DE68927851T2 - Immersionsprobenahmevorrichtung - Google Patents
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Description
- Bei der Herstellung von Stahl in Sauerstoff-Aufblas- Konvertern bzw. Öfen werden Messungen der Badtemperatur wünschenswerterweise während der Frischungsperiode genommen, so daß Einstellungen in der Sauerstoffaufblaszeit, der Sauerstoffaufblasrate und des Sauerstoffaufblasvolumens für die letztendliche Schmelzbad-Chemie und -Temperatur durchgeführt werden können. Während des Sauerstoff- Aufblasvorgangs wird das Bad aus geschmolzenem Metall durch das Einblasen von Sauerstoff unter sowie auf die Oberfläche der Schlacke und des Metalls stark durchgemischt. Zur Erzielung exakter und zuverlässiger Temperaturablesungen müssen Temperatursonden gut unterhalb die Oberfläche des Stahlbads und der Grenzfläche von Stahl/Schlackenschicht eingetaucht werden. Ein tiefes Eindringen in das Stahlbad verhindert, daß der Temperatursensor durch den mit hohem Volumen und hoher Kraft erfolgenden Sauerstoffaustritt aus der Sauerstofflanze herumgeblasen wird. Idealerweise sollten Sensoren 6 Inch (15,24 cm) oder mehr unter die Grenzfläche in das Bad eingetaucht werden.
- Sauerstoffablesungen sind wünschenswert und möglich, nachdem ein gesteuertes Aufblasen abgeschlossen oder unterbrochen wird. Der Kohlenstoffgehalt läßt sich aus dem Metallbad-Sauerstoffgehalt bei Niveaus unterhalb des Kohlenstoffbereichs von 15% exakt berechnen. Die Temperatur erhält man durch das Thermoelement der Sauerstoffsonde.
- Die Sauerstoffablesung hinsichtlich freien Sauerstoffs kann zur genauen und exakten Zugabe von Desoxidationsmitteln verwendet werden.
- Die Verwendung einer zuverlässigen, exakten Einblastemperatursonde sowie einer Sauerstoff-, Temperatur-, Kohlenstoff- und Proben-Sonde durch die Öffnung des Sauerstoff-Aufblas-Konverters hindurch führt zu Einsparungen bei der Stahlherstellungszeit sowie zu reduziertem Konverterverschleiß, wodurch sich eine gesteigerte Produktion sowie eine bessere oder äquivalente Qualität bei niedrigeren Kosten ergeben.
- Aufgrund der hohen Dichte des geschmolzenen Metalls ist es schwierig, die Sonde durch die Schlackenschicht hindurch und auf eine ausreichende Tiefe in das Metall hineinzustoßen, und zwar aufgrund der Auftriebswirkung, die durch das von der Sonde verdängte dichte Metall entsteht. Das derzeit zuverlässigste Verfahren beinhaltet die Verwendung einer sehr teuren Sub-Lanze mit einer motorisierten Anordnung zum Absenken eines Rohrs in den Sauerstoff- Aufblas-Konverterbehälter. Aufgrund der Kosten von mehreren Millionen US-Dollar beim Montieren und Installieren dieses Sub-Lanzengeräts in einem Stahlwerk, handelt es sich hierbei nicht um eine wünschenswerte Wahl. Ferner ist es auch deshalb keine wünschenswerte Wahl, da neue Stahlherstellungsverfahren Pfannenöfen und Pfannenverhüttungsstationen verwenden. Somit sind Lanzen mit freifallendem Abwurf entwickelt worden, um eine Sonde für Eintauchzwecke zu beschweren. Das US- Patent Nr. 3 374 122 zeigt ein Beispiel einer beschwerten Sonde. Das US-Patent Nr. 3 497 398 zeigt eine weitere Entwicklung der Sonde des Abwurf-Typs. Das US-Patent Nr. 3 505 871 zeigt einen zusätzlichen Typ eines Eintauch-Vehikels, der zum Einführen in einen Sauerstoff-Aufblas-Konverterbehälter vorgesehen ist.
- Diese Typen von Fallsensoren haben aufgrund der ineffektiven und inkonsistenten Eintauchtiefen unterhalb der Schlackenschicht insbesondere während des Einblasens von Sauerstoff keine konsistenten und zuverlässigen Resultate geliefert. Typischerweise ist nicht ausreichend Gewicht vorhanden, um die Auftriebskraft zu überwinden um dadurch ein ausreichendes Eindringen für genaue und zuverlässige "Einblas"-Temperaturablesungen und exakte "Nachblas"- Sauerstoff-, Kohlenstoff- und Temperatur-Ablesungen zu erzielen.
- Die GB-A-1096499 offenbart eine Temperaturmeßvorrichtung für geschmolzenes Metall, die einen Meßkopf aufweist, der an seinem Ende mit einem Gewicht versehen ist, das über eine Länge eines ein Thermoelement enthaltenden Papprohrs angeschlossen ist. Ein Meßkabel verbindet das Thermoelement mit einer Temperaturaufzeichnungseinrichtung, und es ist eine Vorrichtung vorhanden, um den Meßkopf in das Bad aus geschmolzenem Metall hineinzustoßen, wobei die Länge des Papprohrs die Distanz bestimmt, über die das Thermoelement in das Bad eindringt, wobei das Gewicht an dem freien Ende zusammen mit dem Rohr als Auftriebskörper wirkt.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Freifall- Sonde gemäß Anspruch 1 geschaffen.
- Die Erfindung schafft somit einen eintauchbaren Fallsensor, der teilweise oberhalb des Metalls oder der Schlacke mit einem Gegengewicht versehen ist, um den Auftrieb der untergetauchten Sondenbereiche zu überwinden und dadurch ein angemessenes Eindringen und eine angemessene Tiefe jenseits der Schlacke in das Metall hinein für zuverlässige Ablesungen zu erzielen.
- Um dies zu erreichen, besitzt das tauchbare Gewicht oder Abwurfgewicht so wenig und so klein wie mögliche Hohlräume für den Sensor und für die Leitungsdrähte, um dadurch das Volumen des verdrängten geschmolzenen Metalls auf ein Minimum zu reduzieren, das durch Leerräume anstatt durch das hochdichte Metall hervorgerufen wird. Genauer gesagt besteht das Problem bei den Fallsonden des Standes der Technik darin, daß man nicht erkannt hat, daß dann, wenn das verdrängte Volumen des geschmolzenen Metallstahls beträchtlich höher ist als das Volumen des hohe Dichte aufweisenden Metallgewichts in dem Fallkörper, dieser schwimmt und nicht untergetaucht wird. Dies ist durch das allgemein bekannte Prinzip bedingt, daß die auf einen in ein Fluid eingetauchten Körper wirkende Auftriebskraft dem Gewicht des von diesem Gegenstand verdrängten Fluids entspricht. Wenn die nach oben wirkende Auftriebskraft größer ist als die nach unten gehende Kraft, die durch die Schwerkraft und den ferrostatischen Druck oben auf das eingetauchte Gewicht wirkt, schwimmt dieses an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls.
- Die Erfindung unternimmt den Versuch, einen großen Teil dieses Auftriebs durch Reduzieren der Größe von Hohlräumen zu überwinden, die für Sensoren und Drähte verwendet werden.
- Da ein Reduzieren der Hohlraumgröße zur Minimierung des Volumens des verdrängten Metalls alleine die nach oben gehende, auf den Fallkörper wirkende Auftriebskraft nicht überwinden kann, ist es erforderlich, ein Gegengewicht über der Oberfläche des geschmolzenen Metalls und vorzugsweise der Schlacke vorzusehen, um eine nach unten gehende Kraft zu schaffen und dadurch die nach oben gehenden Auftriebskräfte auszugleichen. Dieses Gegengewicht kann in Form eines dickwandigen Rohrs ausgebildet sein.
- Hinsichtlich der gesamten Konstruktion sowohl des Gegengewichts als auch des tauchbaren Gewichts werden Bemühungen unternommen, die nicht-metallischen Räume oder Hohlräume einschließlich des Innendurchmessers des Gegengewichtsrohrs auf ein Minimum zu reduzieren, um dadurch das Gewicht-zu-Volumen- Verdrängungsverhältnis des Gegengewichts auf ein Maximum zu bringen. Aus diesem Grund wird ein dickwandiges Metallrohr mit dem kleinstmöglichen Durchmesser verwendet. Die Länge des Gegengewichtsrohrs wird derart gewählt, daß das Gewicht des verdrängten Metallvolumens, das sich durch das Volumen der Hohlräume in dem getauchten Gewicht ergibt, ausgeglichen wird. Das Gegengewicht wird oberhalb der Schlacke gehalten, wo es möglich ist, das Gewicht der verdrängten Schlacke auf ein Minimum zu reduzieren; wobei diese ein Gewicht von in etwa einem Viertel des Gewichts des geschmolzenen Stahls aufweist. Zur Sicherstellung, daß das Gegengewicht und die Sonde in einer vertikalen Position gehalten bleiben, ist ein verstellbarer Schwimmkörper in der Nähe des oberen Ende des Rohrs vorgesehen, und dieser schafft eine Auftriebskraft auf das obere Ende des Rohrs, um das Rohr in einer im wesentlichen vertikalen Position in dem Behälter zu halten und um ferner als Flotationsstop zu wirken, um die vertikal nach unten gehende Bewegung der Sonde auf eine ausgewählte Tiefe in dem Stahl unter der Schlacke zu begrenzen.
- Ferner kann die Sonde eine Probenkapsel beinhalten, die an dem tauchbaren Gewicht angebracht ist und einen Probenhohlraum sowie einen Desoxidator zum Entnehmen einer Probe des Bades enthält. Die Probenkapsel kann gemäß den "Huckepack-"Probennehmern ausgebildet sein, die in dem US-Patent Nr. 4 069 715 dargestellt sind. Die Probenkapsel kann aus einem hitzebeständigen Fasermaterial hergestellt sein, wie z. B. aus losem "Kaowool"-2600-Fasermaterial von Babcock & Wilcox, das aus 55% Aluminiumoxid und 44,9% Siliziumoxid besteht. Ein feiner geflochtener Draht aus nicht rostendem Stahl oder dergleichen, der durch ein Papierrohr oder einen Papierwickel vor der Schlacke und dem Stahl geschützt ist, ist an dem vertikalen Gegengewicht durch Papierband angebracht und mit dem Inneren der Probenhülse verbunden sowie in den Stahlprobennehmer eingeformt. Das Papierrohr schafft eine Ventilationseinrichtung für die Probenaufnahmekammer Der Draht ermöglicht ein Zurückholen des Probennehmers, wenn dieser nach einigen Sekunden von der schmelzbaren Klammer und dem Band freigegeben wird, die seine Kapsel mit einem Schutz aus hitzebeständigem Fasermaterial sowie das Papierschutzrohr an dem Gewicht halten.
- Für ein besseres Verständnis der Erfindung und zur Veranschaulichung, wie diese verwirklicht werden kann, wird nun anhand eines Beispiels auf die Begleitzeichnungen bezug genommen; darin zeigen:
- Fig. 1 eine von der Seite gesehene Aufrißansicht und eine fragmentarische Schnittansicht einer Sonde, die in ein Bad aus geschmolzenem Metall zur Analyse desselben einführbar ist;
- Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht der in Fig. 1 gezeigten Sonde in einer fragmentarischen Schnittansicht;
- Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht eines in Fig. 2 gezeigten Probennehmerbereichs; und
- Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht des Probennehmerbereichs entlang der Linie 4-4 der Fig. 2.
- In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine Sonde oder Lanze 10, die an ihrem unteren Ende ein Gewicht 12 aus Stahl oder Eisen und einen Hohlraum zwischen vier voneinander beabstandeten Rippen 16 aufweist, die relativ zueinander in einem Abstand von 90º angeordnet sind. Die Rippen schützen die Meßvorrichtungen, die sich in dem Hohlraum befinden. Der Hohlraum kann mit einer Thermoelementanordnung 18 oder einem Sauerstoffsensor 18 ausgestattet sein. Die Thermoelementanordnung kann gemäß den Offenbarungen in unseren US-Patenten Nr. 4 778 281 und 4 358 630 ausgebildet sein. Der Sauerstoffsensor kann gemäß dem US-Patent Nr. 3 723 279 ausgebildet sein. Das erste Gewicht 12 ist mit einem Metallrohr 20 verbunden, das wünschenswerterweise eine dicke Wandung und einen sehr kleinen Durchmesser aufweist, wobei die Zwecke hierfür im folgenden noch beschrieben werden. Ein zweites Rohr 27 läßt sich teleskopartig über das erste Rohr schieben, um für noch zu beschreibende Zwecke zusätzliches Gewicht hinzuzufügen. Die elektrischen Leiter oder Leitungen 22, 24 für das Thermoelement erstrecken sich durch das Rohr 20 hindurch und treten aus dem offenen Ende des Rohrs bei dem Bezugszeichen 26 aus. Die freien Enden der Leitungen 28 sind in geeigneter Weise mit geeigneten Intrumenten entweder für das Thermoelement oder für den Sauerstoffsensor verbunden, wie dies in der Technik allgemein bekannt ist.
- Die Sonde kann mit einer tauchbaren Probennehmerkapsel 30 ausgestattet sein, die einen äußeren schützenden Überzug aus hitzebeständigem Fasermaterial, wie dies vorstehend beschrieben wurde, oder aus einem anderen Material aufweist, wie dies in meinem US-Patent Nr. 4 659 679 beschrieben ist, und sie kann mit zwei voneinander beabstandeten, schalenartigen Formhälften 32 mit einem Füllrohr 34 ausgebildet sein, wie dies in dem US-Patent Nr. 4 326 426 gezeigt ist. Ein Entlüftungsrohr 40 kleinen Durchmessers erstreckt sich zu dem Probennehmerkörper, um eine Verbindung mit dem Inneren 37 des Formteils herzustellen, um dadurch eine Entlüftungseinrichtung für den Probenhohlraum 37 zu schaffen und das Füllen des Probennehmers beim Eintauchen der Sonde zu unterstützen. Eine schmelzbare Kappe 38 an dem Füllrohr 34 wird typischerweise dafür verwendet, einen Eintritt geschmolzenen Metalls während des Absenkens der Sonde durch die Schlacke hindurch zu verhindern. Das Rohr 40 erstreckt sich nach oben über die Oberfläche 42 der Schmelze hinaus, um dadurch ein Freisetzen der Luft in dem Probenhohlraum sicherzustellen, wenn sich der Hohlraum 37 mit geschmolzenem Metall füllt. Das Rohr 40 ist mit einem schwimmenden Papprohr 46 verbunden, das nahe dem oberen Ende des Rohrs 20 mittels der Klammer 48 verstellbar positioniert ist, und zwar für im folgenden noch zu beschreibende Zwecke.
- Die Probennehmerkapsel 30 läßt sich mittels einer schmelzbaren Klammer 52, wie z. B. einer standardmäßigen Schlauchklammer, lösbar an dem Gewicht 12 festklemmen. Ein feiner geflochtener Draht 54 aus nicht rostendem Stahl mit einem Knoten 56, der sich im Inneren des Probennehmers zwischen den beiden Formhälften befindet, verankert den Draht 51 an den Formhälften, die mit einem geringfügigen Spalt zwischen sich zusammengeklemmt sind. Der Draht 54 erstreckt sich durch das Innere 41 des Rohrs 40 hindurch, um ein Zurückholen der Probenform 30 zu ermöglichen. Der geschmolzene Stahl verschmilzt mit dem Draht, um eine sichere Verbindung mit dem Probennehmer zu schaffen.
- Das Rohr 40 kann aus einem Papprohr kleinen Durchmessers mit der inneren Durchführung 41 gebildet sein. Ein Rohr mit einem Durchmesser von 3/16 Inch (4,76 mm) kann derart geformt oder gebogen werden, daß es in etwa der Form der Handhabe oder des Rohrs 20 angepaßt ist. Papierband 4 kann zum lösbaren Befestigen des Rohrs an dem Rohr 20 verwendet werden. Ferner schützt das Rohr 40 den Draht. Das Rohr 40 kann zusammen mit oder ohne den Draht verwendet werden, um jeglichen Probennehmer zu einer Stelle oberhalb des geschmolzenen Metalls zu entlüften. Das Entlüftungsrohr 40 kann mit anderen tauchbaren Probennehmern verwendet werden, wie z. B. dem in dem US-Patent Nr. 4 069 715 gezeigten. Das Entlüftungsrohr würde dann anstatt der in Fig. 4 gezeigten Entlüftungseinrichtungen dieses Patents verwendet werden.
- Im Gebrauch wird die gesamte Anordnung im freien Fall in den Stahl fallengelassen, wobei die Leitungsdrähte und die nicht rostenden Drähte zum Zurückholen angeschlossen oder befestigt sind. Es kann eine Meerangelrolle 56 mit eingebautem Widerstand und Kabel verwendet werden. Die Spannung auf dem nicht rostendem Draht von etwa 1/2 lb (0,23 kg) verursacht bei Lösen der schmelzbaren Klammer ein ruckartiges Bewegen der Probennehmerkapsel nach oben. Die Rolle 56 kann derart voreingestellt werden, daß sie nach vier Sekunden Eintauchen auf 4 lbs (1,81 kg) Spannung geht, um ein rasches Entfernen der Kapsel aus der Schmelze zu unterstützen. Eine Eintauchzeit von vier Sekunden ist eine angemessene Zeit zur Durchführung von Messungen und Entnahme einer Probe.
- Im Gebrauch wird die Sonde von Hand in den Sauerstoff- Aufblas-Konverter durch die Öffnung an der Oberseite in eine geeignete Position abgesenkt, wobei sich das Gewicht 12 unterhalb der Oberfläche der Schlacke befindet, um eine exakte Ablesung zu schaffen. Dies erfolgt durch Manipulieren der Drähte 28 von Hand. Das Gewicht des Rohrs 20 über der Oberfläche wirkt als Gegengewicht, um die Auftriebskraft auszugleichen, die durch das durch die Hohlräume in dem Gewicht 12 verdrängte Metall verursacht ist. Der Schwimmkörper 46 ist entlang der Länge des Rohrs 20 verstellbar, um sicherzustellen, daß die korrekte Eintauchtiefe mit dem Sensor erreicht wird und der Schwimmkörper die Sonde in einer allgemein aufrechten Position hält, um dadurch zu vermeiden, daß die Leitungsdrähte 28 die Oberfläche des geschmolzenen Metalls berühren, wodurch es zu einer Beschädigung der Drähte kommen kann. Der Schwimmkörper verhindert ein Umkippen des Rohrs 20. Sobald der Schwimmkörper auf die Schmelze oder Schlacke auftrifft, hat er die Tendenz, das Rohr "aufzurichten". Während des Eintauchens schmilzt das schmelzbare Verbindungsglied 52, und dieses gibt die Kapsel 30 frei, die dann an die Oberfläche nach oben steigt, wobei der Draht ein Zurückholen des Probenformkörpers ermöglicht. Der Draht 54 kann auf einer Spule enthalten sein, die an einer Angelrolle 56 mit einem Griff zum Koppeln und Entkoppeln des Drahts von der Spule angebracht ist.
Claims (5)
1. Freifall-Sonde (10), die in ein Bad aus
geschmolzenem Metall zur Analyse desselben einführbar ist
und einen Sensor (18) mit Verbindungsleitungen
(22, 24), ein erstes, unteres Gewicht (12), das
einen eintauchbaren Bereich der Sonde (1) bildet,
sowie einen Schwimmkörper in Form eines
Papprohres (46) aufweist,
gekennzeichnet durch ein zweites, oberes Gewicht
(20, 27), das von dem ersten Gewicht abgelegen
angeordnet und mit diesem verbunden ist und im
Gebrauch als Gegengewicht wirkt, wobei ein
Bereich des Gegengewichts über der oberen
Oberfläche der Schmelze angeordnet ist, wobei der
Schwimmkörper (46) an dem zweiten Gewicht
verstellbar angeordnet ist, wobei das erste Gewicht
einen ersten Hohlraum zur Unterbringung des
Sensors (18) sowie einen zweiten Hohlraum für die
Verbindungsleitungen (22, 24) aufweist, wobei die
Hohlräume in dem ersten Gewicht im Gebrauch eine
Auftriebskraft (F1) liefern und wobei das zweite
Gewicht aus Metall mit derartigem Gewicht und
Dichte besteht, daß eine nach unten gehende Kraft
(F2) geschaffen wird, sowie in Form eines
länglichen Metallrohrs (20) ausgebildet ist, durch
das sich die Leitungen (22, 24) für den Sensor
(18) hindurcherstrecken, um dadurch die
Auftriebskraft (F1) zu überwinden, wobei die Kräfte
(F1, F2) derart ausgewogen sind, daß der Sensor
im Gebrauch auf einer ausgewählten Tiefe in dem
geschmolzenen Metall unterhalb der Oberfläche
desselben in einer im wesentlichen aufrechten
Position angeordnet ist.
2. Sonde nach Anspruch 1,
mit einer Probennehmerkapsel (30), die mittels
einer schmelzbaren Kopplungseinrichtung (52) mit
dem ersten Gewicht lösbar verbunden ist.
3. Sonde nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel mit einem
Rückhohldraht (54) und mit einem Papprohr (40)
kleinen Durchmessers versehen ist, das mit dem
zweiten Gewicht (20) verbunden ist, um den
Kapseldraht zu schützen und den Probenhohlraum in
der Kapsel zu entlüften, und daß die schmelzbare
Verbindung zwischen der Kapsel und dem Gewicht
und dem Papprohr derart ist, daß die Kapsel
freigegeben wird und diese an die Oberfläche des
Bades aus geschmolzenem Metall hochsteigen kann,
nachdem eine Probe genommen wurde.
4. Sonde nach Anspruch 1, 2 oder 3,
wobei die Hohlräume in dem ersten Gewicht dem
ersten Gewicht eine hohe Gewicht-zu-Volumen-
Verdrängung verleihen und das zweite Gewicht eine
derartige Länge aufweist, daß eine Gegenkraft
geschaffen wird, die in etwa gleich der
Auftriebskraft-Differenz ist, die durch die durch
die Hohlräume bedingte, geringere spezifische
Schwerkraft oder Dichte des ersten Gewichts
verursacht ist, um ein Eintauchen des ersten
Gewichts in das geschmolzene Metall auf die
ausgewählte Tiefe zu gewährleisten.
5. Verfahren zum Durchführen einer Analyse in einem
Bad aus geschmolzenem Metall unter Verwendung
einer Freifall-Sonde nach einem der
vorausgehenden Ansprüche.
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