DE4402463A1 - Vorrichtung zur diskontinuierlichen Erfassung der Dicke von Schichten auf einer Metallschmelze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur diskontinuierlichen Erfassung der Dicke von Schichten auf einer Metallschmelze unter Einsatz einer auf die Schichten zu bewegbaren Sensoranordnung. Diese ist an mindestens eine Auswerteeinrichtung anschließbar und gibt für jede zu erfassende Schicht charakteristische Signale ab.

Derartige, allgemein bekannte Vorrichtungen werden bei der Metallherstellung eingesetzt. Verfahrensbedingt sammeln sich nämlich bei diversen Spülvorgängen einer Metallschmelze die darin enthaltenen nichtmetallischen Bestandteile an der Schmelzenoberfläche und bilden dort die Schmelze vor Einflüssen der Atmosphäre und vor übermäßigen Wärmeverlusten schützende viskose oder feste Schlacken­ schichten.

Zur Erfassung der Schlackenschichtdicke, von der weitere Verfahrensschritte der Metallherstellung abhängen, sind verschiedene Vorrichtungen bekannt:
Aus der DE 36 41 987 A1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Schlackenhöhe in einer Metallschmelze bekannt, wobei ein als Lanze ausgebildeter Träger benutzt wird. Dieser ist mit einem Brummdetektor versehen, welcher an eine Antenne angeschlossen ist, die den Netzbrumm in der Nähe der Antenne erfaßt. Wird die Lanze in die Metallschmelze eingetaucht, detektiert der Brummdetektor den Luft/- Schlacke-Übergang, und ein induktiver Sensor meldet das Erreichen der Grenz­ schicht zwischen Schlacke und Metallschmelze. Um daraus die Schlackendicke zu ermitteln, müssen die so erhaltenen Signale zusätzlich auf eine kontinuierliche Wegmessung bezogen werden. Das Erfordernis, die Vorrichtung mit externen Wegmeßeinrichtungen zu koppeln, beeinträchtigt die Mobilität der Vorrichtung und schließt insbesondere eine Ausführung als handbetätigbare Lanze aus.

Aus der DE 38 32 763 A1 ist eine Vorrichtung zur Erfassung des Niveaus einer Schlackengrenzschicht in einer Metallschmelze bekannt, welche auf dem Prinzip der Erfassung einer Impedanzänderung über einen Impedanzschaltkreis beruht. Dieser ist mit einem Oszillator und einem Meßstab bzw. einem Meßstabversor­ gungskabel verbunden. Der Oszillator arbeitet bei einer von der Netzfrequenz unterschiedlichen Frequenz. Impendanzänderungen werden mit Hilfe eines Syn­ chrondetektors erfaßt. Überschreitet das Ausgangssignal des Synchrondetektors einen vorbestimmten, entsprechenden Grenzflächen zugeordneten Schaltkreis, erzeugen entsprechende Schwellenwertschaltkreise ein Signal, das anzeigt, daß sich der Meßstab in einem bestimmten Abstand von der entsprechenden Grenz­ fläche befindet. Auch hierbei kann die Schlackendicke nur ermittelt werden, indem die Signale der Schwellwertschaltkreise auf eine zusätzliche kontinuierliche Wegmessung bezogen werden. Zu dem bereits oben erwähnten Nachteil bezüglich einer Mobilitätsbeeinträchtigung der Vorrichtung erfordert diese weiterhin eine besonders genaue Geschwindigkeitskonstanz, da die Änderungsqualität vom Abstand und der Geschwindigkeit stark beeinflußt wird.

Aus der JP-A-61 212702 ist eine als Lanze ausgebildete Vorrichtung zur Erfassung der Schlackendicke bekannt, die mit einer Elektrode an der Lanzenspitze in die Metallschmelze eingetaucht wird. Dabei ändert sich zwischen der Elektrode und dem Schmelzengefäß die Impedanz im Luft/Schlacke- und Schlacke/Metallschmelze-Übergangsbereich. Diese Impedanzänderungen werden von Schwellwertschaltungen ausgewertet und müssen wiederum zusätzlich auf eine kontinuierliche Wegmessung bezogen werden, um daraus die Schlackendicke zu ermitteln.

Aus der EP 0421828 A1 ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung der Dicke einer flüssigen Schlackenschicht auf der Oberfläche einer Metallschmelze bekannt. Dabei wird von einem fest installierten Füllstandssensor kontinuierlich der Abstand zur Schmelzenoberfläche gemessen, wobei ein isothermer Block mittels einer geregelten Nachführeinrichtung an einem Schichtübergang Pulver/flüssige Schlacke gehalten wird. Hierbei erfordert die Nachführeinrichtung eine die Position des isothermen Blockes erfassende Wegmeßeinrichtung, um die Schlackendichte aus der Differenz der Ergebnisse beider Meßeinrichtungen zu ermitteln. Die nach diesem Verfahren vorgesehene kontinuierliche Einzelmessung ist zeitaufwendiger als eine diskontinuierliche Messung und beschleunigt den Verschleiß des isother­ men Blockes. Zudem wird eine aufwendige Verfahreinrichtung mit Wegmessung und Regeleinrichtung für den isothermen Block benötigt.

Die bekannten, vorstehend beschriebenen Vorrichtungen bzw. Verfahren weisen den gemeinsamen Nachteil auf, daß die Messungen aufwendige Verfahreinrich­ tungen und zudem die Verfahrwege zuverlässig erfassende Einrichtungen benöti­ gen. Soweit entsprechende Verfahreinrichtungen bereits bestehen, sind diese daher zumindest noch mit Verfahrwegerfassungseinrichtungen nachzurüsten.

Schließlich ist aus der JP-A-02247539 auch bereits eine Vorrichtung zur Erfassung der Schlackendicke bekannt, die nicht zwingend eine Wegmeßeinrichtung erfor­ dert. Diese Vorrichtung umfaßt eine Lanze, deren Spitze mit einer Düse versehen ist, aus der ein Edelgas strömt. Mit einem Drucksensor wird der jeweilige Stau­ druck ermittelt, der zunächst beim Übergang Luft/Schlacke mäßig ansteigt und beim Übergang Schlacke/flüssiges Metall steil ansteigt. Aus der Druckdifferenz vom Eintritt in die Schlacke bis zum Eintritt in die Metallschmelze wird unter Berücksichtigung der jeweiligen Schlackendichte die Schlackendicke ermittelt. Dieses Meßprinzip ist jedoch nur bei viskosen Schlacken funktionsfähig. Selbst dabei wird der Staudruck nicht nur durch die Dichte, sondern auch durch die Eintauchtiefe und durch die schwankende Viskosität beeinflußt, die bei Schlac­ kenschichten vom flüssigen bis zum festen Zustand reichen kann. Ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß Übergänge nicht scharf detektiert werden und die Messung dünner Schlackenschichten praktisch nicht möglich ist. Wird auf eine Wegmeßeinrichtung verzichtet, ist die Eintauchgeschwindigkeit niedrig und konstant zu halten, da anderenfalls Übergänge zwischen Schlacke und Metallschmelze u. U. nicht erkannt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschrie­ benen Art so auszubilden, daß mit einem geringen Vorrichtungsaufwand eine zuverlässige Erfassung der Dicke von Schichten gewährleistet ist. Insbesondere soll die Genauigkeit der Schichtenmessung weder von einer Verfahreinrichtung noch einer Verfahrwegerfassung abhängig sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird von einer Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ausgegangen, welche erfindungsgemäß die in seinem kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale aufweist.

Durch die erfindungsgemäße Sensoranordnung läßt sich die Schlackenschichtdicke auf Metallschmelzen messen, ohne den Verfahrweg oder die Verfahrgeschwindig­ keit, welche überhaupt nicht bekannt sein muß, zu berücksichtigen. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, daß mindestens ein Sensor als elektromagneti­ scher Sensor ausgebildet ist, der ein Abstandssignal zu einer der Schichtgrenz­ flächen erzeugt. Zusammen mit anderen Sensoren, die einfache Signale, z. B. Schaltsignale, bei Erreichen einer der Schichten abgeben, ist eine direkte Dicken­ messung möglich, indem von der Auswerteeinrichtung das Abstandssignal zu den Zeitpunkten ausgewertet wird, zu denen die Schaltsignale das Erreichen der anderen Schichten melden.

Die Sensoranordnung kann unterschiedliche oder gleiche Sensoren mit unterschied­ lichen oder gleichen Wirkungsprinzipien enthalten.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die Sen­ soranordnung mindestens zwei Sensoren, wobei mit einem ersten, elektromagneti­ schen Sensor ein dessen jeweiligen Abstand von der Metallschmelze bestimmen­ des Signal erzeugbar ist. Mit einem zweiten Sensor ist in einem definierten Ab­ stand von einer Schicht ein Signal erzeugbar. Mit der Auswerteeinrichtung ist das Signal des ersten Sensors auswertbar, wenn der zweite Sensor das den definierten Abstand von der Schicht anzeigende Signal erzeugt.

Bei Annäherung der Sensoranordnung an die Schicht kann die Sensoranordnung die Schicht durchstoßen.

Wird die vorzugsweise senkrecht auf die Metallschmelze zubewegte Sensoran­ ordnung unter einem davon abweichenden Winkel auf die Metallschmelze zube­ wegt, kann die Winkelabweichung erfaßt und in einfacher Weise zur Korrektur der Signale herangezogen werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Sensor als Beschleuni­ gungssensor ausgebildet, mit dem ein Signal beim Auftreffen der Sensoranordnung auf die oberste Schicht abgebbar ist.

Diese Ausgestaltung ermöglicht es, das Erreichen von Schichten in einem großen Viskositätsbereich der Schicht zu detektieren.

Um relativ dünnflüssige Medien aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften zu detektieren, ist es vorteilhaft, alle Sensoren als elektromagnetische Sensoren auszubilden.

Wegen der Unabhängigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung von einer externen Wegmessung besteht die Möglichkeit, die Vorrichtung als Handlanze auszubilden, um damit die Sensoranordnung manuell in Richtung der Schichten zu bewegen. Diese Ausgestaltung bietet sich besonders bei engen Platzverhältnissen an oder für Meßsituationen, wie sie beispielsweise bei Versuchsmessungen vorliegen, bei denen der Aufwand einer Verfahreinrichtung unwirtschaftlich ist.

Schließlich sieht eine Ausgestaltung der Erfindung noch vor, daß die Sensoranord­ nung als auswechselbare Einheit an einer Lanze angebracht ist.

Durch diese Ausgestaltung kann eine zur Schichtdickenmessung vorgesehene Sensoranordnung leicht gegen eine andere Sensoranordnung ausgetauscht werden, um z. B. andere Meßgrößen zu erfassen oder defekte Sensoranordnungen einfach auswechseln zu können.

Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, eine Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer weiteren Meßgröße mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Lanze oder als Teil der Schutzhülse zu kombinieren.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine Sensoranordnung und

Fig. 2 eine Signalauswertung.

Die Vorrichtung ist vertikal unter einem Winkel α = 90° auf eine Metallschmelze 1 zu bewegbar, die mit einer Schlackenschicht 2 bedeckt ist, deren Dicke erfaßt werden soll. Die Vorrichtung enthält eine abgebrochen dargestellte Lanze 3, die mit einem gleichfalls abgebrochen dargestellten Schutzrohr 4 eingekapselt ist. Im distalen Endstück der Lanze 3 sind ein erster Sensor 5 und ein zweiter Sensor 6 so nebeneinander angeordnet, daß sie bündig mit dem Ende der Lanze 3 abschließen.

Der erste Sensor 5 ist als elektromagnetischer Sensor ausgebildet und über eine Leitung 7 mit einer ersten Vorverarbeitungseinrichtung 8 verbunden, die über eine Leitung 9 mit einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung verbunden ist. Mit dem ersten Sensor 5 wird ein erstes Signal erzeugt, aus dem sich der jeweilige Abstand des ersten Sensors 5 von der Metallschmelze 1 bestimmen läßt.

Der zweite Sensor 6 ist über eine Leitung 10 mit einer zweiten Vorverarbeitungs­ einrichtung 11 verbunden, die über eine Leitung 12 mit der nicht dargestellten Auswerteeinrichtung verbunden ist. Mit dem zweiten Sensor 6 wird nur in einem definierten Abstand von der Schlackenschicht 2 ein zweites Signal erzeugt.

Wie Fig. 2 veranschaulicht, wird das erste Signal des ersten Sensors 5 ausgewer­ tet, wenn der zweite Sensor 6 das den definierten Abstand von der Schlacken­ schicht 2 anzeigende zweite Signal erzeugt. Aus dem für die zu erfassende Schlac­ kenschicht 2 charakteristischen Signal läßt sich somit die Schlackenschichtdicke ableiten.

Wenn die Signale während der Messung aufgezeichnet und gespeichert und erst nach Abschluß der Messung ausgewertet werden, sind dem Fachmann weitere Möglichkeiten der Auswertung bekannt, die insbesondere auch die Bestimmung von Schichtdicken ermöglichen, die größer als der Meßbereich des ersten Sensors sind.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur diskontinuierlichen Erfassung der Dicke von Schichten auf einer Metallschmelze unter Einsatz einer auf die Schichten zu bewegbaren Sensoranordnung, die an mindestens eine Auswerteeinrichtung anschließbar ist und für jede zu erfassende Schicht charakteristische Signale abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Sensoranordnung mindestens ein Signal als Abstandssignal eines elektromagnetischen Sensors zu einer der Schichtgrenzflächen erzeugbar ist, bei dem im Meßbereich ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Signal und Abstand besteht, und mindestens ein weiteres Signal für jede zu erfassende Schicht erzeugbar ist, bei dem in mindestens einem Abstand der Sensoranordnung zu der jeweils zu erfas­ senden Schicht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Signal und Ab­ stand besteht, und daß in der Auswerteeinrichtung aus den Signalen die Schichtdicke bestimmbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensor­ anordnung mindestens zwei Sensoren (5, 6) umfaßt, wobei mit einem ersten, elektromagnetischen Sensor (5) ein dessen jeweiligen Abstand von der Metallschmelze (1) bestimmendes Signal erzeugbar ist und mit einem zweiten Sensor (6) in einem definierten Abstand von einer Schicht (2) ein Signal erzeugbar ist, und daß mit der Auswerteeinrichtung das Signal des ersten Sensors (5) auswertbar ist, wenn der zweite Sensor (6) das den definierten Abstand von der Schicht (2) anzeigende Signal erzeugt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (5 oder 6) als Beschleunigungssensor ausgebildet ist, mit dem ein Signal beim Auftreffen der Sensoranordnung auf die oberste Schicht (2) abgebbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Sensoren (5, 6) als elektromagnetische Sensoren ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung manuell in Richtung der Schichten bewegbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung als auswechselbare Einheit an einer Lanze (3) angebracht ist.