EP2533920A1 - METALLURGISCHES GEFÄß UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER WANDUNG DES GEFÄßES - Google Patents

METALLURGISCHES GEFÄß UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER WANDUNG DES GEFÄßES

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EP2533920A1
EP2533920A1 EP11701474A EP11701474A EP2533920A1 EP 2533920 A1 EP2533920 A1 EP 2533920A1 EP 11701474 A EP11701474 A EP 11701474A EP 11701474 A EP11701474 A EP 11701474A EP 2533920 A1 EP2533920 A1 EP 2533920A1
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EP
European Patent Office
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vessel
wall
grooves
optical waveguides
hot side
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EP11701474A
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Dirk Lieftucht
Matthias Arzberger
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SMS Siemag AG
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Definitions

  • the invention relates to a metallurgical vessel having a cavity for treating a first liquid metal or for liquefying a metal, the vessel comprising a coolable wall with a hot side facing the cavity and a cold side facing away from the cavity made of a second metal, and wherein optical fibers for Collection of data of the metallurgical vessel or the first metal are introduced into the wall of the vessel.
  • the first metal is especially steel, but it may also be another metal.
  • the second metal is in particular copper, although it is also possible to provide another metal.
  • the invention further relates to a method for producing a wall for the metallurgical vessel and the use of optical waveguides in the wall of the vessel.
  • optical fibers As sensors optical fibers are used, is passed through the laser light. On the outside of the copper plates grooves are formed, in which the optical fibers are laid.
  • the temperature detection by means of optical fibers allows a significantly lower cable costs than the use of thermocouples in the mold. In addition, considerably less labor and expense is required to install the fibers in the mold copper plate.
  • the use of the optical waveguides also allows a higher spatial resolution, as they can be achieved when using thermocouples, which are used in drilling. An optical fiber can replace more than a hundred thermocouples and their cables.
  • the optical waveguides are, for example meandering between the cooling channels on the back, d. H. on the cold side, a copper plate of a mold laid in grooves.
  • the optical waveguides can be cast in the grooves by means of cast resin. Closure by other components or by electroplated layers is also known.
  • DE 1 0 2008 006 965 A1 discloses a method for determining a radiation measure for a thermal radiation emanating from an arc burning between an electrode and melted material in an arc furnace for the production of liquid metal, generally steel, which is then used for Use comes when the radiation is limited to a limitation of the arc oven hits.
  • liquid metal produced from a solid melt such as scrap or reduced iron
  • energy for melting the melt is introduced into the arc furnace by means of one or more electrodes, usually in the form of an arc between the electrode and the melt.
  • the melting attempts are made to introduce as much as possible of the total energy provided by the arc into the melt.
  • Melted material is to be understood as melting solid, liquid metal and / or also slag.
  • an electrode current supplied to the electrode is detected, whereby structure-borne sound oscillations of the arc furnace are detected and a current evaluation signal assigned to a frequency range of the detected electrode current is determined from the detected electrode current, wherein a vibration test results from the recorded structure-borne sound vibrations.
  • evaluation signal is determined, which is associated with a frequency range of the structure-borne sound vibrations.
  • a quotient of the vibration evaluation signal and the current evaluation signal for at least one detected frequency of the detected electrode current and the detected structure-borne sound vibrations is formed as a measure of the thermal oscillation in order to determine the radiation measurement.
  • this object is achieved in that the optical waveguides are arranged near the surface in the region of the hot side.
  • metallurgical vessel for the purposes of the present invention includes all types of metallurgical vessels, including furnaces, in particular E- lektrolichtbogenöfen, and molds, in particular for continuous casting.
  • wall in the sense of the present invention also includes individual wall elements, e.g. Wall panels, as part of an entire vessel wall.
  • wall plate is to be understood both as a single element as well as the entire wall of the vessel.
  • the inventive introduction of optical fibers in the walls of the electric arc furnace, the temperatures or the expansion or vibration behavior of the metallurgical vessel can be represented on the hot side in different heights of the vessel.
  • dynamic changes due to the process for example due to flow changes in the melt, are also detected.
  • the concept allows a representation of the thermal and mechanical loading of the wall of the vessel in any operating condition, even in time dependence.
  • search specifically for (process) errors such as longitudinal cracks in the wall or caking of melt on the hot side, as a cause for characteristic signatures on the subsequent cast product.
  • the optical waveguides are not, as previously known, from the cold water-flowed cold side, but introduced directly from the thermally stressed hot side in the wall of the vessel.
  • the heating power of the electrode can be reduced. Due to the accurate measurement, the arc furnace can be operated closer to the operating limit with more heating power, since no unnecessarily high safety reserve to protect the staves is necessary.
  • a continuous groove is milled on the hot side, which is later closed on the hot side by a filler piece of the base material of the hot side.
  • This filler is preferably fused by the friction stir welding again with the body.
  • the groove depth is dimensioned such that the thermal stress caused by the welding process can not damage the optical waveguide.
  • this concept has the advantage that the measuring fiber is arranged very close to the region in which the casting process takes place.
  • optical fibers can be used for temperature measurement or strain measurement without requiring too long rise or fall times in cycles.
  • rise times of only 0.1 s are achieved when using a sufficiently thin cladding tube which surrounds the optical waveguide. This means that when introducing an optical waveguide surrounded by a cladding tube in the groove of a hot side / copper plate still an increase in dead time or an additional rise time of another 0.25 s can be accepted without obtaining a result worse than in a known radiometric method.
  • the optical waveguides are according to the invention, for example, in the range of 3 - 12 mm behind the hot side.
  • grooves are produced, for example by means of a disc milling cutter, which have a width of one to two millimeters.
  • the enveloped with cladding optical fiber h can be inserted.
  • the grooves are preferably filled by matched to the width of the grooves metal strips as patches.
  • the metal strips are connected at their side edges with the material of the copper plates. This can be done by a variety of technologies, such as welding or soldering. Further advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the drawings.
  • the patches, which close the grooves made of the same material as the wall panels.
  • the grooves have a cross section tapering towards the groove base. This prevents that during friction stir welding, a bolt driving with pressure over the weld metal can depress the filler piece too deeply and thereby crush the optical waveguide jacket tube.
  • the grooves advantageously have an at least substantially trapezoidal cross-section. Due to the trapezoidal cross-section, the depression of the filler and the crushing of the cladding tube can be prevented.
  • the filler pieces preferably have a cross-section adapted to the grooves, in particular a likewise trapezoidal cross-section.
  • the filler pieces have a slight undersize relative to the grooves, in particular in the region which adjoins the surface of the wall pieces. This makes it possible that the filler can be connected by mechanical action, in particular by rolling or welding, with the material of the wall panels without damaging the optical waveguide cladding at the bottom of the groove.
  • connection between the filler pieces and the material of the wall panels surrounding them laterally is preferably carried out by a welding operation, preferably by friction welding, in particular by friction stir welding.
  • the optical waveguides in cladding tubes are introduced.
  • the filler pieces and the wall panels are coated on their externally accessible surfaces with a layer of nickel or chromium.
  • the optical waveguides are introduced into bores which run parallel to the hot-side surface of the wall plates and which are produced for example by laser technology.
  • the optical fibers have a diameter of about 0.15 mm.
  • the matching sheaths have a diameter of about 0.5 to 1 mm.
  • the patches have a width of 1 to 2 mm.
  • the optical fibers can be used metrologically in many ways. Depending on their purpose they are loosely in the grooves or holes, especially for temperature measurement, because for the temperature measurement, it is important that the optical fibers can contract or expand unhindered themselves due to a change in temperature.
  • the optical waveguides are preferably laid in the vicinity of the copper staves. This has the advantage that the heating power of the electric de (n) of the furnace can already be reduced again as soon as the optical waveguides allow a failure of the staves in the near future.
  • the optical waveguides are at least selectively, but preferably firmly connected over its entire length with the surrounding material of the wall and / or with the filler pieces. This form of attachment is required so that expansion of the vessel can be transmitted directly to the optical fiber and the optical fiber can emit signals representing the strains of the metallurgical vessel. Also, the temporal course of strains, vibrations and / or temperatures, as they are each detected with the optical waveguides, can be recorded and evaluated. It is understood that in the same metallurgical vessel according to their different uses both loosely laid and glued optical waveguides can be present in the grooves or holes on the hot side of the wall panels.
  • the invention also relates to the use of optical waveguides in walls of metallurgical vessels.
  • the optical waveguides measure the temperature of the wall, the molten metal of the first metal in the vessel or mechanical strains or vibrations of the wall.
  • the data are used, for example, to control the casting level.
  • the invention also relates to a method for producing a wall plate comprising a wall of a metallurgical vessel.
  • a method for producing a wall plate comprising a wall of a metallurgical vessel.
  • FIG. 1 is a perspective plan view of a wall plate of a casting mold, are introduced into the grooves for receiving optical waveguides,
  • Fig. 2 shows a filler and a plate having a groove in which the filler is used, in each case in cross section, and
  • Fig. 3 is a side perspective view of another wall plate, in which a closed with a trapezoidal filler and an optical waveguide receiving groove is introduced, in conjunction with a schematically illustrated arrangement for friction stir welding.
  • a wall plate 1 (FIG. 1) of a metallurgical vessel for example a mold for casting metal, in particular steel, preferably exists made of copper and has on the side facing the casting chamber receiving the liquid metal, the so-called hot side, d. H . in the representation on the upper side, grooves 2, 3 and 4, which have a rectangular, square or trapezoidal cross section and whose base is preferably rounded.
  • grooves 2, 3 and 4 which have a rectangular, square or trapezoidal cross section and whose base is preferably rounded.
  • optical fibers 5, 6 and 7 are inserted into it. From the top side / the hot side, the optical waveguides 5, 6 and 7 in the grooves are covered in each case with filling pieces 8, 9 and 10, respectively.
  • the optical waveguides 5 to 7 consist of an optically conductive material having a refractive index which decreases in cross-section from the inside to the outside; they are preferably each received by metallic sheaths or sleeves and can endure temperature measurement temperatures up to 600 ° C as a continuous load.
  • the wall plate 1 On its back, the wall plate 1 is flowed through by cooling water. The cooling water flows through channels (not shown).
  • the optical waveguides 5 to 7 have at the end lens plug to decouple the light waves and supply them to an evaluation unit. As a result of the fact that the light waves are conducted via lens plugs from the housing of the component in the respective measuring position to the evaluation unit, a robust signal transmission is achieved.
  • the optical waveguides 5 to 7 have a diameter of, for example, 0.15 mm without the cladding tube and including the Cladding tube, for example, 1 mm.
  • the filler pieces 8, 9, 1 0, as shown in FIG. 2 illustrated by the filler 8, a preferably trapezoidal cross-section 20.
  • side walls 21, 22 with an upper edge 23 of the filler piece 8 preferably form the same obtuse angle ⁇ , which is also present between the side walls 23, 24 of the groove 2 and the regions 1 6, 1 7 adjoining them laterally.
  • the filler 8 may also have a slight undersize relative to the groove 2. It is then mechanically inserted into the groove 2h and, for example, welded or brazed to the regions 1 6, 1 7 surrounding the groove 2.
  • a filling piece 27 (FIG. 3) is adapted sufficiently precisely to the shape of a groove 28 in a workpiece 29, for example a copper plate for a casting mold, which it is intended to cover from the hot side, the filling piece 27, after it has become has been put into the groove 28, preferably by friction stir welding with lateral portions 30, 31 connected.
  • a Rlicksch spancing 32 is guided above the wall plate 1 in the direction of an arrow A over the course of the groove 28 on the filler 27, wherein a mounted on a tool shoulder 33 welding pin 34 in contact with the filler 27 simultaneously performs rotational movements.
  • This heat up Filler 27 and the areas 30, 31 so strong that they enter into a material connection with each other due to the frictional heat, which has a high stability.
  • optical waveguides in the region of cooling elements e.g. so- nant Kupferstaves
  • introduction of the optical waveguides in the region of cooling elements, e.g. so- nant Kupferstaves, in the hot side of the metallurgical vessel advantageously allows a very fast and efficient way of fiber introduction.
  • the time profile of the temperature of the wall of the vessel or of the molten metal in the vessel and / or the time profile of the expansion of the vessel can be detected with the aid of the optical waveguide and used, for example, to optimize / increase the electrode power.
  • the electrode power is controlled in accordance with the considered temporal courses so that the walls of the vessel are not damaged.
  • the failure limit of the vessel can be determined and the electrical power of the electrodes can be reduced in good time before reaching the failure limit.

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Abstract

Ein metallurgisches Gefäß mit einem Hohlraum zur Behandlung eines ersten flüssigen Metalls oder zur Verflüssigung eines Metalls, das gekühlte Wandplatten (1) mit einer dem Hohlraum zugewandten Heißseite und einer dem Hohlraum abgewandten Kaltseite aus einem zweiten Metall umfasst und das mit Lichtwellenleitern (5, 6, 7) zur Erfassung von Daten des metallurgischen Gefäßes oder des ersten Metalls ausgestattet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter (5, 6, 7) im Bereich der Heißseite oberflächennah angeordnet sind.

Description

Metallurgisches Gefäß und Verfahren zur Herstellung einer Wandung des Gefäßes
Die Erfindung bezieht sich auf ein metallurgisches Gefäß mit einem Hohlraum zur Behandlung eines ersten flüssigen Metalls oder zur Verflüssigung eines Metalls, wobei das Gefäß eine kühlbare Wandung mit einer dem Hohlraum zugewandten Heißseite und einer dem Hohlraum abgewandten Kaltseite aus einem zweiten Metall umfasst und wobei Lichtwellenleiter zur Erfassung von Daten des metallurgischen Gefäßes oder des ersten Metalls in die Wandung des Ge- fäßes eingebracht sind. Dabei ist das erste Metall insbesondere Stahl, wobei es jedoch auch ein anderes Metall sein kann. Das zweite Metall ist insbesondere Kupfer, wobei jedoch auch ein anderes Metall vorgesehen werden kann. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Wandung für das metallurgische Gefäß sowie die Verwendung von Lichtwellenleitern in der Wan- dung des Gefäßes.
Für die Stahlerzeugung ist eine Reihe von Vorrichtungen bekannt, die über den Weg von Hochofen und Konverter überwiegend heißes, flüssiges Roheisen in Kombination mit Schrott, Erz, Eisenschwamm und anderen Einsatzstoffen ver- arbeiten. Ebenso kommen Schmelzgefäße zum Einsatz, beispielsweise Elektro- Lichtbogenöfen, bei denen überwiegend kalte oder vorgewärmte Einsatzstoffe wie Schrott und Eisenschwamm verwendet werden . Sowohl Kokillen als auch Lichtbogenöfen und sonstige Vorrichtungen zum Schmelzen oder Bevorraten geschmolzenen Metalls werden als metallurgische Gefäße bezeichnet. In der DE 10 2008 060 507 A1 wird die Messung der Temperatur in einer Kokille einer Gießanlage mit Hilfe eines faseroptischen Messverfahrens beschrieben. Hierbei kommen Sensoren zur Messung der Temperatur in mindestens einer Kupferplatte in der Wandung der Kokille zum Einsatz. Die Sensoren sind mit einem Temperaturerfassungssystem verbunden.
Als Sensoren werden Lichtwellenleiter eingesetzt, durch die Laserlicht geleitet wird. Auf der Außenseite der Kupferplatten sind Nuten geformt, in denen die Lichtwellenleiter verlegt sind. Die Temperaturerfassung mittels Lichtwellenleitern ermöglicht einen erheblich geringeren Kabelaufwand als die Verwendung von Thermoelementen in der Kokille. Zudem wird erheblich weniger Arbeitsund Kostenaufwand zur Installation der Fasern in der Kokillen-Kupferplatte benötigt. Die Verwendung der Lichtwellenleiter ermöglicht darüber hinaus eine höhere Ortsauflösung, als sie bei Verwendung von Thermoelementen, die in Bohrungen eingesetzt sind, erreicht werden kann. Ein Lichtwellenleiter kann mehr als hundert Thermoelemente samt den zugehörigen Kabeln ersetzen.
Die Lichtwellenleiter sind beispielsweise mäanderförmig zwischen den Kühlkanälen auf der Rückseite, d. h. auf der Kaltseite, einer Kupferplatte einer Kokille in Nuten verlegt. Die Lichtwellenleiter können mittels Gießharz in den Nuten eingegossen sein . Auch ein Verschließen durch andere Bauteile oder durch galvanische aufgebrachte Schichten ist bekannt.
Aus der DE 1 0 2008 006 965 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung eines Strahlungsmaßes für eine von einem zwischen einer Elektrode und Schmelzgut bren- nendem Lichtbogen ausgehende thermische Strahlung in einem Lichtbogenofen zur Herstellung von Flüssigmetall, in der Regel Stahl, bekannt, das dann zum Einsatz kommt, wenn die Strahlung auf eine Begrenzung des Lichtbogen- ofens auftrifft.
In dem Lichtbogenofen wird aus einem festen Schmelzgut, etwa Schrott oder reduziertes Eisen, entstandenes Flüssigmetall unter Verwendung weiterer Zusatzstoffe hergestellt. Dazu wird mittels einer oder mehrerer Elektroden Energie zum Aufschmelzen des Schmelzguts in den Lichtbogenofen eingebracht, in der Regel in Form eines Lichtbogens zwischen Elektrode und Schmelzgut. Damit das Aufschmelzen möglichst effizient erfolgen kann, versucht man, möglichst d ie gesamte von dem Lichtbogen bereitgestellte Energie in das Schmelzgut einzubringen. Als Schmelzgut wird dabei zu schmelzender Feststoff, Flüssigme- tall und/oder auch Schlacke verstanden.
Aufgrund der bei heutigen Lichtbogenöfen üblichen Betriebsweise kann es jedoch dazu kommen, dass der Lichtbogen während des Einschmelzprozesses frei brennt, d. h. die vom Lichtbogen, der zwischen der Elektrode und dem Schmelzgut ausgebildet wird, erzeugte thermische Strahlung gelangt weitgehend an eine Begrenzung des Lichtbogenofens, insbesondere eine gekühlte Wand des Lichtbogenofens. Dadurch steigt der Energieverbrauch des Ofens, indem einerseits Energie des Lichtbogenofens nur in geringem Umfang in das Schmelzgut eingebracht wird und andererseits gegebenenfalls die Kühlleistung zur Kühlung der Ofenwände erhöht werden muss, um die Wand/Kupferstaves zu schützen.
Bei dem bekannten Verfahren wird ein der Elektrode zugeführter Elektrodenstrom erfasst, wobei Körperschall-Schwingungen des Lichtbogenofens erfasst werden und aus dem erfassten Elektrodenstrom ein einem Frequenzbereich des erfassten Elektrodenstroms zugeordnetes Stromauswertesignal ermittelt wird, wobei aus den erfassten Körperschall-Schwingungen ein Schwingungs- auswertesignal ermittelt wird, das einem Frequenzbereich der Körperschall- Schwingungen zugeordnet ist. Dabei wird als Maß für die thermische Schwingung ein Quotient aus Schwingungsauswertesignal und Stromauswertesignal für wenigstens eine dem erfassten Elektrodenstrom und den erfassten Körperschallschwingungen gemeinsame Frequenz gebildet wird, um das Strahlungs- maß zu ermitteln.
An einer Wand oder an den Paneelen des Ofengefäßes, d. h. an der äußeren Begrenzung des Ofengefäßes sind Körperschallsensoren zur Erfassung von Schwingungen am Ofengefäß angeordnet. Die Signale, die von ihnen übermit- telt werden, werden vorzugsweise zumindest teilweise über einen Lichtwellenleiter geleitet.
Es ist bekannt, Lichtwellenleiter auf der von dem das flüssige Metall enthaltenden Hohlraum abgewandten Seite, d. h. der Kaltseite, der aus Kupfer beste- henden Wandplatten in Nuten anzubringen. Bei der Einbringung von der Kaltseite liegen bei Temperaturänderungen oft Anstiegszeiten, d. h. die Zeiten bis zum Erreichen eines 68 %-Wertes des zu erreichenden Temperaturwertes, von zwei oder drei Sekunden vor. Derart lange Anstiegszeiten disqualifizieren die Lichtwellenleiter für die Aufgabe der Gießspiegelregelung. Man ist daher in die- sem Fall auf den Einsatz radiometrischer Systeme angewiesen, die radioaktive Strahlung verwenden, bei denen sich Anstiegszeiten von einer halben bis zu einer Sekunde realisieren lassen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein bekanntes metallurgisches Gefäß der ein- gangs genannten Art und ein bekanntes Verfahren zur Herstellung einer Wandung für das Gefäß, sowie die Verwendung von Lichtwellenleitern in der Wandung des Gefäßes so zu verbessern, dass eine exaktere Erfassung von Tem- peratur- oder Dehnungsdaten betreffend das Gefäß oder das Metall in dem Gefäß ermöglicht wird.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Lichtwellenleiter im Bereich der Heißseite oberflächennah angeordnet sind.
Der Begriff metallurgisches Gefäß umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung alle Arten von metallurgischen Gefäßen, auch Schmelzöfen, insbesondere E- lektrolichtbogenöfen, und auch Kokillen, insbesondere für Strangguß.
Der Begriff Wandung umfasst im Sinne der vorl iegenden Erfindung auch einzelne Wandelemente, z.B. Wandplatten, als Teil einer gesamten Gefäßwand. Umgekehrt ist der Begriff Wandplatte sowohl als Einzelelement wie auch als gesamte Wandung des Gefäßes zu verstehen.
Durch die erfindungsgemäße Einbringung von Lichtwellenleitern in die Wandungen des Elektrol ichtbogenofens lassen sich die Temperaturen oder das Dehnungs- bzw. Schwingungsverhalten des metallurgischen Gefäßes auf der Heißseite in verschiedenen Höhen des Gefäßes darstellen. Hierbei werden e- benfalls dynamische Änderungen durch den Prozess, beispielsweise bedingt durch Strömungsänderungen in der Schmelze, erfasst. Das Konzept ermöglicht eine Darstellung der thermischen und mechanischen Belastung der Wandung des Gefäßes in jedem Betriebszustand, auch in zeitlicher Abhängigkeit. Damit ist es auch mögl ich, gezielt nach (Prozess-) Fehlern, wie Längsrissen in der Wandung oder Anbackungen von Schmelze an der Heißseite, als Ursache für charakteristische Signaturen auf dem späteren Gießprodukt zu suchen. Bei diesem neuen Konzept werden die Lichtwellenleiter nicht, wie bisher bekannt, von der kühlwasserumflossenen Kaltseite her, sondern direkt von der thermisch belasteten Heißseite in die Wandung des Gefäßes eingebracht. Dies ermöglicht eine sehr zeitnahe Überwachung der Staves vor Überlastsituationen. Falls der Lichtwellenleiter LWL im Kupferstave eine beginnende Überhitzung anzeigt, kann die Heizleistung der Elektrode verringert werden . Durch die genaue Messung kann der Lichtbogenofen näher an der Betriebsgrenze mit mehr Heizleistung betrieben werden, da keine unnötig hohe Sicherheitsreserve zum Schutz der Staves notwendig ist.
Hierzu wird auf der Heißseite eine durchgängige Nut gefräst, die später auf der Heißseite durch ein Füllstück aus dem Grundmaterial der Heißseite verschlossen wird. Dieses Füllstück wird vorzugsweise durch das Reib-Rühr-Schweißen wieder mit dem Grundkörper verschmolzen. Hierbei ist die Nuttiefe so bemes- sen, dass die thermische Belastung durch das Schweißverfahren den Lichtwellenleiter nicht beschädigen kann.
Dieses Konzept weist für den Einsatz einer Gießkokille den Vorteil auf, dass die Messfaser sehr nahe an dem Bereich angeordnet ist, in dem der Gießprozess stattfindet. Dadurch lassen sich Lichtwellenleiter für die Temperaturmessung oder Dehnungsmessung einsetzen, ohne dass zu lange Anstiegs- oder Totzeiten i n Ka uf g enom men werd en m ü ssen . Be i E i n satz d es Faser-Bragg- Verfahrens zur Temperaturmessung bei erfindungsgemäß verlegten Lichtwellenleitern werden bei Verwendung eines hinreichend dünnen Hüllrohrs, das den Lichtwellenleiter umgibt, Anstiegszeiten von nur 0,1 s erreicht. Dies bedeutet, dass beim Einbringen eines von einem Hüllrohr umgebenen Lichtwellenleiters in die Nut einer Heißseite / Kupferplatte noch eine Erhöhung der Totzeit oder eine zusätzliche Anstiegszeit von weiteren 0,25 s hingenommen werden kann, ohne ein Ergebnis zu erhalten, das schlechter als bei einem bekannten radiometrischen Verfahren ist. Durch die Erfindung lässt sich eine derart gute Messgenauigkeit mit geringen Tot- und Anstiegszeiten realisieren, wenn die Nuten, in denen die Lichtwellenleiter l iegen, nur eine geringe Tiefe von ca. 3 - 1 2 mm haben. Das heißt, die Lichtwellenleiter liegen erfindungsgemäß zum Beispiel im Bereich von 3 - 12 mm hinter der Heißseite. Durch Fräsen werden, beispielsweise mittels eines Scheibenfräsers, Nuten hergestellt, die eine Breite von ein bis zwei Millimetern haben . In diese lassen sich die mit Hüllrohren umhüllten Lichtwellenleiter h ineinlegen . Anschließend werden die Nuten vorzugsweise durch an die Breite der Nuten angepasste Metallstreifen als Füllstücke verfüllt. Schließlich werden die Metallstreifen an ihren Seitenkanten mit dem Material der Kupferplatten verbunden. Dies kann durch eine Vielzahl von Technologien geschehen, beispielsweise durch Schweißen oder Löten. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
In vorteilhafter Weise bestehen die Füllstücke, die die Nuten verschließen, aus demselben Material wie die Wandplatten.
Mit Vorteil lässt sich auch vorsehen, dass die Nuten einen sich zum Nutgrund verjüngenden Querschnitt aufweisen. Dies verhindert, dass beim Reibrührschweißen ein mit Druck über das Schweißgut fahrender Bolzen das Füllstück zu tief herunterdrücken und dadurch das Lichtwellenleiter-Hüllrohr zerdrücken kann. Hierzu weisen die Nuten mit Vorteil einen wenigstens im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt auf. Durch den trapezförmigen Querschnitt kann das Herunterdrücken des Füllstückes und des Zerdrückens des Hüllrohres verhindert werden.
Es versteht sich, dass die Füllstücke vorzugsweise einen an die Nuten ange- passten Querschnitt haben, insbesondere einen ebenfalls trapezförmigen Querschnitt.
Vorzugsweise haben die Füllstücke gegenüber den Nuten, insbesondere in dem Bereich, der an die Oberfläche der Wandstücke anschließt, ein geringfügiges Untermaß. Dadurch ist es möglich, dass sich die Füllstücke durch mechanische Einwirkung, insbesondere durch Walzen oder Schweißen, mit dem Material der Wandplatten verbinden lassen ohne die Lichtwellenleiter-Hüllrohre am Nutgrund zu beschädigen.
Vorzugsweise wird die Verbindung zwischen den Füllstücken und dem sie seitlich umgebenden Material der Wandplatten durch einen Schweißvorgang durchgeführt, vorzugsweise durch Reibschweißen, insbesondere durch Rühr- reibschweißen.
Mit Vorteil, jedoch nicht notwendigerweise, sind die Lichtwellenleiter in Hüllrohren, insbesondere aus Metall, eingebracht. Hierzu lässt sich außerdem mit Vorteil vorsehen, dass die Füllstücke und die Wandplatten auf ihren von außen zugänglichen Oberflächen mit einer Schicht aus Nickel oder Chrom beschichtet sind.
Alternativ zum Einbringen der Lichtwellenleiter in Nuten und dem anschließenden Verfüllen mit Füllstücken und zum Einsatz des Reibschweißens lässt sich gemäß der Erfindung in einer anderen bevorzugten Ausführung auch vorsehen, dass die Lichtwellenleiter in Bohrungen eingebracht sind, die parallel zur heiß- seitigen Oberfläche der Wandplatten verlaufen und die beispielsweise durch Lasertechnik hergestellt werden.
Vorzugsweise haben die Lichtwellenleiter einen Durchmesser von etwa 0,15 mm. Die hierzu passenden Hüllrohre haben einen Durchmesser von etwa 0,5 bis 1 mm. Vorzugsweise haben die Füllstücke eine Breite von 1 bis 2 mm.
Die Lichtwellenleiter lassen sich messtechnisch auf vielfältige Weise einsetzen. Je nach ihrem Einsatzzweck liegen sie lose in den Nuten oder Bohrungen, insbesondere zur Temperaturmessung, denn für die Temperaturmessung ist es wichtig, dass sich die Lichtwellenleiter aufgrund einer Temperaturveränderung selber ungehindert zusammenziehen oder ausdehnen können.
Vorzugsweise sind die Lichtwellenleiter im Bereich der in der Nähe von den Kupferstaves verlegt. Dies hat den Vorteil, dass die Heizleistung der Elektro- de(n) des Ofens bereits dann wieder verringert werden kann, sobald die Lichtwellenleiter eine Versagen der Staves in naher Zukunft erwarten lassen.
Dagegen ist es für eine Dehnungsmessung wichtig, dass die Lichtwellenleiter zumindest punktuell, vorzugsweise jedoch über ihre gesamte Länge mit dem sie umgebenden Material der Wandung und/oder mit den Füllstücken fest verbunden sind . Diese Form der Befestigung ist erforderlich, damit sich Dehnung en d es Gefäßes unmittelbar auf den Lichtwellenleiter übertragen und der Lichtwellenleiter Signale abgeben kann, welche die Dehnungen des metallurgischen Gefäßes repräsentieren . Auch der zeitl iche Verlauf von Dehnungen , Schwingungen und/oder Temperaturen, wie sie jeweils mit den Lichtwellenleitern erfasst werden, kann aufgezeichnet und ausgewertet werden. Es versteht sich, dass in demselben metallurgischen Gefäß entsprechend ihren unterschiedlichen Einsatzzwecken sowohl lose verlegte als auch festgeklebte Lichtwellenleiter in den Nuten oder Bohrungen auf der Heißseite der Wandplatten vorhanden sein können.
Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung von Lichtwellenleitern in Wandungen von metallurgischen Gefäßen. Hierbei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Lichtwellenleiter die Temperatur der Wandung, der Metall- schmelze des ersten Metalls in dem Gefäß oder mechanische Dehnungen oder Schwingungen der Wandung messen . Vorzugsweise werden die Daten beispielsweise zur Regelung des Gießspiegels eingesetzt.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen einer Wand- platten umfassenden Wandung eines metallurgischen Gefäßes. Dazu ist erfin- dungsgemäß vorgesehen, dass auf der Heißseite der Wandung Nuten durch Materialabtragung, insbesondere durch Fräsen, hergestellt werden, dass Lichtwellenleiter in die Nuten gelegt werden, dass die Nuten durch Füllstücke geschlossen und anschließend die Füllstücke durch ein Schweißverfahren, insbesondere durch Rührreibschweißen, mit dem Material der Wandplatten verbunden werden.
Nachstehend wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Draufsicht auf eine Wandplatte einer Gießkokille, in die Nuten für die Aufnahme von Lichtwellenleitern eingebracht sind,
Fig. 2 ein Füllstück und eine Platte mit einer Nut, in der das Füllstück eingesetzt wird, jeweils im Querschnitt, und
Fig. 3 eine perspektivische Seitenansicht einer anderen Wandplatte, in die eine mit einem trapezförmigen Füllstück verschlossene und einen Lichtwellenleiter aufnehmende Nut eingebracht ist, in Verbindung mit einer schematisch dargestellten Anordnung zum Rührreibschweißen.
Eine Wandplatte 1 (Fig. 1 ) eines metallurgischen Gefäßes, zum Beispiel einer Kokille zum Gießen von Metall, insbesondere von Stahl, besteht vorzugsweise aus Kupfer und weist auf der Seite, die dem das flüssige Metall aufnehmenden Gießraum zugewandt ist, der sogenannten Heißseite, d . h . in der Darstellung auf der Oberseite, Nuten 2, 3 und 4 auf, die einen rechteckigen, quadratischen oder trapezförmigen Querschnitt haben und deren Grund vorzugsweise verrundet ist. In den Nuten 2, 3 und 4 sind Lichtwellenleiter 5, 6 bzw. 7 hineinge- legt. Von der Oberseite/Heißseite her sind auf die Lichtwellenleiter 5, 6 und 7 in den Nuten jeweils mit Füllstücken 8, 9 bzw. 10 abgedeckt. Zusätzlich können zur Fixierung entweder nur an den äußeren seitlichen Enden 1 1 , 12 oder, auch in den Bereich zwischen den beiden Enden 1 1 , 12 hineinragend, Niederhalter 13, 14 bzw. 15 vorgesehen, die die Lichtwellenleiter 5 bis 7 und/oder die auf ihnen liegenden Füllstücke 8 bis 1 0 fixieren, während diese durch einen Reibschwei ßvorgang mit den seitlich an sie anschließenden Bereichen 16, 17, 18 und 19 der Wandplatte 1 verbunden werden.
Die Lichtwellenleiter 5 bis 7 bestehen aus einem optisch leitfähigen Material mit einer im Querschnitt von innen nach außen abnehmenden Brechzahl; sie werden vorzugsweise jeweils von metallischen Hüllen oder Hülsen aufgenommen und können zur Temperaturmessung Temperaturen bis 600° C als Dauerbelastung ertragen . Auf ihrer Rückseite ist die Wandplatte 1 von Kühlwasser durchflössen. Das Kühlwasser fließt durch (nicht dargestellte) Kanäle.
Die Lichtwellenleiter 5 bis 7 weisen endseitig Linsenstecker auf, um die Lichtwellen auszukoppeln und diese einer Auswerteeinheit zuzuführen. Dadurch, dass die Lichtwellen über Linsenstecker von dem Gehäuse des Bauteils in der jeweiligen Messposition zur Auswerteeinheit geführt werden, wird eine robuste Signalübertragung erreicht. Die Lichtwellenleiter 5 bis 7 haben einen Durchmesser von beispielsweise 0,15 mm ohne das Hüllrohr und einschließlich des Hüllrohrs von beispielsweise 1 mm . Als Messverfahren kommen ein Faser- Bragg-Gitter-Messverfahren (FBG (= Fiber Bragg Gräting )-Verfahren und/oder das OTDR-Verfahren (OTDR = Optical Time Domain Reflectometry) sowie das OFDR-Verfahren (Optical Frequency Domain Reflectometry).
Die Füllstücke 8, 9, 1 0, weisen, wie in Fig . 2 anhand des Füllstücks 8 dargestellt, einen vorzugsweise trapezförmigen Querschnitt 20 auf. Hierbei bilden Seitenwände 21 , 22 mit einer Oberkante 23 des Füllstücks 8 vorzugsweise denselben stumpfen Winkel α aus, der auch zwischen den Seitenwänden 23, 24 der Nut 2 und den jeweils seitlich an sie anschließenden Bereichen 1 6, 1 7 vorhanden sind . Auf dem Grund 25 der Nut 2, der vorzugsweise verrundet ist, liegt der von einem Hüllrohr 26 umgebene Lichtwellenleiter 5. Das Füllstück 8 kann gegenüber der Nut 2 auch ein geringfügiges Untermaß aufweisen. Es wird dann mechan isch in d ie N ut 2 h ineinged rückt u nd beispielsweise d u rch Schweißen oder Löten mit den die Nut 2 umgebenden Bereichen 1 6, 1 7 ver- bunden.
Wenn ein Füllstück 27 (Fig. 3) ausreichend genau an die Form einer Nut 28 in einem Werkstück 29, also beispielsweise einer Kupferplatte für eine Gießkokille, angepasst ist, die es von der Heißseite her oben abdecken soll, wird das Füllstück 27, nachdem es in die Nut 28 hineingelegt worden ist, vorzugsweise durch Rührreibschweißen mit seitlichen Bereichen 30, 31 verbunden . Hierzu wird ein Rührschweißgerät 32 oberhalb der Wandplatte 1 in Richtung eines Pfeils A über den Verlauf der Nut 28 über das Füllstück 27 geführt, wobei ein an einer Werkzeugschulter 33 angebrachter Schweißpin 34 im Kontakt mit dem Füllstück 27 gleichzeitig Drehbewegungen vollzieht. Dabei erwärmen sich das Füllstück 27 und die Bereiche 30, 31 so stark, dass sie infolge der Reibwärme miteinander eine stoffliche Verbindung eingehen, die eine hohe Stabilität hat.
Das Einbringen der Lichtwellenleiter im Bereich von Kühlelementen , z.B. soge- nanter Kupferstaves, in die Heißseite des metallurgischen Gefäßes ermöglicht vorteilhafterweise eine sehr schnelle und rationelle Art und Weise der Fasereinbringung.
Der zeitliche Verlauf der Temperatur der Wandung des Gefäßes oder der Metallschmelze im Gefäß und/oder der zeitliche Verlauf der Dehnung des Gefäßes kann mit Hilfe der Lichtwellenleiter erfasst werden und zum Beispiel zur Optimierung/Steigerung der Elektrodenleistung verwendet werden. Die Elektrodenleistung wird nach Maßgabe der berücksichtigten zeitlichen Verläufe so gesteuert, dass die Wandungen des Gefäßes nicht beschädigt werden . Insbesondere kann durch Auswerten der zeitlichen Verläufe die Versagensgrenze des Gefä- ßes ermittelt werden und die elektrische Leistung der Elektroden kann so rechtzeitig vor Erreichen der Versagensgrenze reduziert werden.
Bezugszeichenliste
1 Wandung
2 Nut
1 0 3 Nut
4 Nut
5 Lichtwellenleiter
6 Lichtwellenleiter
7 Lichtwellenleiter
1 5 8 Füllstück
9 Füllstück
10 Füllstück
1 1 Ende
12 Ende
20 13 Niederhalter
14 Niederhalter
15 Niederhalter
16 Bereich
17 Bereich
25 18 Bereich
19 Bereich
20 Querschnitt
21 Seitenwand
22 Seitenwand
30 23 Seitenwand
24 Seitenwand 25 Grund
26 Hüllrohr
27 Füllstück
28 Nut
29 Werkstück
30 Bereich
31 Bereich
32 Rührschweißgerät
33 Werkzeugschulter
34 Schweißpin
35 Schmelze
36 Lanze
37 Lanzenrohr
38 Lanzen köpf
39 Auftragvorrichtung
40 Abstreifer
41 Zuführungsleitung

Claims

Patentansprüche
1 . Metallurgisches Gefäß mit einem Hohlraum zur Behandlung eines ersten flüssigen Metalls oder zur Verflüssigung eines Metalls, wobei das Gefäß eine kühlbare Wandung (1 ) mit einer dem Hohlraum zugewandten Heißseite und einer dem Hohlraum abgewandten Kaltseite aus einem zweiten Metall umfasst und wobei die Wandung (1 ) mit Lichtwellenleitern (5, 6, 7) zur Erfassung von Daten des metallurgischen Gefäßes oder des ersten Metalls ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter (5, 6, 7) im Bereich der Heißseite oberflächennah angeordnet sind.
2. Gefäß nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter (5, 6, 7) in Nuten (2, 3, 4; 28) eingebracht sind, die von der Heißseite her in die Wandung (1 ) eingebracht sind, wobei die Nuten (2, 3, 4; 28) mit den eingebrachten Lichtwellenleitern durch Füllstücke (8, 9, 10; 27) auf der Heißseite verschlossen sind.
3. Gefäß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstücke (8, 9, 10; 27) aus demselben Material wie die Wandung (1 ) bestehen.
4. Gefäß nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (2, 3, 4; 28) einen sich zu ihrem Nutgrund (25) hin verjüngenden Querschnitt aufweisen.
5. Gefäß nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (2, 3, 4; 28) einen wenigstens im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.
6. Gefäß nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstücke (8, 9, 10; 27) einen an die Nuten (2, 3, 4; 28) ange- passten Querschnitt haben, insbesondere einen ebenfalls trapezförmigen Querschnitt.
7. Gefäß nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstücke (8, 9, 10; 27) gegenüber den Nuten (2, 3, 4; 28), insbesondere in dem Bereich, der an die Oberfläche der benachbarten Wandungsbereiche anschließt, ein geringfügiges Untermaß aufweisen.
8. Gefäß nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstücke (8, 9, 10; 27) eine Breite von 1 bis 2 mm haben.
9. Gefäß nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung mit den Füllstücken (8, 9, 10; 27) auf der Heißseite mit einer Schicht aus Nickel oder Chrom beschichtet ist.
10. Gefäß nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter (5, 6, 7) in Bohrungen eingebracht sind, die parallel zur Heißseite in der Wandung (1 ) verlaufen.
1 1 . Gefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter (5, 6, 7) in den Nuten oder Bohrungen in Hüllrohren, insbesondere aus Metall, eingebracht sind.
Gefäß nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllrohre (26) einen Durchmesser von etwa 0,5 - 1 mm haben.
Gefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter (5, 6, 7) einen Durchmesser von etwa 0,15 mm haben.
Gefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter (5, 6, 7) zur Temperaturmessung lose in den Nuten (2, 3, 4; 28), Bohrungen oder Hüllrohren verlegt sind, oder zur Erfassung von Dehnungen des metallurgischen Gefäßes punktuell oder über ihre gesamte Länge mit dem sie umgebenden Material der Wandung, der Füllstücke und/oder der Hüllrohre fest verbunden sind, wobei die Hüllrohre zur Dehnungsmessung ihrerseits mit der Wandung verbunden sind.
15. Verwendung eines Lichtwellenleiters in der Wandung eines metallurgischen Gefäßes nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (5, 6, 7) dazu verwendet wird, die Temperatur der Wandung des Gefässes, oder die Temperatur der Metallschmelze des ersten Metalls in dem Gefäß, oder Dehnungen des Gefäßes zu messen.
16. Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Temperatur oder der Dehnungen erfasst wird, wobei der zeitliche Verlauf der gemessenen Dehnungen des Gefäßes das Schwingungsverhalten des Gefäßes repräsentiert.
17. Verwendung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Daten zur Regelung des Gießspiegels eingesetzt werden.
18. Verwendung nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass als Daten die zeitlichen Verläufe der Temperatur der Wandung des Gefäßes oder Metallschmelze oder der Dehnungen des Gefäßes erfasst werden und zur Optimierung / Steigerung der Elektrodenleistung verwendet werden, ohne dass die Wandungen des Gefäßes beschädigt werden bzw. kurz vor Erreichen der Verssagensgrenze kann aufgrund der Lichtwellenleiter-Messwerte die Elektrodenleistung begrenzt werden.
19. Verfahren zum Herstellen einer Wandung eines metallurgischen Gefäßes wobei die Wandung (1 ) eine Heißseite und eine Kaltseite aufweist, wobei Lichtwellenleiter (5, 6, 7) zur Erfassung von Daten in die Wandung eingebracht werden; dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Lichtwellenleiter folgende Schritte umfasst:
Auf der Heißseite: Einbringen von Nuten (2, 3, 4; 28) in die Wandung (1 ) durch Materialabtragung, insbesondere durch Fräsen,
Einlegen der Lichtwellenleiter (5, 6, 7) in die Nuten (2, 3, 4; 28), und
Verschließen der Nuten (2, 3, 4; 28) auf der Heißseite durch Füllstücke (8, 9, 10; 27).
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstücke (8, 9, 10; 27) durch mechanische Einwirkung, insbesondere durch Löten oder Schweißen, mit dem Material der Wandung verbunden werden. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißvorgang durch Reibschweißen, insbesondere durch Rührreibschweißen, erfolgt.
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