DE60226261T2

DE60226261T2 - Einrichtung und verfahren zur diskreten und kontinuierlichen messung der temperatur von geschmolzenem metall in einem ofen oder behälter für seine herstellung oder behandlung

Info

Publication number: DE60226261T2
Application number: DE60226261T
Authority: DE
Inventors: Francesco Memoli; Volkwin Werner Köster
Original assignee: Tenova SpA
Current assignee: Tenova SpA
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2022-10-30
Also published as: EP1440298A1; MXPA04003962A; ATE393379T1; KR100934525B1; RU2004112784A; PL202900B1; US20040240518A1; PT1440298E; EP1440298B1; CA2463618C; ITMI20012278A1; CN100416242C; CA2463618A1; JP2005509881A; KR20050040847A; EP1440298B8; WO2003044475A1; CN1578901A; PL368279A1; AU2002351801A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Messen der Temperatur von geschmolzenem Metall in einem Ofen oder Behälter für seine Herstellung oder Behandlung. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum kontinuierlichen Messen einer derartigen Temperatur.
Bei der Herstellung von Stahl in einem Elektroofen nimmt die Erfassung der Temperatur des geschmolzenen Stahlbades im Ofen oder Behälter einen wichtigen Stellenwert ein.
Es ist ferner häufig versucht worden, eine Technik zu entwickeln, durch die ein kontinuierlicher Temperaturwert des geschmolzenen Metalls erhalten wird, ohne dass der Herstellungs- oder Behandlungsprozess modifiziert werden muss.
Gegenwärtig wird in den meisten Stahlwerken ein durch eine sich zersetzende Hülse geschütztes Thermoelement manuell oder durch automatische mechanische Systeme, die allgemein als Manipulatoren bekannt sind, in die Flüssigkeit abgesenkt.
Es ist klar, dass die Hülse für jede einzelne Messung ausgetauscht werden muss, so dass die Temperatur nicht kontinuierlich messbar ist.
In der deutschen Patentanmeldung DE-14 08 873 wird ein Verfahren vorgeschlagen, gemäß dem ein Thermoelement in eine Komponente aus feuerfestem Material mit einem Wasserkühlungssystem eingesetzt wird. Bei einem derartigen Verfahren treten aufgrund der für das Thermoelement notwendigen hohen Kühlleistung Probleme hinsichtlich der Lebensdauer des Thermoelements und hinsichtlich der Messgenauigkeit auf.
Aufgabe des US-Patents Nr. 006071466 des Unternehmens Voest Alpine ist die Messung der Badtemperatur, wobei das Patent auf der Messung elektromagnetischer Wellen basiert, die vom Boden des Bades emittiert werden.
Ein Heißblasrohr, aus dem Inertgas eingeblasen wird, ist auf dem Boden angeordnet. Das Gas erzeugt auf dem Boden des Bades eine Blase, die durch einen Strom aus Methan und Stickstoff und die anschließenden Crackreaktionen aufrechterhalten wird.
Ein optisches Instrument misst die Temperatur der eine derartige Blase umgebenden Flüssigkeit. Dieses Verfahren ist jedoch dadurch eingeschränkt, dass es wesentlich zu Unterbrechungen neigt.
Daraufhin wurde, ebenfalls vom Unternehmen Voest Alpine, durch das US-Patent 6172367 eine andere Vorrichtung vorgeschlagen, die jedoch auf dem gleichen fluiddynamischen Prinzip basiert.
In diesem Fall ist das Heißblasrohr an der Seite angeordnet, jedoch noch immer unterhalb der hydrostatischen Flüssigkeitshöhe des Stahls.
Auf diese Weise wird zwar eine höhere Genauigkeit erzielt, weil der durch den Stahl emittierte Strahl elektromagnetischer Wellen sich parallel zur Achse der Vorrichtung ausbreitet, was die Störung der schrägen Wellen auslöscht. Trotzdem treten auch bei dieser Vorrichtung Unterbrechungsprobleme aufgrund der Schwierigkeit auf, die Blase aufrechtzuerhalten. Tatsächlich sind der Strahl aus Methan und Stickstoff und die anschließenden Crackreaktionen zum Aufrechterhalten der Blasen häufig unzureichend.
Die Probleme dieser beiden letztgenannten Systeme ergeben sich aus der Tatsache, dass beide Systeme sich unter der hydrostatischen Flüssigkeitssäule befinden, wo die Umgebungsbedingungen schlechter sind.
Außerdem ist ein durch das Unternehmen Tech-Plus entwickeltes, als "ENDO-GLAS" bezeichnetes System bekannt, in dem ein optisches Lesegerät verwendet wird, das im Inneren einer wassergekühlten Lanze angeordnet ist, aus der Inertgas eingeblasen werden kann. Das System weist einen Manipulator auf, der die Lanze im Inneren des Ofens bewegt. Normalerweise ist er über dem Ofen angeordnet, mit der Möglichkeit, den Eintrittswinkel einzustellen. Das System ist nicht starr oder fest, wie die beiden vorstehend erwähnten Systeme, so dass für jede Messung auf den Eintritt der Lanze in den Ofen gewartet werden muss.
Es tritt ein ähnlicher Nachteil wie bei den Thermoelementmanipulatoren auf, d. h., es ermöglicht keine kontinuierliche Messung. Tatsächlich ist die Lanze, obgleich sie gekühlt ist, nicht dazu geeignet, ständig im Inneren des Ofens zu verbleiben.
In der JP-A-62-293128 und JP-A-62-226025 sind Beispiele von Vorrichtungen zum kontinuierlichen Messen der Temperatur von geschmolzenem Metall beschrieben, die über der hydrostatischen Flüssigkeitssäule des geschmolzenen Stahlbades angeordnet sind und ein Wärmeanalyseinstrument aufweisen, das in einer Lanze angeordnet ist, die einen Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffstrahl gegen die Oberfläche einer Metallschlacke bläst.
Die allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum diskreten und kontinuierlichen Messen der Temperatur von geschmolzenem Metall in einem Ofen oder Behälter für seine Herstellung oder Behandlung bereitzustellen, mit der bzw. mit dem eine präzise und zuverlässige Messung der Badtemperatur ermöglicht wird.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die vorstehend erwähnten Nachteile des Stands der Technik auf eine äußerst einfache, kosteneffektive und insbesondere funktionelle Weise zu eliminieren.
Um die vorstehenden Aufgaben zu lösen, ist erfindungsgemäß in Betracht gezogen worden, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum kontinuierlichen Messen der Temperatur von geschmolzenem Metall in einem Ofen oder Behälter für seine Herstellung oder Behandlung mit den in den beigefügten Patentansprüchen dargestellten Merkmalen zu realisieren.
Die strukturellen und funktionellen Merkmale der vorliegenden Erfindung und ihre Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik sollen anhand der folgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen noch deutlicher werden, die eine Vorrichtung zum diskreten und kontinuierlichen Messen der Temperatur von geschmolzenem Metall in einem Ofen oder Behälter für seine Herstellung oder Behandlung zeigen, die gemäß den innovativen Prinzipien der Erfindung realisiert ist. In den Figuren ist:
1 eine Querschnittsansicht eines Ofens oder Behälters, der mit einer Vorrichtung zum kontinuierlichen Messen der Temperatur von geschmolzenem Stahl gemäß der im US-Patent Nr. 006071466 beschriebenen Technik ausgestattet ist;
2 eine Querschnittsansicht eines Ofens oder Behälters, der gemäß der in der europäischen Patentanmeldung EP-0 947 587 beschriebenen Tech nik mit einer Lanze ausgestattet ist, wobei eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum diskreten und kontinuierlichen Messen der Temperatur von geschmolzenem Metall eingeführt ist; und
3 eine axonometrische Explosionsansicht der Komponenten der Messvorrichtung aus 2.
Unter Bezug auf die Zeichnungen ist eine Vorrichtung zum diskreten und kontinuierlichen Messen der Temperatur von geschmolzenem Metall in einem Ofen oder Behälter für seine Herstellung oder Behandlung insgesamt durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet.
Im dargestellten Beispiel ist die Vorrichtung 10 erfindungsgemäß in eine rohrförmige Lanze 12 eingesetzt, die mit einer Kühl- oder Isoliervorrichtung ausgestattet ist.
Die Lanze 12 wird in eine feuerfeste Auskleidung 13 eines Ofens oder Behälters 20 eingeführt.
Die Kühlung der Lanze 12 erfolgt beispielsweise gemäß der in der europäischen Patentanmeldung EP-0 947 587 beschriebenen Technik, die eine Kühlung basierend auf der Wärmekapazität von zerstäubtem Wasser angibt, die größer ist als diejenige von Wasser im flüssigen Zustand.
Ein Kopfende der Lanze 12 wird am im Ofen oder Behälter 20 vorhandenen Metallschlackepegel 18 unter einem Winkel von etwa 45° zur vertikalen Seite des Ofens 20 angeordnet.
Die Vorrichtung 10 weist im Wesentlichen eine rohrförmige Struktur 11 auf, die in einem sicheren und gut gekühlten Bereich angeordnet ist, in die ein Wärmeanalyseinstrument 14 durch eine Halterung 15 eingeführt wird. Das Instrument 14 kann ein herkömmliches Pyrometer oder ein optischer Kopf sein und ist über eine optische oder Lichtleitfaser 16, z. B. eine Monofaser, die mit einer flexiblen Ummantelung aus rostfreiem Stahl beschichtet ist, mit der Außenseite verbunden.
Die Lanze 12 weist Injektoren für ein Inertgas, beispielsweise Argon, und Druckluft auf. Außerdem können an der Lanze Injektoren für einen Brennstoff und ein Verbrennungsmittel, wie beispielsweise Methan und Sauerstoff, vorgesehen sein.
Auf der Oberseite der rohrförmigen Struktur 11 der Vorrichtung 10 ist vor dem Wärmeanalyseinstrument 14 eine konvergente und divergente Düse 22 angebracht.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum diskreten und kontinuierlichen Messen der Temperatur von geschmolzenem Metall in einem Ofen oder Behälter für seine Herstellung oder Behandlung ist anhand der vorstehenden Beschreibung unter Bezug auf die Figuren klar und zusammengefasst folgende.
Ein Strahl aus einem Hochdruck-Inertgas, beispielsweise Argon, wird durch die Lanze 12 auf die Schlacke 18 geblasen; der Strahl bleibt aufgrund der geometrischen Form der Düse und der möglicherweise vorhandenen Hüllflamme, die Methan und Sauerstoff verbrennt, kompakt.
Es ist erforderlich, die Durchflussrate des Inertgases und gegebenenfalls des Brennstoffs einzustellen, um einen Überschallstrahl kompakten Inertgases zu erhalten, der die Schlacke 18 durchdringt und die Oberfläche des geschmolzenen Metalls lokal freilegt.
Auf diese Weise wird für das Wärmeanalyseinstrument 14 ein sauberer konischer Raum bereitgestellt, durch den die Oberfläche des Bades beobachtet werden kann.
Das Pyrometer oder der optische Kopf kann daher die Temperatur des geschmolzenen Metalls messen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Pyrometer dichromatisch, d. h., es liest zwei Frequenzbänder und ist daher unempfindlicher für Störungen.
Die mit dem Analyseinstrument 14 verbundene optische Faser 16 durchquert die gesamte Länge der Lanze 12 und überträgt das Signal zu einer Vorrichtung, die die Temperatur in Echtzeit darstellt. Eine derartige Vorrichtung eröffnet die Möglichkeit einer Kalibrierung für verschiedene Materialarten.
Wenn keine Messung ausgeführt werden soll, wird die Lanze 12 durch einen Druckluftstrom weiterhin sauber gehalten, wodurch mögliche Verstopfungen verhindert werden, die in jedem Fall ein kleineres Problem darstellen, weil die Lanze 12 nicht unter den hydrostatischen Flüssigkeitspegel des Metallbades abgesenkt wird.
Das Kühlen der Lanze 12 erlaubt es, die Messvorrichtung 10 vor den hohen Temperaturen des Ofen oder Behälters zu schützen.
Ein herkömmlicher optischer Kopf und eine herkömmliche optische Faser 16 können beispielsweise einer Maximaltemperatur von etwa 250°C widerstehen. Derartige optische Köpfe können in jedem Fall ausgetauscht werden, ohne dass die übrigen Teile und Komponenten ersetzt werden müssen.
Wenn ein Pyrometer verwendet wird, wird außerdem ein Wandler zum Darstellen des Signals mit einem Messbereich von beispielsweise zwischen 750 und 1800°C und mit einer Genauigkeit bei über 1500°C von ±0,6% des in Grad Celsius gemessenen Wertes verwendet.
Einmal kalibriert erfasst das Wärmeanalyseinstrument 14 Temperaturen, die sich als besonders konsistent herausgestellt haben, denn wenn der durch das Thermoelement gemessene Wert konstant ist, ist auch der durch die Vorrichtung 10 gemessene Wert konstant.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Instrument 14 dazu geeignet, die Temperatur alle 10 ms zu messen, wobei erwähnt werden sollte, dass die schwierigen Umgebungsbedingungen, in denen Pulver, Sprühnebel, usw. auftreten, des Ofens oder Behälters 20 die Messung nicht wesentlich beeinflussen.
Die Vorrichtung 10 kann mit einem herkömmlichen elektronischen Prozessor verbunden werden, der mit einem geeigneten Programm ausgestattet den Fortschritt der Messung in Echtzeit zusammen mit weiterer Information anzeigt, wie beispielsweise mit dem maximalen Spitzenwert und dem Mittelwert innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer.
Die Düse 22 ermöglicht eine geeignete Strömung aus Argon oder Druckluft zum Schützen des Analyseinstruments 14 vor einer möglichen Verschmutzung.
Die Lanze 12 kann an einer beliebigen Stelle des Elektroofens angeordnet werden, wodurch Punktmessungen im gleichen Bereich ausgeführt werden können, in den normalerweise gemäß dem Stand der Technik das Thermoelement eingeführt wird. Durch diese Vorgehensweise werden einer Bedienungsperson die gleichen Bezugspunkte an die Hand gegeben, die ihr derzeit unter Verwendung von Thermoelementen bekannt sind.
Die Vorrichtung 10 kann kontinuierliche Messungen ausführen, wodurch die Entwicklung einer Automatisierung des Ofens oder Behälters erleichtert wird, vor allem bei solchen Öfen und Behältern, bei denen eine kontinuierliche Beschickung vorgesehen ist und deren Beschickungsgeschwindigkeit unter Bezug auf den Verlauf der Badtemperatur einstellbar ist.
Im Allgemeinen besteht ein Verfahren zum diskreten und kontinuierlichen Messen der Temperatur von geschmolzenem Metall in einem Ofen oder Behälter für seine Herstellung oder Behandlung in der Ausbildung einer Öffnung in einer Oberflächenschicht aus Schlacke durch Einblasen eines Inertgases, um den geschmolzenen Stahl für ein Wärmeanalyseinstrument, das eine Messung aus einem Abstand ausführt, sichtbar zu machen.
Anhand der vorstehenden Beschreibung unter Bezug auf die Figuren ist deutlich geworden, wie eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein Verfahren zum diskreten und kontinuierlichen Messen der Temperatur von geschmolzenem Metall in einem Ofen oder Behälter für seine Herstellung oder Behandlung besonders nützlich und vorteilhaft sind. Dadurch werden die vorstehend erwähnten Aufgaben gelöst.
Natürlich können die Formen der Vorrichtung zum diskreten und kontinuierlichen Messen der Temperatur von geschmolzenem Metall in einem Ofen oder Behälter für seine Herstellung oder Behandlung verschieden von der Form sein, die in den Zeichnungen als nicht-einschränkendes Beispiel dargestellt ist, ebenso wie die Materialien verschieden sein können.
Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist daher durch die beigefügten Patentansprüche definiert.

Claims

Vorrichtung (10) zur kontinuierlichen Messung der Temperatur geschmolzenen Metalls in einem Ofen oder Behälter für seine Herstellung oder Behandlung, mit einem Wärmeanalysierinstrument (14), das in einer in Lanze (12) angeordnet ist, die Inertgas und/oder Hochdruckluft gegen eine Oberfläche einer Metallschlacke (18) eines Ofens oder Behälters (20) bläst, dadurch gekennzeichnet, dass sie in der Lanze (12) eine rohrförmige Struktur (11) umfasst, in die das Wärmeanalysierinstrument (14) durch einen Halter (15) eingeführt ist, und dass eine konvergente und divergente Düse (22) in der rohrförmigen Struktur (11) vor dem Wärmeanalysierinstrument (14) angebracht ist, um einen Überschallstrahl verdichteten Inertgases auszublasen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Inertgas- und/oder Druckluftstrom durch eine Hüllflamme geschützt ist, die durch an der Lanze (12) entlang geblasenen Treibstoff und Verbrennungsmittel erzeugt wird.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas Argon ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeanalysierinstrument (14) ein optischer Kopf oder ein Pyrometer ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze (12) in eine Feuerfestauskleidung (13) des Ofens oder Behälters (20) eingeführt ist, wobei ein Kopfende der Lanze (12) sich auf Höhe der in dem Ofen oder Behälter (20) enthaltenen Stahlschlacke (18) befindet, unter einem Winkel von 45° bezüglich der Vertikalseite des Ofens oder Behälters (20) selbst.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Instrument (14) durch einen Glasfaserleiter (16) mit der Außenumgebung verbunden ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasfaserleiter (16) eine Monofaser ist, die mit einer flexiblen Umhüllung aus rostfreiem Stahl beschichtet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibstoff Methan und das Verbrennungsmittel Sauerstoff ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Pyrometer bichromatisch ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasfaserleiter (16) die gesamte Länge der Lanze (12) durchquert und ein Signal zu einer Apparatur trägt, die die Temperatur in Echtzeit visualisiert.
Verfahren zur diskreten und kontinuierlichen Messung der Temperatur geschmolzenen Metalls in einem Ofen oder Behälter für seine Herstellung und Behandlung, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt des ständigen Ausblasens eines Überschallstrahls verdichteten Inertgases auf eine Oberflächenschicht einer Metallschlacke des Elektroofens mittels einer konvergenten und divergenten Düse umfasst, die an der Oberseite einer rohrförmigen Struktur vor einem Wärmeanalysierinstrument angebracht ist, wobei das ständige Ausblasen von Inertgas eine Öffnung in der Schlacke erzeugt, durch welche Öffnung das geschmolzene Metall für ein Wärmeanalysierinstrument mit Fernmessung sichtbar wird, und dass es einen Schritt des Ausblasens eines Druckluftstroms zum Verhindern möglicher Zusetzungen umfasst, wenn die Messung nicht ausgeführt wird.