EP4413169A1 - Metallurgischer schmelzofen sowie verfahren zur bestimmung der menge an heteromolekularem gas - Google Patents

Metallurgischer schmelzofen sowie verfahren zur bestimmung der menge an heteromolekularem gas

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EP4413169A1
EP4413169A1 EP22786277.8A EP22786277A EP4413169A1 EP 4413169 A1 EP4413169 A1 EP 4413169A1 EP 22786277 A EP22786277 A EP 22786277A EP 4413169 A1 EP4413169 A1 EP 4413169A1
Authority
EP
European Patent Office
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exhaust gas
melting furnace
gas
photodiode
discharge device
Prior art date
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Pending
Application number
EP22786277.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Georg Conrads
Matthias Mäde
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Promecon GmbH
Original Assignee
Promecon GmbH
Promecon Prozess und Messtechnik Conrads GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Promecon GmbH, Promecon Prozess und Messtechnik Conrads GmbH filed Critical Promecon GmbH
Publication of EP4413169A1 publication Critical patent/EP4413169A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a metallurgical melting furnace with a furnace vessel, a waste gas removal device arranged thereon for discharging a waste gas flow and an air supply opening for supplying air to the waste gas flow, as well as a method for determining the amount of heteromolecular gas and a method for determining the temperature of the gas.
  • DE 10 2008 009 923 A1 discloses a method for determining combustible exhaust gas components within an electric arc furnace using optical sensors.
  • light guides are arranged in such a way that the light from the area under the individual oxygen injectors is optically detected.
  • the amount of exhaust gas components is then evaluated and used to control the oxygen supply to the electric arc furnace.
  • the advantage here is that the heterogeneous distribution within the arc furnace is recorded accordingly and the individual oxygen injectors can be controlled separately.
  • light guides on the furnace can lead to major problems due to the high temperatures.
  • spectroscopic methods using a laser are used here, which makes such a measurement setup very complex and therefore expensive.
  • EP 1 776 576 B1 describes a non-contact exhaust gas measurement using FTIR spectroscopy on metallurgical aggregates.
  • An FTIR spectrometer is arranged near a converter, and its measuring beam is directed into the exhaust gas at a suitable opening in the exhaust gas duct.
  • the spectra determined with the FTIR spectrometer, including the exhaust gas temperature and a mathematical model, are used to calculate the exhaust gas composition without a time delay.
  • the disadvantage is that this method is also very complex and maintenance-intensive.
  • DE 28 57 795 C2 discloses a radiation detector for a flame detector which has a sensor element and a spectral filter which is arranged in front of it and which is permeable in the range of carbon dioxide resonance radiation.
  • DE 195 09 704 A1 discloses a method and an arrangement for monitoring and controlling combustion processes. Radiation measurements are evaluated in oil or gas burners, with two different spectral ranges of a flame being detected by a sensor arrangement. The selectively amplified signals are used by algorithms to control and monitor the combustion process. Such a method does evaluate the radiation emitted by the flames in a controlled combustion process, which is an indication of the type of reaction taking place. However, no direct measurement of the amount of gases or the gas composition can be made using this method.
  • US 2009 102 103 A1 describes a method which uses a spectrometer and an infrared sensor to detect radiation within an industrial furnace.
  • the spectroscopic device is arranged at a window opening, which also allows air to be fed into the exhaust gas. guarantees.
  • the use of a spectrometer however, has the disadvantage of being complicated and expensive.
  • DE 102006 005 823 A1 discloses a method for controlling a burner-fired furnace.
  • a component of a gas flow is detected, with at least part of the radiation emitted by the gas flow being detected.
  • the emissions of the components are detected over a larger part of the spectrum. So there is a broadband recording of the emitted spectrum.
  • a sum signal is formed from the emissions detected at the various wavelengths, which is then derived twice over time.
  • the time profile of the signal determined in this way provides qualitative information about the proportion of the component in the gas flow. In this way, qualitative statements can be made about the quantity of the component sought.
  • the disadvantage here is that calibration with a conventional measurement is required in order to be able to make a quantitative statement. Absolute quantities of the components of the gas flow can only be determined with this method by means of a calibration. Furthermore, setting up such a measurement on a furnace shell of a metallurgical melting furnace is complicated.
  • a major problem with the devices and methods according to the prior art is the very high temperature that occurs in the melting furnace, which is why attaching measuring instruments to the furnace shell is very complicated and expensive. Absorption measurements using lasers are often used, which are very complex and therefore expensive. It would therefore be desirable to have an uncomplicated measurement option on a metallurgical melting furnace that would provide exact knowledge of the gas components generated during the process.
  • the invention is therefore based on the object of providing a simple and cost-effective way of determining the absolute concentration of the gas produced in a metallurgical melting furnace.
  • absolute concentration is understood to mean the number of heteromolecular gas molecules per unit volume, ie, for example, per cubic centimeter of exhaust gas.
  • a metallurgical melting furnace which has a furnace vessel for melting metal with an exhaust gas discharge device arranged thereon for discharging an exhaust gas stream.
  • An air supply opening for supplying fresh air to the exhaust gas flow is formed on the exhaust gas discharge device.
  • the exhaust gas removal device has at least one measurement opening behind the air supply opening and outside the exhaust gas removal device a photodiode with at least one spectral filter for separating the electromagnetic radiation of a specific wavelength range is arranged and configured at the measurement opening at a distance such that through the measurement opening escaping, inside the exhaust gas removal device generated electromagnetic radiation is at least partially detectable by the photodiode.
  • State transitions within the meaning of the invention are changes in the energy levels of the electrons, which emit photons, ie electromagnetic radiation, during a transition from an energetically higher to an energetically lower level.
  • electromagnetic radiation of a specific wavelength range is electromagnetic radiation with wavelengths in a specific predetermined range. This range is usually specified by one or more spectral filters.
  • the specific wavelength rich corresponds to a characteristic course of the spectral filter, with different wavelengths being transmitted through the spectral filter to different extents, depending on the characteristics of the spectral filter.
  • the spectral filter is arranged between the photodiode and the measurement aperture and filters the electromagnetic radiation before it hits the photodiode. As a result, only the electromagnetic radiation of the specific wavelength range corresponding to the characteristic curve of the spectral filter reaches the photodiode and is detected.
  • the spectral filter preferably has a molecule-specific transmission characteristic.
  • the exhaust gas discharge device can be tubular.
  • behind the air supply opening means arranged behind the air supply opening in the direction of flow of the exhaust gas flow.
  • behind the air supply opening means in particular that the measuring opening is arranged on the side facing away from the furnace vessel as viewed from the air supply opening.
  • the air supply opening is preferably designed as an air supply ring.
  • the measuring device for determining the absolute concentration on the exhaust gas discharge device can still be arranged behind the air supply opening, although further CO 2 and O 2 flows in through the air supply opening and changes the amount of CO 2 and CO or another heteromolecular gas in the exhaust gas discharge device.
  • the reason for this is that On the one hand, the inflowing air has such a low temperature that the number of photons emitted by these molecules is small enough not to influence the measurement and, on the other hand, the post-combustion of CO to CO 2 or a reaction with another heteromolecular gas only takes place takes place during the mixing of the inflowing air with the exhaust gas flow.
  • the further reaction in which the CO reacts to form CO 2 , as well as the other reactive processes that still take place, essentially only take place later, ie in the direction of flow of the exhaust gas stream after the measuring opening.
  • This allows the hot gas flow to be measured through the cold incoming air.
  • the cold air that has flowed in lies around the hot gas or exhaust gas in the manner of a gas curtain, with the state transitions of the hot gas or exhaust gas being above the detection threshold due to the high temperatures and being determinable.
  • the gas composition of the hot exhaust gas can advantageously be determined at a point that is exposed to less high temperatures due to the distance from the furnace vessel and the inflowing air.
  • the interruption of the exhaust gas discharge device leads to a certain thermal separation and a mechanical separation of the exhaust gas discharge device and is therefore particularly suitable.
  • the measuring opening is closed by means of a transparent material, preferably in the form of a protective glass.
  • An advantageous variant provides that at least two measuring openings with at least two photodiodes arranged at a distance from them are arranged on the exhaust gas discharge device. Even three or four measurement openings with at least three or four photodiodes are preferably arranged on the exhaust gas discharge device. Alternatively, two or more photodiodes can also be arranged spaced apart at a measurement opening. It is relevant here that any measuring openings with spaced-apart photodiodes are arranged behind the air supply opening. Each photodiode preferably has a different spectral filter, so that different wavelength ranges can be detected using the individual photodiodes. Each photodiode is arranged in the line of sight of the electromagnetic radiation passing through the measurement aperture.
  • a measuring channel preferably runs from the measuring opening to the photodiode.
  • the measurement channel is not transparent and thus protects the measurement from negative external influences such as interference radiation.
  • the measurement channel is therefore formed between the measurement opening and the photodiode.
  • An advantageous embodiment of the metallurgical melting furnace provides that it has a heating device for melting the metal in the melting bath.
  • a plurality of electrically operated electrodes for generating arcs are preferably arranged on the heating device.
  • Such a metallurgical melting furnace is also referred to as an arc furnace.
  • a measuring amplifier is preferably arranged on the photodiode in order to amplify the electrical signals generated by the photodiode.
  • both the spectral filter and the photodiode and the measuring amplifier are arranged within a housing.
  • either the photodiode or the measuring amplifier is connected to an evaluation unit for processing the generated electrical signal.
  • the evaluation unit can then determine the quantity of individual gas components on the basis of the electromagnetic radiation detected by the photodiode.
  • a hot gas with a given temperature T and a given pressure is in the range of normal pressure, i.e. with deviations of +/-10 %, contains thermally excited heteromolecular molecules that emit photons.
  • the necessary temperature is T > 400 K so that the number of emitted photons reaches a level from which the photodiode can detect photons.
  • the density and the distance between the molecules in the gas mixture at a given temperature are preferably calculated using the ideal gas equation, and in connection with the information on the geometry of the components, here in particular the geometry of the exhaust gas discharge device and the installation conditions of the measuring openings and the photodiode, the number excited molecules can be determined.
  • the photodiode is preferably designed for detection in the infrared range, for example made of InAsSb.
  • Alternative materials are InSb, InAs, PbS or PbSe.
  • the exact characteristic curve of the photodiode, in particular its temperature-dependent behavior as well as the physical and electrical properties of the photodiode and the exact area of the photodiode are used in the evaluation.
  • a spectral filter is used for each desired molecule for the differentiated detection of the gas components, or alternatively a combination of several spectral filters with defined spectral ranges is used.
  • Such a filter or such a combination of several filters is referred to as a molecule-specific filter.
  • molecule-specific spectral filters are used in order to be able to determine a selection of the photons from infrared bands, which are also referred to as IR bands, of the desired heteromolecular molecule.
  • IR bands are typical spectral curves of the emitted electromagnetic radiation with identical maxima, which can be differently pronounced depending on the molecule.
  • the wavelength of the molecule-specific maxima and their typical intensity ratio can be determined from the IR bands. Exact knowledge of the characteristic curve of the spectral filter is necessary as a basis for the quantum mechanical and statistical evaluation.
  • the object is also achieved by a method for determining heteromolecular gas, which is produced in a melting furnace, using a melting furnace according to the invention with an evaluation unit, which comprises the following steps: a) conducting the gas containing a portion of heteromolecular gas through an exhaust gas discharge device, b) supply of cool air to the exhaust gas flow, c) detection of the electromagnetic radiation of a specific wavelength emitted by the gas by means of the photodiode with spectral filter, d) determination of the proportion of heteromolecular gas by means of the evaluation unit.
  • the transition rate i.e. the number of photons emitted per molecule
  • the transition rate leads to a characteristic emission spectrum for each molecule.
  • a concentration characteristic for different molecule concentrations can be created, taking into account the geometry of the metallurgical melting furnace according to the invention, taking into account the characteristics of the spectral filters and photodiodes and the properties of the measuring amplifier. Different concentration characteristics can preferably be stored in the evaluation unit, so that the output current of the measuring amplifier provides information about the concentration of the gas for a specific configuration of the metallurgical melting furnace.
  • the number of radiating molecules i.e. the absolute concentration of the molecules, can be determined directly from this.
  • the object is also achieved by a method for determining the amount of heteromolecular gas produced in a metallurgical melting furnace using a device according to the invention with an evaluation unit, which comprises the following steps: a) conducting the gas containing a portion of heteromolecular gas through an exhaust gas discharge device, b) supplying cool air to the exhaust stream, c) detection of the electromagnetic radiation of a specific wavelength emitted by the gas using the photodiode with a spectral filter, d) determining the temperature and forwarding the temperature to the evaluation unit, d) determining the amount of heteromolecular gas using the evaluation unit.
  • the spectral filter through which the emitted radiation is filtered is preferably a molecule-specific filter.
  • Another aspect of the invention relates to a method for determining the temperature of a gas that at least partially contains a heteromolecular gas by means of a device according to the invention with at least two photodiodes and at least two different spectral filters, having the following steps: a) Conducting the one containing a proportion of heteromolecular gas gas through an exhaust gas discharge device, b) supply of cool air to the exhaust gas flow, b) detection of the electromagnetic radiation emitted by the gas of at least two specific wavelengths or two IR bands by means of the photodiode, c) determination of the temperature of the gas by comparison with temperature-dependent emission characteristics of the gas.
  • the evaluation principle is based on the fact that for a given molecule the IR band, i.e. the number and the wavelength of the emitted photons of the state transitions for a special molecule, only depend on the temperature.
  • the IR band i.e. the number and the wavelength of the emitted photons of the state transitions for a special molecule, only depend on the temperature.
  • a statement can be made as to how many photons are emitted by a molecule at a given temperature. If one now puts the two determined IR bands, i.e. the level of the two photodiode currents, in relation to one another, one obtains a characteristic curve which only depends on the gas temperature and is independent of the concentration of this molecule.
  • the determination of the temperature of the gas according to step d) by comparison with temperature-dependent emission characteristics of the gas thus preferably initially includes the step of determining the proportion of heteromolecular gas using the evaluation unit.
  • Two filter-photodiode combinations are used to determine the intensity of the electromagnetic radiation in two different wavelength ranges.
  • the geometry of the spectral filters and diodes is only relevant if they differ from each other. In the case of two identical spectral filter-photodiode combinations, it is not necessary to take this into account, otherwise this can be taken into account and corrected mathematically.
  • the two spectral filters must cover different spectral ranges, with an overlap being possible. Care must be taken to ensure that there is a sufficient concentration of the type of molecule whose spectrum is used so that detection is possible.
  • the measurement must be performed below the saturation range of the temperature characteristic. A monotonic characteristic curve is required for an unambiguous determination of the temperature. This should be taken into account when selecting the molecule to be evaluated. Filtering that is as narrow-band as possible, i.e. using a filter that only lets through a small wavelength range, ensures that other molecules have the least possible influence on the measurement results.
  • the spectral filter preferably has a transmission range, i.e.
  • a range in which at least 50%, preferably at least 70%, particularly preferably at least 85%, of the radiation is transmitted which has a maximum width of 10 ⁇ m, preferably a maximum of 9 ⁇ m , preferably at most 4 nm.
  • An advantageous variant of the method provides that wavelengths or wavelength ranges are evaluated at which essentially one type of molecule emits, ie has a maximum. According to one possible embodiment, two spectral ranges are considered, which means that mutual correction is possible.
  • a variant also provides that a gas temperature determined by means of an alternative method is used for checking and/or correction.
  • a spectral filter preferably has layers of dielectric materials, preferably selected from the group of oxides, such as titanium dioxide (TiO2), hafnium dioxide (HfÜ2), tantalum pentoxide (Ta2Os), silicon dioxide (SiO 2 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), and / or fluorides, such as magnesium fluoride (MgF2) or barium fluoride (BaF2) or YF 3 and/or sulfides, such as zinc sulfide (ZnS), and/or selenides, such as zinc selenide (ZnSe).
  • the layer thicknesses are selected in such a way that given transmission properties can be achieved due to constructive and destructive interference.
  • the spectral filter or filters are designed as semiconductor filters. These act as absorption filters, in particular for electromagnetic radiation below a certain wavelength, which is considered the absorption edge. Due to the band gap, electromagnetic radiation above the absorption edge can be transmitted to a large extent.
  • Semiconductor filters have long wave passage characteristics and are made from coated, optically polished semiconductor wafers, often mounted in holders for protection. Because of their very high absorption in the stop band, they are particularly useful in IR grating monochromators, i.e. spectral filters for transmission in a small range of infrared radiation, to eliminate higher-order spectra.
  • IR grating monochromators i.e. spectral filters for transmission in a small range of infrared radiation, to eliminate higher-order spectra.
  • the use of semiconductor filters is particularly advantageous since the higher-order spectra, ie lower wavelength and high energy, are particularly disruptive when high-temperature sources are used.
  • a spectral filter in particular a spectral filter made of dielectric materials or a semiconductor filter, has on one side, preferably the radiation input side, that of the irradiated electromagnetic radiation is arranged facing, or on the radiation input side and on the radiation output side, which is therefore arranged facing the photodiode, an anti-reflection coating.
  • This increases the transmission of the electromagnetic radiation that is intended to pass through the spectral filter.
  • improvements of up to 60% can be achieved compared to spectral filters without such an anti-reflection coating. If the spectral filter is arranged in front of a photodiode, up to 60% more radiation of the relevant wavelength will reach the photodiode and can then be detected by it.
  • the spectral filters are preferably at least partially transparent in at least one sub-range of the infrared spectrum.
  • the antireflection coatings of such a spectral filter preferably have a transmission of at least 20%, preferably at least 30%, particularly preferably at least 50% for wavelength ranges from 3 to 12 pm, preferably for 3-5 pm or for 5 to 8 pm or for 8 to 12 pm, on.
  • the antireflection coatings are preferably designed as a single layer or as a multilayer coating.
  • a single layer has the advantage that it can be manufactured easily and inexpensively.
  • a multi-layer coating in turn, can advantageously be optimized and adapted for a number of angles of incidence and for a number of wavelength ranges.
  • a preferred substrate material for a multilayer coating is germanium. In this way, transmission rates of more than 95% can advantageously be achieved in individual wavelength ranges.
  • Preferred substrate materials for an antireflection layer formed from a single layer are germanium, silicon, sapphire, zinc selenide or gallium arsenide.
  • the spectral filters are preferably designed as narrow bandpass filters. In this case, only narrow wavelength ranges of at most 6%, preferably at most 5%, of a peak value at which the transmission is therefore maximum, are transmitted.
  • the attenuation values outside the pass band are high here, so that the transmission for radiation outside the range is at most 10%, preferably at most 1%, particularly preferably at most 0.1%.
  • two spectral ranges are considered, which means that mutual correction is possible.
  • a variant also provides that a gas temperature determined by means of an alternative method is used for checking and/or correction.
  • All transition levels in the spectral range specified by the filter are preferably taken into account, which lead to a temperature characteristic so that the geometry of the metallurgical melting furnace is not relevant.
  • a particularly preferred variant of the method provides for the temperature to be determined first and then, taking the temperature into account, for the determination of the concentration.
  • the stored characteristic curves can advantageously be determined theoretically, so that calibration or re-calibration or measurement is not necessary.
  • Fig. 2 a basic sketch of a metrological structure
  • a metallurgical melting furnace 1 designed as an electric arc furnace 1a for melting metal.
  • the molten metal bath 2 is arranged inside a furnace vessel 3 .
  • a heating device 4 protrudes into the furnace vessel 3 and has three electrodes 5 which are designed for being fed with three-phase alternating current.
  • the heat generated by the electrical energy of the arc 6 is used to melt the metal in the melt pool 2 .
  • At the furnace vessel 3 are also a gas burner 7 and an oxygen supply element 8 designed as an oxygen lance 8a is arranged.
  • the off-gases generated in the furnace vessel 3 are conducted through an off-gas opening into an off-gas discharge device 9 .
  • An exhaust manifold 10 and an air supply opening 11 designed as an air supply ring 11a are arranged between the furnace vessel 3 and the exhaust gas discharge device 9 . Cool air flows through the air supply opening 11 into the exhaust gas discharge device 9 .
  • the air supply opening 11 is arranged between the furnace body 3 and the exhaust gas discharge device 9 . Post-combustion takes place in the exhaust gas discharge device 9, reactions taking place in particular with the participation of the inflowing oxygen.
  • Two photodiodes 12 are also arranged on the exhaust gas discharge device 9 in the exhaust gas flow direction R behind the air supply opening 11 at a distance from the exhaust gas discharge device 9 .
  • there are two measurement openings 13 on the exhaust gas removal device 9 through which the electromagnetic radiation can reach a measurement channel 14 and then onto the photodiodes 12 .
  • Measuring openings 13 can be closed by a material that is transparent to the relevant electromagnetic radiation. This prevents the exhaust gases flowing in the exhaust gas discharge device 9 from escaping.
  • a cooler 15 for cooling the exhaust gas flow and a filter 16 for separating solid particles from the exhaust gas are arranged on the exhaust gas discharge device 9 in the further course after the air supply opening 11 .
  • the exhaust gas is then conducted through the induced draft 17 and into the chimney 18 .
  • FIG. 2 shows a basic sketch of a metrological setup for use on the exhaust gas discharge device 9 of a metallurgical melting furnace 1, in particular an electric arc furnace 1a.
  • the electromagnetic radiation of all wavelengths 19 impinges on a spectral filter 20 so that behind the spectral filter 20 only electromagnetic radiation of a specific wavelength range 21 is passed on to the photodiode 12 .
  • the electrical signal then generated by the photodiode 12 is amplified by means of a measuring amplifier 22 and then processed by an evaluation unit 23 .
  • the values output by the measured value output 24 can then be used to optimize the regulation of the electric arc furnace, which is not shown here.
  • FIG. 1 A basic sketch of a measuring device with at least one photodiode 12 and a measuring channel 14 is shown in FIG.
  • the measuring device is attached by means of a mounting flange 25 to the outside of the exhaust gas discharge device, which is not shown here.
  • the photodiode 12 is arranged with the spectral filter 20 directly adjacent to the measurement channel 14 .
  • Measurement openings are made in the wall of the exhaust gas removal device 9 between the measurement channels 14 and the interior of the exhaust gas removal device 9 in order to allow the electromagnetic radiation to pass from the interior of the exhaust gas removal device 9 through the measurement channel 14 in the direction of the photodiodes 12.
  • a transparent protective glass 26 is arranged at the end of the measuring channel 14, which in the installed state points in the direction of the exhaust gas discharge device. The electromagnetic radiation generated inside the exhaust gas discharge device can reach the measuring channel 14 through this protective glass 26 , which is also referred to as protective window 26 , with exhaust gases being prevented from entering the measuring channel 14 at the same time.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen metallurgischen Schmelzofen mit einem Ofengefäß, einer daran angeordneten Abgasabführeinrichtung zum Abführen eines Abgasstromes und einer Luftzuführöffnung zum Zuführen von Luft zu dem Abgasstrom. Dabei ist an der Abgasabführeinrichtung hinter der Luftzuführöffnung eine Photodiode an einer Messöffnung beabstandet angeordnet. Die im Inneren der Abgasabführeinrichtung durch die heißen Moleküle erzeugte elektromagnetische Strahlung wird dann detektiert und statistisch ausgewertet. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bestimmung der Menge an heteromolekularem Gas und ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur des Gases.

Description

Metallurgischer Schmelzofen sowie Verfahren zur Bestimmung der Menge an heteromolekularem Gas
Die Erfindung betrifft einen metallurgischen Schmelzofen mit einem Ofengefäß, einer daran angeordneten Abgasabführeinrichtung zum Abführen eines Abgasstromes und einer Luftzuführöffnung zum Zuführen von Luft zu dem Abgasstrom sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Menge an heteromolekularem Gas und ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur des Gases.
Im Betrieb von metallurgischen Schmelzöfen entstehen aufgrund der darin ablaufenden Prozesse verschiedene, oft auch schädliche Gase. Um die innerhalb des metallurgischen Schmelzofens ablaufenden Prozesse zu optimieren und den Anteil schädlicher Gase zu reduzieren, ist eine genaue Kenntnis der entstehenden Gase, insbesondere auch in ihrem Verhältnis zueinander, eine wesentliche Voraussetzung für eine effiziente Steuerung der einzelnen Prozessparameter. Ein wesentliches Hindernis für viele mögliche Messmethoden sind dabei die während der Prozesse auftretenden extrem hohen Temperaturen, welche im Bereich von über 1000 °C liegen.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ansätze bekannt, wie der Anteil der Gasmoleküle im metallurgischen Schmelzofen bestimmt werden könnte.
In der DE 10 2008 009 923 A1 wird ein Verfahren zur Bestimmung brennbarer Abgasbestandteile innerhalb eines Lichtbogenofens mittels optischer Sensoren offenbart. Um die lokale CO-Konzentration zu messen, werden Lichtleiter so angeordnet, dass das Licht des Bereiches unter den einzelnen Sauerstoffinjektoren optisch erfasst wird. Die Menge der Abgasbestandteile wird dann ausgewertet und für eine Regelung der Sauerstoffzuführung in den Lichtbogenofen genutzt. Der Vorteil hier ist, dass die heterogene Verteilung innerhalb des Lichtbogenofens entsprechend erfasst wird und die einzelnen Sauerstoffinjektoren separat gesteuert werden können. Lichtleiter am Ofen können aber aufgrund der hohen Temperaturen zu großen Problemen führen. Insbesondere werden hier spektroskopische Methoden unter Verwendung eines Lasers genutzt, was einen solchen Messaufbau sehr aufwändig und somit kostenintensiv gestaltet. In der EP 1 776 576 B1 wird eine berührungslose Abgasmessung mittels FTIR- Spektroskopie an metallurgischen Aggregaten beschrieben. In der Nähe eines Konverters wird ein FTIR-Spektrometer angeordnet, dessen Messstrahl an einer geeigneten Öffnung des Abgaskanals in das Abgas gerichtet wird. Die mit dem FTIR-Spektrometer ermittelten Spektren werden unter Einbeziehung der Abgastemperatur und eines mathematischen Modells zur Berechnung der Abgaszusammensetzung ohne zeitliche Verzögerung verwendet. Nachteilig ist, dass auch diese Methode sehr aufwändig und wartungsintensiv ist.
In der DE 28 57 795 C2 ist ein Strahlungsdetektor für einen Flammenmelder offenbart, welcher ein Sensorelement und einen vor diesem angeordneten spektralen Filter, der im Bereich der Kohlendioxid-Resonanzstrahlung durchlässig ist, aufweist.
In der DE 195 09 704 A1 ist ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Überwachung und Regelung von Verbrennungsprozessen offenbart. Es werden in Öloder Gasbrennern Strahlungsmessungen ausgewertet, wobei zwei verschiedene Spektralbereiche einer Flamme durch eine Sensoranordnung detektiert werden. Die selektiv verstärkten Signale werden mittels Algorithmen für eine Regelung und Überwachung des Verbrennungsprozesses genutzt. Ein solches Verfahren wertet zwar die durch die Flammen emittierte Strahlung in einem kontrollierten Verbrennungsprozess aus, was ein Indiz für die Art der stattfindenden Reaktion ist. Allerdings kann mittels dieses Verfahrens keine direkte Messung der Menge an Gasen oder der Gaszusammensetzung erfolgen.
Eine weitere Möglichkeit der Überwachung von Flammen ist in der
US 3,903,014 beschrieben, welche insbesondere bei der Kontrolle von Prozessen zur Stahlschmelze angewendet werden kann. Auch hier wird keine direkte Messung der Gasmengen durchgeführt.
In der US 2009 102 103 A1 wird ein Verfahren beschrieben, welches mittels eines Spektrometers und eines Infrarotsensors Strahlungen innerhalb eines Industrieofens erfasst. Dazu wird die spektroskopische Einrichtung an einer Fensteröffnung angeordnet, welche auch die Luftzuführung in das Abgas ge- währleistet. Die Verwendung eines Spektrometers ist allerdings nachteilig aufwändig und kostenintensiv.
In der DE 102006 005 823 A1 wird ein Verfahren zur Regelung eines brennerbefeuerten Ofens offenbart. Dabei wird eine Komponente eines Gasstroms erfasst, wobei zumindest ein Teil der von dem Gasstrom emittierten Strahlung detektiert wird. Es wird hier nicht nur eine einzelne Spektrallinie ausgewertet, sondern es werden die Emissionen der Komponente über einen größeren Teilbereich des Spektrums detektiert. Es erfolgt also eine breitbandige Aufnahme des emittierten Spektrums. Aus den detektierten Emissionen bei den verschiedenen Wellenlängen wird dabei ein Summensignal gebildet, welches anschließend zweifach nach der Zeit abgeleitet wird. Der zeitliche Verlauf des so ermittelten Signals liefert qualitative Aussagen über den Anteil der Komponente in dem Gasstrom. So können qualitative Aussagen über die Menge der gesuchten Komponente erfolgen. Nachteilig ist hier eine Kalibrierung mit einer konventionellen Messung erforderlich, um eine quantitative Aussage treffen zu können. Nur mittels einer Kalibrierung können mittels dieser Methode absolute Mengen der Komponenten des Gasstroms ermittelt werden. Weiterhin ist das Einrichten einer solchen Messung an einem Ofengefäß eines metallurgischen Schmelzofens kompliziert.
Auch in dem in DE 42 31 777 A1 beschriebenen Verfahren werden Emissionsspektren von Flammen oder ihren Abgasen ausgewertet. Eine Anbringung derartiger Sensoren an einem metallurgischen Schmelzofen birgt aber eine Reihe von Problemen.
Ein wesentliches Problem der Vorrichtungen und Methoden nach dem Stand der Technik ist dabei die am Schmelzofen auftretende sehr hohe Temperatur, weshalb das Anbringen von Messinstrumenten am Ofengefäß sehr kompliziert und aufwändig ist. Häufig werden Absorptionsmessungen unter Verwendung von Lasern genutzt, welche sehr aufwändig und somit kostenintensiv sind. Wünschenswert wäre somit eine unkomplizierte Messmöglichkeit an einem metallurgischen Schmelzofen, welche eine exakte Kenntnis der während des Prozesses erzeugten Gasbestandteile liefert. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine einfache sowie kostengünstige Möglichkeit zur Verfügung zu stellen, um die Absolutkonzentration des in einem metallurgischen Schmelzofen erzeugten Gases zu ermitteln.
Unter Absolutkonzentration wird im Sinne der Erfindung die Anzahl der heteromolekularen Gasmolekühle je Volumeneinheit, also beispielsweise je Kubikzentimeter, Abgas verstanden.
Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird insbesondere durch einen metallurgischen Schmelzofen gelöst, welcher ein Ofengefäß zum Schmelzen von Metall mit einer daran angeordneten Abgasabführeinrichtung zum Abführen eines Abgasstromes aufweist. Dabei ist an der Abgasabführeinrichtung eine Luftzuführöffnung zum Zuführen von Frischluft zu dem Abgasstrom ausgebildet. Erfindungsgemäß weist die Abgasabführeinrichtung hinter der Luftzuführöffnung wenigstens eine Messöffnung auf und außerhalb der Abgasabführeinrichtung ist an der Messöffnung eine Photodiode mit wenigstens einem spektralen Filter zur Separation der elektromagnetischen Strahlung eines spezifischen Wellenlängenbereiches derart beabstandet angeordnet und ausgebildet, dass durch die Messöffnung entweichende, im Inneren der Abgasabführeinrichtung erzeugte elektromagnetische Strahlung wenigstens teilweise durch die Photodiode detektierbar ist. Dabei wird ausgenutzt, dass die Moleküle typische Energieniveaus aufweisen und Elektronen dieser Moleküle bei einem Zustandsübergang Photonen abstrahlen. Dabei sind Zustandsübergänge im Sinne der Erfindung Änderungen in den Energieniveaus der Elektronen, welche bei einem Übergang von einem energetisch höheren zu einem energetisch niedrigeren Niveau Photonen, also elektromagnetische Strahlung, abstrahlen.
Elektromagnetische Strahlung eines spezifischen Wellenlängenbereiches ist im Sinne der Erfindung die elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen in einem bestimmten vorgegebenen Bereich. Dieser Bereich wird meist durch einen oder mehrere spektrale/n Filter vorgegeben. Der spezifische Wellenlängenbe- reich entspricht dabei einem charakteristischen Verlauf des spektralen Filters, wobei unterschiedliche Wellenlängen je nach Charakteristik des spektralen Filters unterschiedlich stark durch den spektralen Filter transmittiert werden.
Der spektrale Filter ist zwischen der Photodiode und der Messöffnung angeordnet und filtert die elektromagnetische Strahlung bevor sie auf die Photodiode trifft. Dadurch erreicht nur die elektromagnetische Strahlung des spezifischen Wellenlängenbereiches entsprechend der Kennlinie des spektralen Filters die Photodiode und wird detektiert.
Vorzugsweise weist der spektrale Filter eine molekülspezifische Transmissionskennlinie auf.
Die Abgasabführeinrichtung kann dabei rohrförmig ausgebildet sein.
Hinter der Luftzuführöffnung bedeutet im Sinne der Erfindung in Strömungsrichtung des Abgasstromes hinter der Luftzuführöffnung angeordnet. Dabei bedeutet hinter der Luftzuführöffnung insbesondere, dass die Messöffnung auf der von der Luftzuführöffnung aus gesehen dem Ofengefäß abgewandten Seite angeordnet ist.
Vorzugsweise ist die Luftzuführöffnung als Luftzuführring ausgebildet.
Eine derartige Anordnung der Messöffnung und der beabstandet davon angeordneten Photodiode hinter der Luftzuführöffnung ist bemerkenswert, da die zuströmende Luft zu einer Veränderung der Zusammensetzung des Gasgemisches in der Abgasabführeinrichtung führt. Es strömt dabei weiteres CO2 und O2 durch die Luftzuführöffnung ein und ändert die Menge an CO2 bzw. CO oder anderer heteromolekularer Gase wie zum Beispiel H2O, CH4, NOX, SOX in der Abgasabführeinrichtung, da es durch den Sauerstoff in der einströmenden Luft zu Reaktionen mit den heteromolekularen Molekülen im heißen Abgas kommt. Überraschenderweise kann die Messeinrichtung zur Bestimmung der Absolutkonzentration an der Abgasabführeinrichtung dennoch hinter der Luftzuführöffnung angeordnet sein, obwohl weiteres CO2 und O2 durch die Luftzuführöffnung einströmt und die Menge an CO2 und CO oder eines anderen heteromolekularen Gases in der Abgasabführeinrichtung verändert. Die Ursache dafür ist, dass zum einen die einströmende Luft eine derart geringe Temperatur aufweist, dass die ausgesandte Anzahl an Photonen durch diese Moleküle klein genug ist, um die Messung nicht zu beeinflussen und dass zum anderen die Nachverbrennung von CO zu CO2 oder eine Reaktion mit einem anderen heteromolekularem Gas erst im Verlaufe der Vermischung der eingeströmten Luft mit dem Abgasstrom erfolgt. Die weitere Reaktion, bei der CO zu CO2 reagiert, sowie auch die anderen noch erfolgenden reaktiven Prozesse erfolgen im Wesentlichen erst im weiteren Verlauf, also in Strömungsrichtung des Abgasstromes nach der Messöffnung. Dadurch kann die heiße Gasströmung durch die kalte eingeströmte Luft hindurch gemessen werden. Die kalte eingeströmte Luft liegt nach der Art eines Gasschleiers um das heiße Gas oder Abgas herum, wobei die Zustandsübergänge des heißen Gases oder Abgases aufgrund der hohen Temperaturen über der Detektionsschwelle liegen und bestimmbar sind. Dadurch kann vorteilhaft die Gaszusammensetzung des heißen Abgases an einer Stelle ermittelt werden, die durch den Abstand zum Ofengefäß sowie die zuströmende Luft weniger großen Temperaturen ausgesetzt ist. Insbesondere bei der bevorzugten Ausbildung der Luftzuführöffnung in Form eines Rings führt die Unterbrechung der Abgasabführeinrichtung zu einer gewissen thermischen Trennung und einer mechanischen Trennung der Abgasabführeinrichtung und ist dadurch besonders geeignet.
Die Messöffnung ist nach einer geeigneten Ausführungsform mittels eines transparenten Materials, bevorzugt in Form eines Schutzglases, verschlossen.
Eine vorteilhafte Variante sieht vor, dass an der Abgasabführeinrichtung wenigstens zwei Messöffnungen mit wenigstens zwei davon beabstandet angeordneten Photodioden angeordnet sind. Bevorzugt sind sogar drei oder vier Messöffnungen mit wenigstens drei oder vier Photodioden an der Abgasabführeinrichtung angeordnet. Alternativ können an einer Messöffnung auch zwei oder mehr Photodioden beabstandet angeordnet sein. Relevant ist dabei, dass jegliche Messöffnungen mit daran beabstandet angeordneten Photodioden hinter der Luftzuführöffnung angeordnet sind. Bevorzugt weist jede Photodiode einen unterschiedlichen spektralen Filter auf, sodass unterschiedliche Wellenlängenbereiche mittels der einzelnen Photodioden detektierbar sind. Jede Photodiode ist in der Sichtachse der durch die Messöffnung hindurchtretenden elektromagnetischen Strahlung angeordnet.
Vorzugsweise verläuft von der Messöffnung zur Photodiode ein Messkanal. Der Messkanal ist dabei nicht transparent ausgebildet und schützt dadurch die Messung vor negativen äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Störstrahlung. Der Messkanal ist also zwischen der Messöffnung und der Photodiode ausgebildet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des metallurgischen Schmelzofens sieht vor, dass dieser eine Heizeinrichtung zum Schmelzen des Metalls im Schmelzbad aufweist. Bevorzugt sind an der Heizeinrichtung mehrere elektrisch betriebene Elektroden zur Erzeugung von Lichtbögen angeordnet. Ein solcher metallurgischer Schmelzofen wird auch als Lichtbogenofen bezeichnet.
Bevorzugt ist zur Verstärkung der durch die Photodiode erzeugten elektrischen Signale ein Messverstärker an der Photodiode angeordnet. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung sind sowohl der spektrale Filter als auch die Photodiode und der Messverstärker innerhalb eines Gehäuses angeordnet.
Vorzugsweise ist entweder die Photodiode oder der Messverstärker zur Verarbeitung des erzeugten elektrischen Signals mit einer Auswerteeinheit verbunden. Aufgrund der durch die Photodiode detektierten elektromagnetischen Strahlung kann die Auswerteeinheit dann die Menge einzelner Gaskomponenten ermitteln.
Um die Absolutkonzentration von heteromolekularem Gas in heißen Gasen, also den Anteil an heteromolekularem Gas, ermitteln zu können, wird dabei ausgenutzt, dass ein heißes Gas mit einer gegebenen Temperatur T und gegebenem Druck im Bereich des Normaldrucks, also mit Abweichungen von +/-10 %, thermisch angeregte heteromolekulare Moleküle enthält, die Photonen aussenden. Dabei ist die notwendige Temperatur T > 400 K, damit die Anzahl der ausgesendeten Photonen ein Niveau erreicht, ab dem die Photodiode Photonen detektieren kann. Bevorzugt erfolgt die Berechnung der Dichte und des Molekülabstands im Gasgemisch bei gegebener Temperatur über die ideale Gasgleichung, und es kann in Verbindung mit den Informationen zur Geometrie der Komponenten, hier also insbesondere die Geometrie der Abgasabführeinrichtung sowie die Einbaubedingungen der Messöffnungen sowie der Photodiode, die Anzahl angeregter Moleküle ermittelt werden.
Die Photodiode ist vorzugsweise zur Detektion im infraroten Bereich, beispielsweise aus InAsSb, ausgebildet. Alternative Materialen sind InSb, InAs, PbS oder PbSe. Die exakte Kennlinie der Photodiode, insbesondere auch deren temperaturabhängiges Verhalten sowie physikalische und elektrotechnische Eigenschaften der Photodiode sowie die exakte Fläche der Photodiode werden bei der Auswertung genutzt.
Zur differenzierten Detektion der Gasbestandteile wird nach einer möglichen Variante pro gewünschtem Molekül ein spektraler Filter oder alternativ eine Kombination aus mehreren spektralen Filtern mit definierten Spektralbereichen verwendet.
Ein solcher Filter oder eine solche Kombination aus mehreren Filtern wird als molekülspezifischer Filter bezeichnet. Diese molekülspezifischen spektralen Filter werden verwendet, um eine Selektion der Photonen aus Infrarot-Banden, welche auch als IR-Banden bezeichnet werden, des gewünschten heteromolekularen Moleküls ermitteln zu können. IR-Bande sind dabei im Sinne der Erfindung typische spektrale Verläufe der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung mit identischen Maxima, welche molekülspezifisch unterschiedlich ausgeprägt sein können. Aus den IR-Banden können die Wellenlänge der molekülspezifischen Maxima sowie auch deren typisches Intensitätsverhältnis ermittelt werden. Dabei ist die genaue Kenntnis der Kennlinie des spektralen Filters als Grundlage für die quantenmechanische und statistische Auswertung notwendig. Aus der Kennlinie kann dann ermittelt werden, welcher IR-Übergang in welchem Maße zur Messung beiträgt. Es wird dabei ein geeigneter molekülspezifischer Ausschnitt aus der Gesamt-IR-Bande analysiert. Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Bestimmung von heteromolekularem Gas, welches in einem Schmelzofen entsteht, mittels eines erfindungsgemäßen Schmelzofens mit einer Auswerteeinheit gelöst, welches folgende Schritte umfasst: a) Leiten des einen Anteil an heteromolekularem Gas aufweisenden Gases durch eine Abgasabführeinrichtung, b) Zuführung von kühler Luft zu dem Abgasstrom, c) Detektion der durch das Gas ausgesandten elektromagnetischen Strahlung einer spezifischen Wellenlänge mittels der Photodiode mit spektralem Filter, d) Bestimmung des Anteils an heteromolekularem Gas mittels der Auswerteeinheit.
Die Übergangsrate, also die Anzahl der Photonen, die pro Molekül abgestrahlt werden, führt bei Kenntnis der Temperatur zu einem charakteristischen Emissionsspektrum für jedes Molekül. Daraus kann unter Beachtung der Geometrie des erfindungsgemäßen metallurgischen Schmelzofens, unter Berücksichtigung der Kennlinien der spektralen Filter und Photodioden sowie der Eigenschaften des Messverstärkers eine Konzentrationskennlinie für unterschiedliche Molekülkonzentrationen erstellt werden. In der Auswerteeinheit können bevorzugt verschiedene Konzentrationskennlinien gespeichert werden, sodass der Ausgabestrom des Messverstärkers für eine bestimmte Konfiguration des metallurgischen Schmelzofens Informationen über die Konzentration des Gases liefert. Bei bekannter Temperatur kann daraus direkt die Menge der strahlenden Moleküle, also die Absolutkonzentration der Moleküle, ermittelt werden.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Bestimmung der Menge an in einem metallurgischen Schmelzofen entstehendem heteromolekularem Gas mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Auswerteeinheit gelöst, welches folgende Schritte umfasst: a) Leiten des einen Anteil an heteromolekularem Gas aufweisenden Gases durch eine Abgasabführeinrichtung, b) Zuführung von kühler Luft zu dem Abgasstrom, c) Detektion der durch das Gas ausgesandten elektromagnetischen Strahlung einer spezifischen Wellenlänge mittels der Photodiode mit spektralem Filter, d) Bestimmung der Temperatur und Weiterleiten der Temperatur an die Auswerteeinheit, d) Bestimmung der Menge an heteromolekularem Gas mittels der Auswerteeinheit.
Vorzugsweise ist der spektrale Filter, durch den die ausgesandte Strahlung gefiltert wird, ein molekülspezifischer Filter.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines wenigstens zum Teil ein heteromolekulares Gas enthaltenden Gases mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit wenigstens zwei Photodioden und wenigstens zwei unterschiedlichen spektralen Filtern, folgende Schritte aufweisend: a) Leiten des einen Anteils an heteromolekularem Gas aufweisenden Gases durch eine Abgasabführeinrichtung, b) Zuführung von kühler Luft zu dem Abgasstrom, b) Detektion der durch das Gas ausgesandten elektromagnetischen Strahlung wenigstens zweier spezifischer Wellenlängen oder zweier IR-Bande mittels der Photodiode, c) Bestimmung der Temperatur des Gases durch Abgleich mit temperaturabhängigen Emissionskennlinien des Gases.
Das Auswerteprinzip beruht hier darauf, dass bei gegebenem Molekül die IR- Bande, also die Anzahl sowie die Wellenlänge der abgestrahlten Photonen der Zustandsübergänge für ein spezielles Molekül, nur noch von der Temperatur abhängen. Somit lässt sich nach einer Auswertung der IR-Bande, wenn also die Molekülzusammensetzung bekannt ist, die Aussage treffen, wie viele Photonen bei gegebener Temperatur von einem Molekül abgestrahlt werden. Setzt man nun beide ermittelte IR-Bande, also die Höhe der beiden Photodiodenströme, ins Verhältnis zueinander, so erhält man eine Kennlinie, die nur noch von der Gastemperatur abhängt und unabhängig ist von der Konzentration dieses Mo- leküls und der Geometrie des metallurgischen Schmelzofens sowie der Anordnung der Messöffnungen und der Photodioden. Die Bestimmung der Temperatur des Gases nach Schritt d) durch Abgleich mit temperaturabhängigen Emissionskennlinien des Gases beinhaltet somit bevorzugt zunächst den Schritt der Bestimmung des Anteils an heteromolekularem Gas mittels der Auswerteeinheit.
Zur Ermittlung der Intensität der elektromagnetischen Strahlung in zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen werden zwei Filter-Photodioden- Kombinationen verwendet. Die Geometrie der spektralen Filter und Dioden wird dabei nur relevant, wenn sie sich voneinander unterscheiden. Bei zwei identischen spektralen Filter-Photodioden-Kombinationen ist eine Beachtung nicht notwendig, andernfalls kann dies rechnerisch berücksichtigt und korrigiert werden.
Die beiden spektralen Filter müssen unterschiedliche spektrale Bereiche abdecken, wobei ein Überlapp möglich ist. Es ist dabei darauf zu achten, dass eine ausreichende Konzentration der Molekülsorte, deren Spektrum genutzt wird, vorhanden ist, sodass eine Detektion möglich ist. Die Messung muss unterhalb des Sättigungsbereichs der Temperaturkennlinie durchgeführt werden. Für eine eindeutige Temperaturermittlung ist eine monotone Kennlinie erforderlich. Dies sollte bei der Auswahl des ausgewerteten Moleküls berücksichtigt werden. Eine möglichst schmalbandige Filterung, also unter Verwendung eines Filters, welcher nur einen kleinen Wellenlängenbereich durchlässt, gewährleistet dabei einen möglichst geringen Einfluss anderer Moleküle auf die Messergebnisse. Vorzugsweise weist der spektrale Filter einen Transmissionsbereich, also einen Bereich, in dem die Strahlung zu wenigstens 50 %, vorzugsweise wenigstens 70 %, besonders bevorzugt zu wenigstens 85 %, transmittiert wird, auf, der eine Breite von maximal 10 pm, vorzugsweise maximal 9 pm, bevorzugt maximal 4 nm, hat. Eine vorteilhafte Variante des Verfahrens sieht vor, dass Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche ausgewertet werden, bei denen im Wesentlichen eine Molekülsorte abstrahlt, also ein Maximum aufweist. Nach einer möglichen Ausführung werden zwei spektrale Bereiche betrachtet, wodurch eine gegenseitige Korrektur möglich ist. Eine Variante sieht außerdem vor, dass eine mittels einer alternativen Methode ermittelte Gastemperatur zur Kontrolle und/ oder Korrektur genutzt wird.
Bevorzugt weist ein spektraler Filter Schichten aus dielektrischen Materialien, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der Oxide, wie beispielsweise Titandioxid (TiO2), Hafniumdioxid (HfÜ2), Tantalpentoxid (Ta2Os), Siliziumdioxid (SiO2), Yttriumoxid (Y2O3), und/oder der Fluoride, wie beispielsweise Magnesi- umflourid (MgF2) oder Bariumflourid (BaF2) oder YF3 und/oder der Sulfide, wie beispielsweise Zinksulfid (ZnS), und/oder der Selenide, wie beispielsweise Zinkselenid (ZnSe), auf. Die Schichtdicken werden so gewählt, dass aufgrund von konstruktiver und destruktiver Interferenz vorgegebene Transmissionseigenschaften erreicht werden können.
Nach einer möglichen Ausgestaltung sind der spektrale Filter oder die spektralen Filter als Halbleiterfilter ausgebildet. Diese wirken als Absorptionsfilter, insbesondere für elektromagnetische Strahlung unterhalb einer bestimmten Wellenlänge, die als Absorptionskante gilt. Aufgrund der Bandlücke kann elektromagnetische Strahlung oberhalb der Absorptionskante zu einem hohen Anteil transmittiert werden.
Halbleiterfilter haben lange Wellendurchgangseigenschaften und bestehen aus beschichteten, optisch polierten Halbleiterscheiben, die häufig zum Schutz in Halterungen montiert sind. Wegen ihrer sehr hohen Absorption im Sperrbereich sind sie besonders nützlich in IR-Gittermonochromatoren, also spektralen Filtern zur Transmission in einem kleinen Bereich der infraroten Strahlung, zur Eliminierung von Spektren höherer Ordnung. Ein Einsatz von Halbleiterfiltern ist besonders vorteilhaft, da die Spektren höherer Ordnung, also geringerer Wellenlänge und hoher Energie besonders störend sind, wenn Hochtemperaturquellen verwendet werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist ein spektraler Filter, insbesondere ein spektraler Filter aus dielektrischen Materialien oder ein Halbleiterfilter, auf einer Seite, vorzugsweise der Strahlungseingangsseite, die der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung zugewandt angeordnet wird, oder auf der Strahlungseingangsseite und auf der Strahlungsausgangsseite, die also der Photodiode zugewandt angeordnet wird, eine Antireflexionsbeschichtung auf. Dadurch wird die Transmission der elektromagnetischen Strahlung, welche den spektralen Filter passieren soll, erhöht. Vorteilhaft können so Verbesserungen bis zu 60 % gegenüber spektralen Filtern ohne eine solche Antireflexionsbeschichtung erreicht werden. Es werden bei Anordnung des spektralen Filters vor einer Photodiode also bis zu 60 % mehr Strahlung der relevanten Wellenlänge bis zur Photodiode gelangen und können dann von dieser detektiert werden.
Die spektralen Filter sind bevorzugt in wenigstens einem Teilbereich des infraroten Spektrums wenigstens teildurchlässig. Vorzugsweise weisen die Antireflexionsbeschichtungen eines solchen spektralen Filters eine Transmission von wenigstens 20 %, bevorzugt wenigstens 30 %, besonders bevorzugt wenigstens 50 % für Wellenlängenbereiche von 3 bis 12 pm, bevorzugt für 3-5 pm oder für 5 bis 8 pm oder für 8 bis 12 pm, auf.
Vorzugsweise sind die Antireflexionsbeschichtungen als Einzelschicht oder als Mehrschichtbeschichtung ausgebildet. Dabei hat eine Einzelschicht den Vorteil, dass sie einfach und kostengünstig zu fertigen ist.
Eine Mehrschichtbeschichtung wiederum kann vorteilhaft für mehrere Einfallswinkel und für mehrere Wellenlängenbereiche optimiert und angepasst werden. Ein bevorzugtes Substratmaterial für eine Mehrschichtbeschichtung ist dabei Germanium. Vorteilhaft können so Transmissionsraten in einzelnen Wellenlängenbereichen von über 95 % erreicht werden.
Bevorzugte Substratmaterialien für eine Antireflexschicht, die aus einer Einzelschicht gebildet wird, sind Germanium, Silizium, Saphir, Zinkselenid oder Galli- umarsenid.
Vorzugsweise sind die spektralen Filter als Schmalbandpassfilter ausgebildet. Dabei werden nur schmale Bereiche der Wellenlängen von maximal 6 %, bevorzugt maximal 5 %, eines Spitzenwertes, bei dem die Transmission also maximal ist, transmittiert. Die Dämpfungswerte außerhalb des Durchlassbereiches sind dabei hoch, sodass die Transmission für Strahlung außerhalb des Bereiches dabei maximal 10 %, bevorzugt maximal 1 %, besonders bevorzugt maximal 0,1 %, ist.
Nach einer möglichen Ausführung werden zwei spektrale Bereiche betrachtet, wodurch eine gegenseitige Korrektur möglich ist. Eine Variante sieht außerdem vor, dass eine mittels einer alternativen Methode ermittelte Gastemperatur zur Kontrolle und/oder Korrektur genutzt wird.
Bevorzugt werden dabei alle im durch den Filter vorgegebenen Spektralbereich liegenden Übergangsniveaus berücksichtigt, die zu einer Temperaturkennlinie führen, sodass die Geometrie des metallurgischen Schmelzofens nicht relevant ist. Eine besonders bevorzugte Variante des Verfahrens sieht zunächst die Temperaturermittlung und daraufhin unter Berücksichtigung der Temperatur die Bestimmung der Konzentration vor.
Die hinterlegten Kennlinien können vorteilhaft theoretisch ermittelt werden, sodass eine Kalibrierung oder Re-Kalibrierung oder ein Einmessen nicht notwendig ist.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 : einen Lichtbogenofen,
Fig. 2: eine Prinzipskizze eines messtechnischen Aufbaus und
Fig. 3: eine Prinzipskizze einer Messeinrichtung mit einer Photodiode.
In Fig. 1 ist ein als Lichtbogenofen 1a ausgebildeter metallurgischer Schmelzofen 1 zum Schmelzen von Metall dargestellt. Das Metallschmelzbad 2 ist innerhalb eines Ofengefäßes 3 angeordnet. In das Ofengefäß 3 ragt eine Heizeinrichtung 4 hinein, welche drei Elektroden 5 aufweist, die für die Speisung mit Dreiphasenwechselstrom ausgebildet sind. Die durch die elektrische Energie des Lichtbogens 6 erzeugte Wärme wird genutzt, um das Metall im Schmelzbad 2 zu schmelzen. An dem Ofengefäß 3 sind ferner ein Gasbrenner 7 sowie ein als Sauerstofflanze 8a ausgebildetes Sauerstoffzuführelement 8 angeordnet.
Die im Ofengefäß 3 erzeugten Abgase werden durch eine Abgasöffnung in eine Abgasabführeinrichtung 9 geleitet. Dabei ist zwischen dem Ofengefäß 3 und der Abgasabführeinrichtung 9 ein Abgaskrümmer 10 und eine als Luftzuführring 11a ausgebildete Luftzuführöffnung 11 angeordnet. Durch die Luftzuführöffnung 11 strömt kühle Luft in die Abgasabführeinrichtung 9. Die Luftzuführöffnung 11 ist zwischen dem Ofengefäß 3 und der Abgasabführeinrichtung 9 angeordnet. In der Abgasabführeinrichtung 9 findet eine Nachverbrennung statt, wobei insbesondere Reaktionen unter Beteiligung des einströmenden Sauerstoffs stattfinden.
An der Abgasabführeinrichtung 9 sind weiterhin zwei Photodioden 12 in Abgasströmungsrichtung R hinter der Luftzuführöffnung 11 beabstandet von der Abgasabführeinrichtung 9 angeordnet. Um elektromagnetische Strahlung aus dem Inneren der Abgasabführeinrichtung 9 detektieren zu können, existieren an der Abgasabführeinrichtung 9 zwei Messöffnungen 13, durch welche die elektromagnetische Strahlung in einen Messkanal 14 und dann auf die Photodioden 12 gelangen kann. Messöffnungen 13 können durch ein für die relevante elektromagnetische Strahlung transparentes Material verschlossen sein. Das verhindert das Entweichen der in der Abgasabführeinrichtung 9 strömenden Abgase.
An der Abgasabführeinrichtung 9 ist im weiteren Verlauf nach der Luftzuführöffnung 11 ein Kühler 15 zum Kühlen des Abgasstromes und ein Filter 16 zur Abscheidung von Feststoffteilchen aus dem Abgas angeordnet. Das Abgas wird nachfolgend durch den Saugzug 17 und in den Schornstein 18 geleitet.
In Fig. 2 ist eine Prinzipskizze eines messtechnischen Aufbaus zum Einsatz an der Abgasabführeinrichtung 9 eines metallurgischen Schmelzofens 1 , insbesondere eines Lichtbogenofens 1a, dargestellt. Dabei trifft die elektromagnetische Strahlung aller Wellenlängen 19 auf einen spektralen Filter 20, sodass hinter dem spektralen Filter 20 nur elektromagnetische Strahlung eines spezifischen Wellenlängenbereiches 21 auf die Photodiode 12 weitergeleitet wird. Das daraufhin durch die Photodiode 12 erzeugte elektrische Signal wird mittels eines Messverstärkers 22 verstärkt und dann durch eine Auswerteeinheit 23 verarbeitet. Die durch die Messwertausgabe 24 ausgegebenen Werte können dann genutzt werden, um die Regelung des hier nicht dargestellten Lichtbogenofens zu optimieren.
Eine Prinzipskizze einer Messeinrichtung mit wenigstens einer Photodiode 12 und einem Messkanal 14 ist in Fig. 3 dargestellt. Die Messeinrichtung wird mittels eines Montageflanschs 25 an der Außenseite der hier nicht dargestellten Abgasabführeinrichtung befestigt. Die Photodiode 12 ist mit dem spektralen Filter 20 direkt an den Messkanal 14 angrenzend angeordnet.
Zwischen den Messkanälen 14 und dem Inneren der Abgasabführeinrichtung 9 sind in der Wand der Abgasabführeinrichtung 9 hier nicht dargestellte Messöffnungen eingebracht, um die elektromagnetische Strahlung aus dem Inneren der Abgasabführeinrichtung 9 durch den Messkanal 14 in Richtung der Photodioden 12 passieren zu lassen. An dem Ende des Messkanals 14, welches im eingebauten Zustand in Richtung der Abgasabführeinrichtung weist, ist ein transparentes Schutzglas 26 angeordnet. Durch dieses auch als Schutzfenster 26 bezeichnete Schutzglas 26 kann die im Inneren der Abgasabführeinrichtung erzeugte elektromagnetische Strahlung in den Messkanal 14 gelangen, wobei gleichzeitig ein Eindringen von Abgasen in den Messkanal 14 verhindert wird.
Bezugszeichenliste
1 Metallurgischer Schmelzofen
1 a Lichtbogenofen
2 Metallschmelzbad, Schmelzbad
3 Ofengefäß
4 Heizeinrichtung
5 Elektrode, Heizeinrichtung
6 Lichtbogen
7 Gasbrenner
8 Sauerstoffzuführelement
8a Sauerstofflanze
9 Abgasabführeinrichtung
10 Abgaskrümmer
11 Luftzuführöffnung
11a Luftzuführring
12 Photodiode
13 Messöffnung
14 Messkanal , Hülsrohr
15 Kühler
16 Filter
17 Saugzug
18 Schornstein
19 Elektromagnetische Strahlung aller Wellenlängen
20 Spektraler Filter
21 Elektromagnetische Strahlung eines spezifischen Wellenlängenbereiches
22 Messverstärker 23 Auswerteeinheit
24 Messwertausgabe
25 Montageflansch
26 Schutzglas, Schutzfenster
R Abgasströmungsrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Metallurgischer Schmelzofen (1), aufweisend ein Ofengefäß (3) zum Schmelzen von Metall mit einer daran angeordneten Abgasabführeinrichtung (9) zum Abführen eines Abgasstromes, wobei an der Abgasabführeinrichtung (9) eine Luftzuführöffnung (11) zum Zuführen von Frischluft zu dem Abgasstrom ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasabführeinrichtung (9) hinter der Luftzuführöffnung (11) wenigstens eine Messöffnung (13) aufweist und dass außerhalb der Abgasabführeinrichtung (9) an der Messöffnung (13) eine Photodiode (12) mit einem spektralen Filter (20) zur Separation der elektromagnetischen Strahlung eines spezifischen Wellenlängenbereiches (21 ) derart beabstandet angeordnet und ausgebildet ist, dass durch die Messöffnung (13) entweichende, im Inneren der Abgasabführeinrichtung (9) erzeugte elektromagnetische Strahlung (19) wenigstens teilweise durch die Photodiode (12) detektierbar ist.
2. Metallurgischer Schmelzofen (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzofen eine Heizeinrichtung (5) zum Schmelzen von Metall im Schmelzbad (2) aufweist.
3. Metallurgischer Schmelzofen (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzofen eine Heizeinrichtung (5) mit mehreren elektrisch betriebenen Elektroden (5) zur Erzeugung von Lichtbögen aufweist.
4. Metallurgischer Schmelzofen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messöffnung (13) mittels eines transparenten Materials verschlossen ist.
5. Metallurgischer Schmelzofen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodiode (12) in der Sichtachse der durch die Messöffnung (13) hindurchtretenden elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist.
6. Metallurgischer Schmelzofen (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstärkung der durch die Photodiode (12) erzeug- ten elektrischen Signale ein Messverstärker (22) an der Photodiode (12) angeordnet ist. Metallurgischer Schmelzofen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Abgasabführeinrichtung (9) wenigstens zwei Messöffnungen (13) mit wenigstens zwei davon beabstandet angeordneten Photodioden (12) angeordnet sind. Metallurgischer Schmelzofen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodiode (12) oder der Messverstärker (22) zur Verarbeitung des erzeugten elektrischen Signals mit einer Auswerteeinheit (23) verbunden ist. Verfahren zur Bestimmung von in einem metallurgischen Schmelzofen (1) entstehendem heteromolekularem Gas mittels eines metallurgischen Schmelzofens (1) nach Anspruch 8, folgende Schritte umfassend: a) Leiten des einen Anteil an heteromolekularem Gas aufweisenden Gases durch eine Abgasabführeinrichtung (9), b) Zuführung kühler Luft zu dem Abgasstrom, c) Detektion der durch das Gas ausgesandten elektromagnetischen Strahlung eines spezifischen Wellenlängenbereiches (21) mittels der Photodiode (12), d) Bestimmung des Anteils an heteromolekularem Gas mittels der Auswerteeinheit (23). Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines ein heteromolekulares Gas enthaltendes Gases mittels eines metallurgischen Schmelzofens (1) nach Anspruch 8, welcher wenigstens zwei Photodioden (12) und wenigstens zwei unterschiedliche spektrale Filter (20) aufweist, folgende Schritte umfassend: a) Leiten des einen Anteil an heteromolekularem Gas aufweisenden Gases durch die Abgasabführeinrichtung (9), b) Zuführung kühler Luft zu dem Abgasstrom, c) Detektion der durch das Gas ausgesandten elektromagnetischen Strahlung wenigstens zweier spezifischer Wellenlängenbereiche (21) mittels der Photodiode (12), d) Bestimmung der Temperatur des Gases durch Abgleich mit temperaturabhängigen Emissionskennlinien des Gases.
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