparates, diesen ausfüllend, eingebaut ist.