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Zielsetzung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur dynamischen
Steuerung der Verbrennung von Brennern eines elektrischen Stahlschmelzofens,
insbesondere eines elektrischen Lichtbogenofens, im Hinblick darauf,
den energetischen Wirkungsgrad des Ofens zu verbessern bzw. zu optimieren.
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Die
Erfindung bezieht sich gleichermaßen auf das Verfahren, das
die Vorrichtung verwendet.
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Technologischer Hintergrund
und Stand der Technik
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Es
ist bekannt, dass ein elektrischer Ofen mit Lichtbogen, nachfolgend „Lichtbogenofen" genannt, mehrere
Brenner enthält,
die im Allgemeinen an der Seitenwand des Ofens angeordnet sind.
Ferner besteht die Beschickung eines Lichtbogenofens zum Schmelzen
von Stahl hauptsächlich
aus Metallabfällen,
die Ausschussteile oder Schmelzabfälle aus Stahl oder Eisenmetallen
enthalten können,
die nachfolgend als "Altmetall" oder "Alteisen" bezeichnet werden.
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Bei
den Lichtbogenöfen
kommen Brenner zum Einsatz, die ein Kraftgas/flüssigen oder gasförmigen Brennstoff,
vorzugsweise Sauerstoff oder Luft als Kraftgas mit z. B. Erdgas
als Brennstoff verwenden. Diese Brenner werden gewöhnlich gemäß einem
zuvor definierten Betriebsmodus gesteuert und kontrolliert, der
das Verhältnis
zwischen Sauerstoff-Brennstoff/Kraftgas sowie die Betriebsdauer des
Brenners bestimmt, ohne hierbei die Tatsache zu berücksichtigen,
dass die Effizienz jedes einzelnen Brenners von der tatsächlichen
Beschickung mit Alteisen abhängt,
auf die die Stirnseite (die Flamme) des Brenners trifft.
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Der
Einsatz der vorprogrammierten Betriebsmodi führt insbesondere zu folgenden
Nachteilen:
- – Es wird nicht berücksichtigt,
dass die Effizienz jedes einzelnen Brenners von der effektiven Beschickung
mit Alteisen auf der Vorderseite des jeweiligen Brenners abhängt. Folglich
wird ein beträchtlicher
Teil der durch den Brenner verbrauchten Energie mit nur einem geringen
Wirkungsgrad genutzt, da die Brenner nach einem willkürlichen Betriebsschema
eingesetzt werden, auch wenn der Schmelzvorgang bereits erreicht
wurde und vor dem Brenner kein Alteisen mehr vorhanden ist;
- – Ferner,
wenn ein schwereres oder voluminöseres
Stück Alteisen
versehentlich zu nahe an einen mit starker Flamme arbeitenden Brenner
fällt, kann
diese Flamme abgelenkt werden und die Wände des Ofens beschädigen und
hierdurch evtl. zu einem gefährlichen
Entweichen des Kühlwassers
führen.
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Um
den Wirkungsgrad der Brenner in Abhängigkeit der elektrischen Energie
und der zugeführten fossilen
Brennstoffe zu verbessern, ist eine dynamische Steuerung des Brenners
erforderlich. Unter dynamischer Steuerung versteht man eine Steuerung oder
Regelung in Echtzeit, die die betrieblichen Bedingungen bei der
Verbrennung zu einem gegebenen Zeitpunkt berücksichtigt – im Gegensatz zu einem vorprogrammierten
Funktionspunkt.
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Es
sind bereits Vorrichtungen zur Funktionssteuerung oder Regelung
eines elektrischen Lichtbogenofens bekannt. Insbesondere der europäische Patentantrag
EP-A-1 457 575 beschreibt eine Vorrichtung zur Beobachtung der Beschickung
mit Alteisen in einem Schmelzofen, der mehrere Brenner umfasst,
die oberhalb eines Schmelzbades angeordnet sind. Mindestens einer
der Brenner ist mit einer Kamera ausgestattet, die in seinem Inneren
angebracht ist. Es kann sich beispielsweise um eine endoskopische
Infrarotkamera handeln, die derart angebracht ist, dass ihre Sichtachse
mit der Längsachse
des Brenners zusammenfällt.
Diese Kamera und die ihr zugeordneten Steuerungsmittel ermöglichen
es, das Schmelzen der Altmetallbeschickung über einen Zeitraum hinweg zu
beobachten und die zeitliche Abfolge der Beschickung mit neuen Altmetalltafeln
anzupassen.
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In
dem amerikanischen Patent US-B-6 440 355 wird eine Vorrichtung zur
optischen Messung beschrieben, die in ein Schutzgehäuse zurückgezogen werden
kann und in einem Stück
mit dem Handhabungssystem in Form einer Sauerstofflanze in einem Sauerstoffkonverter
vorliegt. Diese Messvorrichtung umfasst einen optischen Kopf mit
einem geeigneten Laser, um einen Strahl auf einen Zielbereich im
Ofen, wie z. B. die Oberfläche
der Schlacke zu schicken, um den zurück geworfenen Strahl zu erkennen
und durch Vergleich zwischen der Stärke der beiden Strahlen den
Abstand zum Zielbereich zu bestimmen. Diese Vorrichtung dient ausschließlich dem Zweck,
den Abstand zwischen der Schlacke und dem Kopf der Sauerstofflanze
korrekt anpassen zu können.
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In
dem amerikanischen Patent US-A-5 125 745 wird darüber hinaus
ein mobiles Prüfgerät beschrieben,
das in die Nähe
einer horizontal angebrachten Öffnung
des Ofens gebracht werden kann. Das Gerät umfasst einen Laser, der
die Beschichtung im Inneren des Ofens beleuchten kann. Das hierdurch
gestreute Licht kann von einem automatisch abgetasteten linearen
Erkennungsnetz empfangen werden, das zwecks grafischer Darstellung
des Verschleißes
der internen Beschichtung des Ofens an einen Computer angeschlossen
ist.
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Zielsetzung der Erfindung
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung vorzuschlagen, die es
ermöglicht,
die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
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Die
vorliegende Erfindung zielt insbesondere darauf ab, ein Verfahren
zur dynamischen Steuerung, d. h. während des Funktionsablaufs,
der mit Sauerstoff gespeisten und an den Wänden des Lichtbogens angebrachten
Brenner bereit zu stellen.
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Ein
zusätzliches
Ziel der Erfindung besteht darin, den Wirkungsgrad der Brenner eines
Lichtbogenofens zu verbessern, somit zu optimieren.
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Ein
weiteres Ziel besteht ferner darin, eine zuverlässige und reproduzierbare Funktionsweise
eines Lichtbogenofens im Hinblick darauf zu erhalten, eine optimale
Einschmelzung einer gegebenen Menge an Alteisen mithilfe einer geringeren
Menge an elektrischer Energie und einem reduzierten Gasverbrauch
im Vergleich zu den Systemen auf dem heutigen Stand der Technik
zu erreichen.
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Charakteristische Hauptelemente
der Erfindung
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Ein
erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung zur dynamischen Steuerung der Verbrennung eines durch brennbare(s)
Gas(e) oder Flüssigkeit(en)
betriebenen Brenners in einem elektrischen Lichtbogenofen, insbesondere
in einem Lichtbogenofen zum Schmelzen von Stahl. Der besagte Brenner
gibt bei der Nutzung an seiner Stirnseite eine Flamme oberhalb eines
Schmelzbades aus geschmolzenem Metall ab; dieser Brenner ist oberhalb
einer Beschickung mit Altmetall montiert und dadurch gekennzeichnet,
dass er über
berührungslose
Messvorrichtungen verfügt, die
sich an der Außenseite
des Lichtbogenofens befinden, um den Abstand zwischen der Stirnseite
des Brenners und einem Zielbereich zu bestimmen, der aus dem festen
Alteisen besteht, das sich gegenüber der
besagten Außenseite
befindet. Diese besagten Messvorrichtungen umfassen eine Quelle,
die ein durch das Innere des besagten Brenners bzw. eines anderen
Brenners verlaufendes Signal in Richtung des besagten Zielbereiches
abgibt, sowie einen Sensor, an dem das durch das Zielbereich gebrochene und
durch das Innere des besagten Brenners bzw. eines anderen Brenners
geleitete Signal erfasst wird.
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Gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfassen die Vorrichtungen zur Messung des Abstands
zwischen der Stirnseite des Brenners und dem festen Altmetall einen
Erkennungskopf in der Art eines optischen Sensors zur Abstandsmessung,
der sich im Inneren oder hinter dem Brenner befindet und der einen
vorzugsweise gepulsten Laser enthält, der wiederum einen Strahl
in Richtung des Altmetalls quer über
eine Öffnung
abgibt, die sich auf der Brennerachse befindet; ferner umfasst die
Vorrichtung eine Fotozelle, die den durch das Alteisen abgelenkten
Laserstrahl empfangen kann.
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Gemäß dieser
Ausführungsart
wird der Erkennungskopf so konfiguriert, dass er die Abstandsmessung
an einem auf hohe Temperatur gebrachten Zielbereich und/oder in
einer Umgebung bzw. an einer optischen Strecke mit Vorhandensein
von Flammen durchführen
kann; bei dieser hohen Temperatur handelt es sich vorzugsweise um
einen Wert von bis zu 1500°C.
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Vorteilhafterweise
ist der Erkennungskopf mit einer Kühlvorrichtung, z. B. unter
Verwendung von Wasser, ausgestattet.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei dem Laser um einen Halbleiter-Diodenlaser, der
Licht im infraroten Bereich abgibt und mit einer Visierlinse und
einem Filter, vorzugsweise einem Interferenzfilter, ausgestattet
ist, um die Grundstörung
aufgrund der Eigenstrahlung des Lichtbogenofens zu beseitigen bzw.
zu dämpfen.
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Immer
noch gemäß einer
bevorzugten Ausführungsart
der Erfindung umfasst die Fotozelle eine Empfangslinse mit einem
Interferenzfilter und mindestens einer Fotodiode; dieses System
ist an ein elektronisches System zur Erkennung von Hochfrequenzsignalen
angeschlossen.
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Weiterhin
in vorteilhafter Weise ist die Fotodiode und somit der Erkennungskopf über faseroptische
Kabel an das elektronische System zur Erkennung von Hochfrequenzsignalen
angeschlossen; diese ermöglichen
es, letzteres besser gegen störende Einflüsse einer
evtl. schwierigen Umgebung zu schützen, in der sich der Sensor
befindet.
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Des
Weiteren in vorteilhafter Weise ist das Zielfenster des Erkennungskopfes
mit einer Vorrichtung zum Schutz der Abtastung durch ein unter Druck stehendes
Gas wie z. B. Stickstoff, Druckluft oder Erdgas ausgestattet.
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Immer
noch gemäß der Erfindung
kann der Erkennungskopf so konfiguriert sein, dass er Abstände bis
zu 5 m erkennen kann.
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Die
Vorrichtung der Erfindung umfasst darüber hinaus Regelvorrichtungen,
um in Echtzeit das Verhältnis
von Kraftgas/Brennstoff auf Ebene der Brennerversorgung und/oder
die Leistung des Brenners und/oder die Dauer der Funktion des Brenners in
Abhängigkeit
des durch den Erkennungskopf und die Hochfrequenzelektronik gemessenen
Abstands zu regeln.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei den besagten Regeleinrichtungen um eine Regelung
im geschlossenen Regelkreis.
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Gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfassen die Vorrichtungen zur Messung des Abstands
zwischen der Außenseite des
Brenners und dem festen Altmetall ein Radarsystem, das sich im Inneren
oder hinter dem Brenner befindet.
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Ein
zweiter Gegenstand der Erfindung betrifft einen Brenner für einen
elektrischen Lichtbogenofen, der mit einer Vorrichtung zur dynamischen Steuerung
der Verbrennung wie zuvor beschrieben ausgestattet ist.
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Eine
dritter Gegenstand der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur dynamischen Steuerung der Verbrennung durch einen
Brenner in einem elektrischen Lichtbogenofen mithilfe einer Vorrichtung
mit optischem Erkennungskopf wie zuvor beschreiben; das Verfahren
zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:
- – Ein gepulster
Laser zielt anfangs auf das Altmetall und wird durch eine Öffnung abgegeben,
die sich auf der Brennerachse befindet;
- – Der
durch das Altmetall abgelenkte Strahl wird erkannt;
- – Der
Abstand zwischen der Stirnseite des Brenners und dem Altmetall wird
durch eine Messung der Zeit abgeleitet, die der Strahl für die Strecke benötigt hat,
d. h. durch das Messen der Zeitintervalle, die sich zwischen jeweils
Aus- und Eingang der Laserimpulse erstrecken.
- – Das
jeweilige Verhältnis
zwischen Kraftgas/Brennstoff auf Ebene der Brennerversorgung und/oder
die Leistung des Brenners und/oder die Funktionsdauer des Brenners
wird (werden) angepasst, vorzugsweise gemäß einer Regelung im geschlossenen
Regelkreis, indem als Regelparameter der Wert des gemessenen Abstands
verwendet wird.
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Kurze Beschreibung der
Abbildungen
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Die 1 zeigt
schematisch einen senkrechten Schnitt durch einen Stahlschmelzofen,
der mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung
ausgestattet ist.
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Die 2A und 2B zeigen
schematisch zwei Betriebsfälle
zur Veranschaulichung der Umsetzung der Erfindung.
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Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform der
Erfindung
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Die
Hauptzielsetzung der Erfindung besteht darin, die mit Sauerstoff
betriebenen und an den Wänden
eines Lichtbogenofens montierten Brenner mit einer Vorrichtung zur
dynamischen Kontrolle der Verbrennung auszustatten.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung umfassen diese Steuerungsvorrichtungen einen optischen,
somit berührungslosen
Sensor, der sich außerhalb
des Lichtbogenofens befindet; dieser wird verwendet, um den Abstand
zwischen der Stirnseite des Brenners und einem Zielbereich zu schätzen, der
durch das feste Alteisen gebildet wird, das sich gegenüber der
besagten Außenseite
befindet. Der optische Sensor befindet sich im Inneren des Brenners
bzw. hinter diesem und besteht aus einem Messkopf, der wiederum
eine Quelle umfasst, die einen Strahl aussendet. Dieser Strahl verläuft durch das
Innere des Brenners in Richtung des Zielbereichs, d. h. das noch
nicht geschmolzene Alteisen. Der Strahl wird durch den Zielbereich
in Richtung eines Detektors abgelenkt, der sich im Inneren des Messkopfs
befindet; dieser Weg verläuft
gleichermaßen
durch das Innere des Brenners.
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Das
Verhältnis
zwischen verwendetem Sauerstoff/Erdgas, die Funktionsdauer und/oder
die Leistung des Brenners werden somit in Abhängigkeit der effektiven Beschickung
mit Alteisen vor dem jeweiligen Brenner gewählt; diese Beschickung wird
präzise
mithilfe des Abstandssensors geschätzt.
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Jede
andere als eine optische Vorrichtung, beispielsweise ein Radarsystem,
die es ermöglicht, die
Abstände
in einer durch hohe Temperaturen gestörten Umgebung zu bestimmen,
fällt ebenfalls
unter die Zielsetzung dieser Erfindung.
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Ein
System zur augenblicklichen Abstandsmessung zwischen der Stirnseite
des Brenners und dem festen Alteisen muss es somit ermöglichen,
die Funktionspunkte des Brenners und seine entsprechende Funktionsdauer
anzupassen, um die zuvor genannten Nachteile zu vermeiden und somit
die Effizienz im Hinblick auf die fossile Energie zu erhöhen.
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Auf
Grundlage des vom Abstandssensor gemessenen Signals ermöglicht die
Berechnung der dynamischen Funktionspunkte gleichermaßen eine automatische
Funktion des Brenners. Das Verhältnis zwischen
Sauerstoff/Erdgas, die Leistung des Brenners und die Funktionsdauer
jeden Brenners werden in Abhängigkeit
der effektiven Beschickung an Alteisen vor jedem Brenner berechnet.
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Während des
Anlaufens verwendet der Brenner ein erhöhtes Sauerstoff/Erdgas-Verhältnis sowie
eine geringere Leistung als seine Nennleistung, die beispielsweise
bei 5 bis 10 Megawatt (MW) liegen kann. Diese Bedingungen werden
so lange beibehalten, wie in der Nähe der Stirnseite des Brenners
Alteisen vorhanden ist sowie bis ein freier Leerraum (kein festes
Material mehr) im Herzen der Beschickung mit Alteisen vor dem Brenner
erzeugt wird.
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Wenn
ein solcher Schmelzhohlraum gebildet wird, wird der Brenner normalerweise
auf stochiometrische Bedingungen und auf Nennleistung ausgesteuert.
Der Brennerbetrieb muss umgehend gestoppt werden, sobald sich an
die Schmelzbedingungen angenähert
wird, um jede Verminderung seiner Effizienz zu vermeiden.
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Der
Abstandssensor wird so gewählt,
dass er einen Zielbereich anvisieren kann, der auf eine lokal sehr
hohe Temperatur gebracht wurde, ohne dass die Messung mit den gewählten Wellenlängen zu
stark durch die Eigenstrahlung des Zielbereichs gestört wird.
Dieser Sensor muss sich ferner an das Vorhandensein von durch den
Brenner erzeugten Flammen anpassen, die insbesondere den durch den
Sender ausgestrahlten und von ihm empfangenen Strahl ablenken können.
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In
vorteilhafter Weise entspricht das gewählte Messverfahren folgenden
Punkten:
- – Ein
gepulster Laserstrahl zielt über
eine zentrale Öffnung
des Brenners auf das Alteisen;
- – Das
zurückgeworfene
Licht wird durch einen geeigneten Sensor erkannt;
- – Der
zuvor genannte Abstand (D) wird durch die Berechnung einer „Flugzeit" abgeleitet, die
auf dem Zeitintervall basiert, das die Impulsabgabe vom Empfang
des Impulses trennt; bei der zu berücksichtigenden Geschwindigkeit
handelt es sich um die Lichtgeschwindigkeit, eine Elektronik zur Erkennung
von Hochfrequenzsignalen ist erforderlich.
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Ein
Einbaubeispiel, durch das die in der Erfindung vorgesehene Vorrichtung
umgesetzt werden kann, ist in der 1 dargestellt;
hier ist ein Ausschnitt eines Lichtbogen-Stahlschmelzofens in vertikaler
Schnittdarstellung zu sehen, bei dem der die Vorrichtung der Erfindung
enthaltende Brenner schematisch dargestellt ist.
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Der
Lichtbogenofen umfasst insbesondere einen durch den Deckel 2 verschlossenen
Behälter 1, der
mit einer Vorrichtung zur Wasserkühlung ausgestattet ist. Während des
Betriebs enthält
der Behälter 1 ein
Bad 3 mit Stahlschmelze, das zur Erinnerung durch eine
Schlackeschicht 4 bedeckt ist. Nach dem Frischen wird der
geschmolzene Stahl 3 zu einem Abstichloch geleitet, das
Fachleuten bekannt ist (nicht dargestellt). Nach dem Abstich wird
der Ofen mit einer neuen Menge Altmetall 5 mithilfe eines Korbs
(nicht dargestellt) bei geöffnetem Deckel 2 beschickt.
Die Beschickung aus Altmetall 5 wird nach und nach mit
Hilfe eines elektrischen Lichtbogens 6 geschmolzen, der
zwischen einer Elektrode 7 und dem mit Hilfe der Brenner 8 unter
Entwicklung von Flammen 9 geschmolzenen Stahlschmelzbad 3 gebildet
wird, wie dies durch den Stand der Technik bekannt ist. Ein Erkennungskopf 11 in
der Art eines Abstandssensors wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung im Inneren des Brenners integriert: Dieser trägt insbesondere
eine Laserdiode, die einen gepulsten Strahl erzeugt, der durch eine zentrale Öffnung 8' des Brenners
auf das Alteisen 5 zielt, sowie ferner eine Fotozelle,
die in einem festen Winkel angeordnet ist, der es ihr ermöglicht,
den durch das Alteisen 5 zurückgeworfenen Laserstrahl zu
erkennen.
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Während des
normalen oder effizienten Betriebs des Brenners, wie zuvor beschrieben,
wird durch den Schmelzvorgang vor der Stirnseite des Brenners 8 ein
freier Hohlraum gebildet, wie in der 2A dargestellt.
Dieser Hohlraum definiert einen Abstand D zwischen der Stirnseite
des Brenners 8' und
dem davor liegenden Alteisen 5, das sich immer noch im
festen Zustand befindet. Dieser Abstand D wird präzise durch
die Vorrichtung der Erfindung gemessen. In einer solchen Situation
wird der Brenner mit Sauerstoff und einem Brennstoff (Erdgas, in
den 2A und 2B durch
NG bezeichnet) gemäß den stochiometrischen
Proportionen versorgt. Umgekehrt wird in der in 2B dargestellten
Situation, bei der der Schmelzvorgang nicht optimal verläuft und
bei der man ein teilweises Verschwinden des Schmelzhohlraums beobachtet,
der gemessenen Abstand D in fataler Weise im Vergleich zur zuvor
beschriebenen Situation verringert und der Brenner mit einem Sauerstoff/Erdgas-Gemisch
in einem Verhältnis
versorgt, das über
dem stochiometrischen Verhältnis
liegt und/oder mit einer im Vergleich zur Nennleistung verringerten
Leistung betrieben.
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Die
Erfindung bietet den Vorteil einer dynamischen und automatischen
Steuerung der Brenner; hierdurch wird deren optimale Funktionsweise
in zuverlässiger
und reproduzierbarer Weise im Hinblick darauf gewährleistet,
durch den verringerten Verbrauch von elektrischer Energie und Gas
und somit eine verbesserte Nutzung der Energie des Brenners einen
verbesserten oder optimierten Schmelzvorgang zu erreichen.