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Verfahren und Vorrichtung zur Uberwachung des Ablaufs von unter Flammenentwicklung
verlaufenden metallurgischen Vorgängen durch spektralphotometrische Analyse des
Flammenspektrums
Die Weiterentwicklung des basischen Windfrischverfahrens zum Zweck
der Erzeugung eines dem Siemens-Martin-Stahl gleichwertigen Stahles stellt eine
der zur Zeit wichtigsten hüttenmännischen Aufgaben dar. Ihre Bedeutung wird durch
die großen Anstrengungen unterstrichen, die während der letzten Jahre in allen am
Thomas stahl interessierten Ländern und insbesondere im Inland unternommen worden
sind, um die Qualität des Thomasstahles zu verbessern. Verwiesen sei hier nur auf
die umfangreichen Arbeiten zur Verbesserung des Thomasstahls durch das Frischen
mit Sauerstoff usw. Die praktische Verwirklichung einer solchen Arbeitsweise ist
bisher aber entscheidend durch die Tatsache behindert gewesen, daß es an Meßverfahren
fehlte, die es in betrieblich einfacher und zuverlässiger Weise gestatten, den Ablauf
des Frischvorganges im Konverter genau zu bestimmen, zu verfolgen und festzuhalten.
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Die alte, rein erfahrungsmäßige Steuerung des Blasvorganges durch
den Blasmeister ist praktisch auch heute noch das brauchbarste Mittel zur Beeinflussung
des Frischvorganges und damit der Qualität der Stähle. Trotzdem hat es nicht an
Versuchen gefehlt, durch eine Spektralanalyse der Konverterflamme Einblick in den
Ablauf der metallurgischen Vorgänge im Konverter zu gewinnen. So ist es bekanntgeworden,
zur Regelung
des Blasvorganges in Bessemerkonvertern Spektroskope
oder selbsttätig arbeitende Photozellenphotometer zu verwenden, die mit Anzeigeeinrichtungen
oder Selbstschreibern sowie mit Filtern zum Ausblenden bestimmter Spektralbereiche
versehen sind. Die dabei ermittelten Strahlungsmeßwerte werden jeweils mit den Ergebnissen
früherer, an in möglichst gleicher Weise betriebenen Konvertern durchgeführter Messungen
verglichen, um dadurch auf den Ablauf der metallurgischen Vorgänge im Konverter
zu schließen. Zu einer brauchbaren, d. h. betrieblich einfachen und zuverlässigen
Meßmethode ist man dabei bisher aber noch nicht gekommen.
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Die spektrale Zusammensetzung der Konverterflamme ist im ersten Abschnitt
des Blasprozesses, d. h. während der Entkohlung, in der Hauptsache durch das Auftreten
von Bandenspektren der dabei gebildeten Kohlenstoffverbindungen und daneben von
einer Reihe von Spektrallinien des Eisens, des Mangans und des Kalziums und der
Alkalien bestimmt. Nach der Entkohlung ändert sich der spektrale Charakter der Flamme.
Der größte Teil der Spektrallinien verschwindet. Der spektrale Charakter wird dann
vorwiegend durch ein kontinuierliches Spektrum und durch Bandenspektren von Eisenverbindungen
beherrscht. Letztere gestalten sich bei gleichzeitig ansteigender Temperatur um
so intensiver, je weiter der Phosphor verbrannt ist. Die meßtechnische Ausnutzung
dieser Veränderungen im Spektrum der Konverterflamme in einer unmittelbar für den
Betriebsmann brauchbaren Form ist bisher nicht gelungen, wozu folgende Umstände
beigetragen haben mögen.
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Die Konverterflamme ist in ihrer Intensität ganz außerordentlichen
Schwankungen unterworfen.
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Ferner ist dem Flammenspektrum ständig ein kontinuierliches Spektrum
von ebenfalls wechselnder Intensität überlagert, das von glühenden Teilchen des
Konverterauswurfes sowie von der an der Flamme reflektierten 5 chlackenstrahlung
aus dem Konverter herrührt. Dieses kontinuierliche Spektrum überstrahlt das übrige
Flammenspektrum so stark, daß dessen charakteristische Eigenschaften nicht mit ausreichender
Deutlichkeit hervortreten.
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Ausgehend von der Erkenntnis, daß der Frischverlauf im Konverter
durch spektralanalytische Messung des Flammenspektrums nur dann eindeutig verfolgt
werden kann, wenn bei der Spektralphotometrierung des Flammenspektrums dessen Intensitätsschwankungen
sowie der Einfluß des kontinuierlichen Spektrums weitgehend ausgeschaltet werden,
schlägt die Erfindung vor, fortlaufend das Intensitätsverhältnis der Strahlungsanteile
zweier charakteristischer Spektralbereiche des Flammenspektrums zu messen. Vorteilhaft
erfolgt dabei die fortlaufende Bestimmung des Intensitätsverhältnisses durch eine
jeweils so weitgehende Schwächung des einen Strahlungsanteiles, daß die auf getrennten
Strahlungsempfängern einfallenden Intensitäten beider Strahlungsanteile untereinander
gleich werden. Die Größe der jeweiligen Schwächung kann dann unmittelbar zur Anzeige
des Intensitätenverhältnisses der Strahlungsanteile der beiden Spektralbereiche
benutzt werden.
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Aus dem in dieser Weise ermittelten, sich über die gesamte Frischdauer
erstreckenden Verlauf des Intensitätsverhältnisses zweier Spektralbereiche läßt
sich der Ablauf der metallurgischen Vorgänge im Konverter mit sehr großer Genauigkeit
überwachen, da jede Anderung dieser Vorgänge eine gleichzeitige Anderung der Flammenzusammensetzung
und damit auch die Änderung ihres spektralen Charakters zur Folge hat. Die Aufzeichnung
des Intensitätsverhältnisses von zwei verschiedenen Spektralbereichen zugehörigen
Strahlungsanteilen gibt deshalb ein richtiges und fehlerfreies Bild vom Gang des
metallurgischen Verfahrens, weil sie völlig frei ist von den Intensitätsschwankungen
des Flammenspektrums, deren spektrale Intensitäten sich jeweils nur im gleichen
Verhältnis zueinander ändern. Auch wird dabei der Einfluß der von dem kontinuierlichen
Spektrum herrührenden Strahlung weitgehend ausgeschaltet.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens wird vorteilhaft
eine Vorrichtung verwendet; die in an sich bekannter Weise aus zwei auf je einen
der beiden charakteristischen Spektralbereiche des Flammenspektrums einstellbaren
Spektralphotometern besteht. Grundsätzlich kann aber auch ein Spektralphotometer
mit zwei einstellbaren Austrittsspalten verwendet werden. Die photoelektrischen
Strahlungsempfänger der Geräte sind dabei - wie bei Strahlungsmeßgeräten ebenfalls
bekannt - über eine mit einem Null instrument ausgestattete Brückenschaltung verbunden,
während die zur Nullmessung jeweils erforderliche Intensitätsschwächung durch Verwendung
eines mit einer Anzeigevorrichtung zusammenarbeitenden Graukeiles bewirkt wird,
der an einem der beiden Spektralphotometer vorzusehen ist. An Stelle des Graukeiles
kann auch ein anderes optisches Lichtschwächungsmittel, z. B. ein Nikolsches Prisma,
treten. Das Ausmaß der Graukeilverstellung ist der gegebenenfalls fortlaufend zu
registrierende Wert für das Intensitätsverhältnis der Strahlungsanteile der beiden
angeschnittenen Spektralbereiche.
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Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung näher beschrieben, in denen
in Fig. I einAusführungsbeispiel für die erfindungsgemäß zu verwendende Meßanordnung
veranschaulicht ist, während Fig. 2 eine mit der Einrichtung nach Fig. I aufgenommene
Kurve zeigt, die den Verlauf des Intensitätsverhältnisses in Abhängigkeit von der
Blasdauer, jeweils an der Graukeilstellung abgelesen, darstellt.
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Durch zwei bekannte Spektralapparate, z. B. zwei Prismenmonochromatoren
I und II mit den Eingangspalten El, E2, Linsen Lt, L2 und den Ausgangsspalten A1,
A2 werden erfindungsgemäß zwei für die Messung geeignete Spektralbereiche des Flammenspektrums
ausgeblendet. Hinter den Austrittsspalten A1, 2 sind photoelektrische Empfänger,
z. B. SekundärelektronenvervielfacherSEIZ
und SET2, angeordnet,
die jeweils einen der einfallenden Intensität entsprechenden Photostrom liefern.
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Hinter dem Austrittsspalt A2 des Monochromators II, der auf den Spektralbereich
höherer Intensität eingestellt ist, befindet sich ein Graukeil G, den man bei der
Messung so einstellt, daß die Intensitäten der beiden auf die Strahlungsempfänger
einfallenden Strahlungsanteile untereinander gleich werden. Die Strahlungsempfänger
SEVt und SEV2 sind in bekannter Weise über eine symmetrisch ausgebildete Brückenschaltung
Bt, B2 miteinander verbunden (Fig. I). Die Einstellung auf Intensitätsgleichheit
kontrolliert ein Nullinstrument J.
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Die Intensitätsschwankungen der Konverterflamme werden bei dieser
Art der Messung, deren wesentliches Kennzeichen das Anschneiden zweier charakteristischer
Spektralbereiche und die Ermittlung des Intensitätsverhältnisses ihrer Strahlungsanteile
durch die Einstellung auf Intensitätsgleichheit mit Hilfe eines Graukeiles od. dgl.
ist, vollkommen ausgeschaltet. Erst durch das Verfahren nach der Erfindung, d. h.
durch die fortlaufende Ermittlung und Aufzeichnung des Intensitätsverhältnisses
der beiden ausgesuchten Spektralbereiche, die ihrerseits direkte Aussagen über den
Ablauf der metallurgischen Vorgänge, z. B. beim Windfrischen von Stählen macht,
gelingt es, diese Vorgänge mit größter Genauigkeit zu überwachen und notwendigenfalls
rechtzeitig in den Prozeß einzugreifen, ihn also zu steuern.
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In Fig. 2 ist als Beispiel eine Kurve dargestellt, die mit einer
Meßanordnung-nach der Erfindung an einem Konverter mit 35 t Inhalt aufgenommen wurde.
Sie zeigt die jeweilige Stellung des Graukeiles in Abhängigkeit von derBlasdauer.
Die Monochromatoren waren hier so eingestellt, daß die von ihnen ausgeblendeten,
etwa 15 bis 30 Ä-Einheiten umfassenden Spektralbereiche in einem für die Konverterflammenstrahlung
charakteristischen Wellenlängengebiet von Ä1 Y 4020 Å-Einheiten und 22 ~ 7200 Å-Einheiten
lagen. Der Graukeil befand sich dabei vor dem Austrittsspalt des Monochromators
II, der auf den Spektralbereich 2 mit der größeren Intensität eingestellt war.
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In dieser Kurve gemäß Fig. 2 entspricht die nahezu horizontale Strecke
vom Beginn des Blasens bis zum Punkt B (etwa g Minuten Blasdauer) der Verbrennung
des Kohlenstoffes. Die geringfügige Abweichung von der Horizontalen beim Punkts
ist durch das Nachsetzen von Kalk verursacht. Der für den Blasvorgang charakteristische
Umkehrpunkt, der sogenannte Übergang, an dem die Kohlenstoffverbrennung beendet
ist und die Phosphorverbrennung einsetzt, liegt bei B. Der hieran anschließende
starke Anstieg der Kurve zwischen den Punkten B und C, d. h. die außerordentlich
starke Änderung des Intensitätsverhältnisses in diesem Zeitabschnitt, entspricht
der Phosphorverbrennung. Das Maximum am Punkt C (nach etwa 11 Minuten Blasdauer)
macht den Zeitpunkt deutlich, an dem die Phosphorverbrennung praktisch beendet ist
(bei etwa 0,2/ P). Am Punkt D wurde der Konverter zur Kontrolle gekippt und bei
Punkt E für das Nachblasen wieder aufgerichtet.
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Bei F war die Charge fertig.
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Diese Kurve gibt, wie man sieht, den metallurgischen Ablauf des Blasvorganges
mit einer Geschwindigkeit wieder, wie sie mit anderen Meßverfahren bisher nicht
erreicht werden konnte.
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Auch dem Praktiker ist es ohne weiteres möglich, aus diesem klaren
und ungestörten Kurvenverlauf, der sich sowohl beim Blasen mit Wind als auch mit
Sauerstoff einstellt, eindeutige Schlüsse auf die in jedem Augenblick im Konverter
vorliegenden metallurgischen Verhältnisse zu ziehen.
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Die Einstellung des Graukeiles auf Intensitätsgleichheit ist sowohl
von Hand als auch selbsttätig durch an sich bekannte Fernübertragungsmittel von
dem Nullinstrument her zu steuern. Auch kann die jeweilige Einstellung des Graukeiles
an einer in Intensitätsverhältniswerten geeichten Skala Z abgelesen werden. Man
kann die Bewegung des Graukeiles in bekannter Weise auch unmittelbar auf ein Zeiger-
oder Schreibinstrument übertragen, so daß der Ablauf des Blasprozesses unmittelbar
auf der Ofenbühne oder von einer anderen Stelle aus zu verfolgen ist. Natürlich
ist es auch möglich, den Blasvorgang durch die Meßanordnung so zu steuern, daß er
zu einem bestimmten Zeitpunkt des Reaktionsgeschehens selbsttätig abgebrochen wird.
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Das Meßverfahren nach der Erfindung und sein Gerät können in gleich
vorteilhafter Weise auch zur Überwachung anderer unter Flammenentwicklung ablaufender
metallurgischer Vorgänge Verwendung finden, beispielsweise zur Untersuchung der
spektralen Zusammensetzung des Flammenspektrums im Siemens-Martin-Ofen oder in sonstigen
Heizöfen. Grundsätzlich eignet sich das erfindungsgemäße Meßverfahren auch zur Untersuchung
von Lichtquellen, die sich in ihrer Helligkeit schneller als die Flamme, gegebenenfalls
rhythmisch, ändern, beispielsweise zur Untersuchung wechselstrombetriebener Lichtbögen
od. dgl.
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Die Meßempfindlichkeit kann in diesem Falle noch dadurch gesteigert
werden, daß man an Stelle des Nullinstrumentes oder eines Gleichstromverstärkers
einen Wechselstromverstärker einbaut, mit dem die Nullpunktbestimmung noch empfindlicher
zu machen ist.
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PATENTANSPBUCHE I. Verfahren zur Überwachung des Ablaufs von unter
Flammenentwicklung verlaufenden metallurgischen Vorgängen durch spektralphotometrische
Analyse des Flammenspektrums, insbesondere zur Überwachung des Windfrischverfahrens
bei der Stahlerzeugung in Konvertern, gekennzeichnet durch die fortlaufende Messung
des Intensitätsverhältnisses der Strahlungsanteile von zwei charakteristischen Spektralbereichen
des Flammenspektrums.