EP4526484A1 - Verfahren und vorrichtung zur detektion einer wasserleckage in einem metallurgischen schmelzofen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur detektion einer wasserleckage in einem metallurgischen schmelzofen

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Publication number
EP4526484A1
EP4526484A1 EP23726851.1A EP23726851A EP4526484A1 EP 4526484 A1 EP4526484 A1 EP 4526484A1 EP 23726851 A EP23726851 A EP 23726851A EP 4526484 A1 EP4526484 A1 EP 4526484A1
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EP
European Patent Office
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pressure
exhaust gas
water
correlation
cooling water
Prior art date
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Pending
Application number
EP23726851.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Georg Conrads
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cth Conrads Technologie und Holding Ag
Original Assignee
Cth Conrads Technologie und Holding Ag
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Filing date
Publication date
Application filed by Cth Conrads Technologie und Holding Ag filed Critical Cth Conrads Technologie und Holding Ag
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a method for detecting a water leak in a metallurgical melting furnace, which has a furnace vessel whose walls at least partially consist of water pipe walls through which cooling water flows, and to a device suitable for carrying out the method.
  • a metallurgical melting furnace such as an electric arc furnace
  • metals are melted and subsequently cast.
  • This requires particularly high temperatures inside such a metallurgical melting furnace, so that the materials inside the furnace vessel have to withstand temperatures of up to 3500 °C.
  • Such temperatures represent a particular challenge for the systems used.
  • the individual components of a metallurgical melting furnace which come into contact with the liquid metal and the hot exhaust gases, are therefore made either of refractory material or of water-cooled components.
  • Some parts of the metallurgical melting furnace, in particular the furnace vessel consist at least in sections of water pipe walls in which water pipes run through which cooling water flows during operation. This reduces the risk of damage or destruction to the walls of the furnace vessel by the molten metal and hot exhaust gases.
  • Such a metallurgical melting furnace which has water tube walls, is described in EP 2 601 469 B1.
  • the water tube walls are designed in the form of fluid-cooled panels or panels and are particularly suitable for applications in metallurgical furnaces, especially in electric arc furnaces for steel production.
  • it is a common problem that the strong thermal loads acting on the water pipe walls, particularly due to the large temperature differences, lead to leaks in the water pipe walls. This results in water flowing into the metallurgical melting furnace.
  • water is also created in the metallurgical melting furnace through combustion processes within the furnace vessel, for example through the combustion of added natural gas or hydrogen. Furthermore, on At the beginning of the melting cycle, water is introduced through the metallic components inserted into the furnace vessel. Another portion of water comes from vertically fixed graphite electrodes, where water runs down into the furnace vessel for cooling. The water present in the furnace vessel evaporates and is discharged via the exhaust devices. Even in the event of a leak, however, the majority of the water present in the exhaust comes from the aforementioned sources.
  • the problem with the water that also penetrates into the furnace vessel via water leaks is that it enters indefinitely and locally in one place, so that the penetrating water can accumulate in certain places.
  • the metallic components to be melted, such as scrap are generally irregular in structure and can have numerous pocket-shaped cavities in which the water at least partially remains and therefore does not completely evaporate.
  • the water that accumulates in liquid form in certain places can grow over time to form a constantly growing water bubble. If, during the further course of the melting cycle of the metal scrap, progressive heating comes into contact with very hot, liquid metal and such a water bubble, there is a risk of explosive evaporation. This can result in serious damage to the metallurgical melting furnace or even its destruction.
  • metal masses escaping from the metallurgical melting furnace and possibly splashing around pose a major danger to those working in the vicinity of the metallurgical melting furnace.
  • DE 10 2009 051 931 A1 describes a method for early detection of leaks in a cooling device for cooling a technical system, in particular a continuous casting system.
  • a controllable inlet-side valve and a controllable outlet-side valve are operated remotely and the deviations from expected pressures are determined.
  • the pressure curve can also be examined for changes over time.
  • due to the high process noise such considerations cannot be used as a reliable indicator, since the dispersive effect of the entire process, in particular the entry into the melting furnace, the evaporation in the process and also the discharge through the exhaust duct is too uncertain and depends on a number of factors.
  • Process noise is the influence on process variables such as flow, pressure, temperature or water content caused by stochastic fluctuations and cross effects. It should be taken into account that the respective variables in complex process engineering processes can never be measured in isolation, as they are usually influenced by processes occurring elsewhere. For example, the water entry into the exhaust gas is fed by various sources that cannot be clearly determined in terms of time and location and are superimposed in the measured signal. Switching a burner on and off and the spontaneous evaporation of water in a batch of scrap regularly leads to a sudden increase or change in the water content in the exhaust gas.
  • Balancing the cooling water circuits which examines the amount of water that enters and exits the water cooling system per unit of time, does not produce reliable results either.
  • a water leak through which, for example, 3 m 3 of water per hour escapes into the furnace vessel is too small to be reliably detectable with a total flow of approximately 900 m 3 per hour.
  • Water leaks can also occur in many other places outside of the oven.
  • the invention is therefore based on the object of providing a simple and cost-effective way to reliably detect water leaks in a metallurgical melting furnace despite high process noise.
  • the task is solved in particular by a method for detecting a water leak in a metallurgical melting furnace.
  • the method according to the invention runs by means of a metallurgical melting furnace, an exhaust gas measuring device for measuring at least one exhaust gas parameter, a pressure regulator and an evaluation device.
  • the metallurgical melting furnace has a furnace vessel, the walls of which at least partially consist of water pipe walls through which cooling water flows, a lid and an exhaust gas outlet.
  • the exhaust gas measuring device is arranged after the exhaust gas outlet in the exhaust gas flow direction and is connected to the evaluation device in terms of data technology. Depending on the exact arrangement of the exhaust gas measuring device, detected leaks are defined in different areas. According to an advantageous variant, the exhaust gas measuring device is arranged close behind the exhaust gas outlet, which can advantageously prevent further water sources from making a contribution. Another advantage of such an arrangement is that leaks that only occur after the furnace vessel, i.e. in the exhaust pipe, do not contribute. Since a leak has an increased risk potential, especially in the water pipe walls of the furnace vessel, it is advantageous if it is clear whether it is really a leak in the furnace vessel. A leak in the exhaust duct, however, is harmless in terms of its potential hazard.
  • the evaluation device is also connected to the pressure regulator in terms of data technology.
  • the pressure regulator can adjust and regulate the pressure of the cooling water in the water pipe walls.
  • the method includes the following steps: a) applying a pressure fluctuation to the cooling water, a pressure fluctuation being a result of time-limited pressure deviations from an average pressure, by means of the pressure regulator; b) measuring the course of an exhaust gas parameter, i.e. determining the measured values over time, using the exhaust gas measuring device; c) Determination of the correlation of the course of the pressure fluctuation of the cooling water with the course of the exhaust gas parameter by the evaluation device. A correlation function is used for this; d) Output of the correlation by the evaluation device.
  • the evaluation device preferably delivers an output signal, for example a warning signal.
  • a pressure fluctuation refers to a sequence of time-limited pressure deviations from an average pressure. Several successive pressure deviations follow a certain predetermined pattern.
  • a non-deterministic or a hybrid random number generator can be used.
  • a coincidence of irregular changes in one of the exhaust gas parameters with other effects, as occurs more frequently with periodic pressure fluctuations, can thus be prevented or at least greatly reduced.
  • a program can be used to generate a sequence of 1-second pulses with varying deviation values.
  • the number of im- pulses, each having the same deviation value are determined by a randomly generated number between a minimum duration and a maximum duration, while the deviation value itself is determined by a randomly generated number between a minimum deviation value and a maximum deviation value. An additional change in the amplitude up to the maximum value is possible.
  • the pressure fluctuation can be generated continuously, whereby leaks can advantageously be determined at any time.
  • certain time periods of, for example, 1800 s are specified, which are then fed into a correlation.
  • the patterns do not repeat themselves after this period of time, but rather a new pattern is generated, with which a further correlation is then carried out.
  • a positive result can advantageously be verified or refuted in a two-stage process. This improves the reliability of the procedure.
  • An exhaust gas parameter is a parameter of the exhaust gas, for example the proportion or amount of water contained in the exhaust gas or the pressure of the exhaust gas or the temperature of the exhaust gas.
  • the characteristic pattern due to the pressurization can advantageously be read in different parameters or process variables. Different exhaust gas parameters can therefore advantageously be used for the correlation measurement and serve as a reliable indicator of the leak.
  • a correlation is understood to mean a relationship between two signal sequences, here the course of the exhaust gas parameter and the pressure fluctuation over time. If a connection between the courses is recognizable and consequently there is a connection between the courses, this can be seen from the correlation. If you set certain values and limits depending on the selected evaluation method and correlation function, then a decision can be made based on the result of the correlation as to whether there is a leak. Since this is a statistical process, the limits can be chosen depending on the desired and necessary probability of correct or incorrect warning signals.
  • An advantage of this method is that a signal can be determined even if there are other possibilities of water entering the furnace vessel. A small correlated fluctuation in the amount of water determined at the exhaust gas outlet due to a leak can be reliably detected even if the fluctuation in the amount of water due to other processes is very large.
  • the method according to the invention is based on the fact that the evaporated part of the water, which flows out through the exhaust gas outlet, influences the signal of the exhaust gas measuring device.
  • cooling water flows through at least two different sections within the water pipe walls, which are subjected to different pressure fluctuations according to step a) and a correlation according to step c) is carried out for each of the sections.
  • the pressure fluctuations can be varied, for example, in frequency and/or in amplitude and/or in the deviation value.
  • an auxiliary line is provided for each section, which is connected to this section.
  • the different sections preferably form different cooling circuits.
  • different pressure patterns can be impressed in each circuit. This can happen in the circuits either with a time delay, i.e. in chronological order, or at the same time. If the patterns are different, the circuit that has a leak will be replaced by the appropriate cor- detect relation.
  • the correlation corresponds to the characteristic of the pressurization in one or more sections. This advantageously makes it possible to determine in which section or sections the leak is present.
  • each section of a water pipe wall through which cooling water flows has a separate pressure regulator or a unit assigned to the section, which can apply a pressure fluctuation to the pressure within the respective section.
  • valves are arranged within the water pipe walls between the sections. These enable different characteristics of pressurization even in connected sections or interconnected cooling circuits. Installing valves divides a cooling circuit into different sections or zones, which can then be checked separately for leaks.
  • the exhaust gas parameter measured in step b) is the gas velocity and/or the water content and/or the amount of water and/or the pressure of the exhaust gas and/or the temperature of the exhaust gas and/or carbon monoxide (CO) or carbon dioxide (CO 2 ) or methane (CH 4 ) or sulfur dioxide (SO 2 ).
  • CO carbon monoxide
  • CO 2 carbon dioxide
  • CH 4 methane
  • SO 2 sulfur dioxide
  • these exhaust gas parameters are influenced by leakage water and are therefore suitable as parameters for a correlation measurement.
  • one of the exhaust gas parameters evaluated is the water content and/or the amount of water, since these have a particularly strong correlation to incoming water. This is particularly advantageous for the signal-to-noise ratio.
  • a typical leak begins with approx. 1 - 2 liters of water per minute entering the furnace vessel.
  • 1 l of water creates a volume of approx. 7 m 3 of water vapor under normal pressure.
  • this results in a volume of approx. 420 m 3 of water vapor.
  • a maximum volume flow of 314 m 3 water vapor per second is calculated.
  • the actual volume flow is approx. 50% of the maximum value, i.e. approx. 157 m 3 water vapor per second or 565,000 m 3 water vapor per hour.
  • the volume flow of water vapor introduced by a leak of 1 liter of water per minute is therefore only 0.075% of the total volume flow of water vapor. If the Bernoulli equation is valid, the flow of incompressible fluids changes proportionally to the square root of the pressure. Doubling the pressure leads to an increase in the amount of water leakage by a factor of approx. 1.4, which for the example calculation means an increase in the volume flow of water vapor to approx. 595 m 3 water vapor per second or 0.105% of the total volume flow of water vapor results.
  • a further increased, i.e. improved, sensitivity of the method can be determined. It is not necessarily the change in the overall composition of the exhaust gases that needs to be measured, but only the relative change in the water.
  • the scrap batch can also produce a significantly larger proportion of water in a short period of time, but this quickly disappears again during the melting cycle.
  • water entry from such a batch of scrap is irrelevant for the correlation, since this water entry has no connection with the pressure fluctuation in the cooling water.
  • the direct detection of the amount of water at the exhaust gas outlet improves the possibilities of leak detection compared to measuring the throughput of the entire amount of exhaust gas at the exhaust gas outlet due to the improved signal-to-noise ratio. This allows the required pressure fluctuation to be reduced, which minimizes the mechanical stress on the components.
  • the cooling water is typically fed into the cooling water circuit at approx. 25 - 35 °C and therefore experiences a temperature increase of approx. 15 °C at a nominal throughput. Since an increase in pressure puts more stress on the components in the long term, but a decrease in pressure leads to an increase in the water outlet temperature, a small fluctuation around a suitable water pressure is desirable. Since with a fluctuation of only 10% of the pressure, a change in the water output of just under 5% can be expected, an optimized evaluation is necessary.
  • the pressure fluctuation is irregular, so the pressure fluctuation applied in step a) follows a predetermined, irregular pattern.
  • the cooling water is subjected to step a) with a predetermined, irregular sequence of pressure deviations.
  • a non-periodic pressure fluctuation also repeats itself after a certain unit of time.
  • the time unit after which such a pressure fluctuation is repeated is preferably longer than half an hour.
  • the measuring cycles do not necessarily have to be particularly short in order to reduce the risk. It should be noted that an accident due to explosive evaporation processes within the furnace vessel does not necessarily occur with every melting cycle. A water leak can go undetected for a long time and grow larger, increasing the amount of water entering the furnace vessel. However, if a collection of water can form in the lower region of the furnace vessel due to a corresponding arrangement of scrap or other batch-related changing geometries in the furnace vessel, this can lead to a spontaneous explosion.
  • the time constants must be chosen so that the relative slope of the actual change in water quantity can still be reliably recognized with a correlation.
  • the signals for changing the water pressure can range from several tens of seconds to a few minutes. Several signal trains from various melting processes can be combined into a correlatable signal train.
  • An advantageous variant of the method provides that filtering in the frequency spectrum takes place in adaptation to the pressure fluctuation in the water pressure according to step a), whereby the signal of the exhaust gas measuring device is adapted. This advantageously improves the signal-to-noise ratio.
  • the cooling water is preferably passed through the cooling pipes at a pressure of 6 bar.
  • a pressure fluctuation by means of the pressure regulator according to step a) provides a variation of the pressure by +2 bar upwards and -2 bar downwards.
  • a suitable pressure fluctuation is preferably in a range of 10% to 50% of the pressure around which the fluctuation occurs, i.e. generally the average value.
  • a pressure fluctuation or preferably an irregular sequence of pressure deviations to the cooling water is achieved by means of of a pressure regulator described herein, which is also referred to as a pressure control device.
  • a possible embodiment of the method provides that the correlation according to step c) is a cross-correlation.
  • the cross-correlation then found the time pattern of the water pressure change in the exhaust gas signal, i.e. in the signal from the exhaust gas measuring device.
  • cross-correlation has the advantage that a useful signal can be obtained even from a heavily disturbed or noisy signal. What is relevant here is the use of a sufficient time length of the signal, where the signal contains enough statistical information.
  • small water leaks are leaks with a water outlet of 1 to 10 liters per minute or 1 to 5 liters per minute or 1 to 2 liters per minute.
  • the method according to the invention can preferably be used to detect a leak which amounts to at least 3 liters per minute, preferably 1 liter per minute.
  • the measurement according to step b) is carried out using spectroscopy.
  • spectroscopy is a measurement method that uses optical principles by considering the individual wavelengths of the evaluated signal.
  • a laser-based emission measurement or a laser-based absorption measurement is preferably used.
  • the exhaust gas composition of the exhaust gases can be determined by measuring emission or absorption spectra in specific wavelength ranges.
  • Such an optical measuring system is preferably arranged in or on the exhaust pipe.
  • Online systems or extractive systems can preferably be used, which generate a partial flow of the exhaust gas suction through a water-cooled lance.
  • Optical measuring systems are advantageously suitable for enabling a time-resolved analysis of the exhaust gas composition. The amount of water at the exhaust gas outlet can therefore advantageously be measured directly.
  • An advantageous embodiment of the method provides that the metallurgical melting furnace is designed as an electric arc furnace with electrodes as a heating device.
  • a further aspect of the invention relates to a device for carrying out the method according to the invention, comprising a metallurgical melting furnace, which is preferably designed as an arc furnace, an exhaust gas measuring device for measuring at least one exhaust gas parameter according to step b), a pressure regulator for applying a pressure fluctuation to the pressure of the cooling water Step a) and an evaluation device connected to the pressure regulator in terms of data technology for carrying out the correlation according to step c).
  • a metallurgical melting furnace which is preferably designed as an arc furnace
  • an exhaust gas measuring device for measuring at least one exhaust gas parameter according to step b
  • a pressure regulator for applying a pressure fluctuation to the pressure of the cooling water Step a
  • an evaluation device connected to the pressure regulator in terms of data technology for carrying out the correlation according to step c).
  • the metallurgical melting furnace has a furnace vessel, the walls of which at least partially consist of water pipe walls through which cooling water flows, and an exhaust gas outlet.
  • the exhaust gas measuring device is arranged after the exhaust gas outlet in the exhaust gas flow direction and is connected to the evaluation device in terms of data technology.
  • the metallurgical melting furnace is preferably designed as an electric arc furnace with electrodes as a heating device.
  • the metallurgical melting furnace preferably has a lid, particularly preferably a pivoting lid.
  • a pressure regulator is a device which can control and/or regulate the pressure of the cooling medium through the water pipe walls.
  • a pressure regulator On a main line, a pressure regulator usually has a controllable and/or adjustable main pump for conveying the cooling water through the water pipes of the water pipe walls. A change in pressure can occur after a possible This variant can be done by controlling and/or regulating the main pump.
  • the main pump is preferably designed and arranged in such a way that activating the pump leads directly to a change in pressure of the coolant and thus directly to the cooling water being subjected to a pressure fluctuation. A pattern of pressure fluctuation is thus achieved by changing or adjusting the delivery rate of the main pump. This is a simple variant of applying a pressure fluctuation that does not require the installation of any additional components.
  • a pressure regulator provides that the pressure regulator is designed as a pressure control device which, in addition to a main pump on a main cooling water line, has an auxiliary line connected to the cooling circuit, in particular to the water pipe walls, for the flow of part of the cooling water in the manner of a bypass. At least one, optionally several controllable and/or regulatable valves are provided on the auxiliary line, which vary the flow through the auxiliary line and thus also the flow through the main line. This influences the pressure in the main cooling line and can create a pressure fluctuation in the cooling water. Generating the pressure fluctuation by varying a volume flow in an auxiliary line advantageously means that the main pump has to implement less frequent and less severe pressure changes. This advantageously protects the main pump from premature wear.
  • a possible embodiment of a pressure regulator provides that the pressure regulator is designed as a pressure control device, with a change in the volume in the cooling water circuit generating the pressure fluctuation.
  • a piston is preferably arranged movably in the manner of a stamp on a volume change region of the water pipe walls in such a way that a movement of the piston varies the volume and thus the pressure within the water pipe walls.
  • it is advantageous to avoid generating pressure fluctuations through the main pump, so that it is protected from wear.
  • the pressure regulator has an auxiliary pump in addition to a main pump for generating a cooling water flow.
  • the auxiliary pump is designed to be controllable and/or regulated in such a way that an additional volume flow is generated and the pressure fluctuation can therefore be generated by the auxiliary pump.
  • the auxiliary pump is preferably dimensioned smaller than the main pump.
  • the auxiliary pump preferably has a pumping capacity of 5% to 20% of the main pump.
  • a smaller auxiliary pump can be controlled more quickly and precisely, which improves the efficiency of the process.
  • the pressure regulator is preferably designed as a pressure control device which, in addition to a main pump on a main cooling water line, has an auxiliary line connected to the cooling circuit for the flow of part of the cooling water in the manner of a bypass, on which an auxiliary pump controls the flow of cooling water flowing through the auxiliary line and/or regulates.
  • Generating the pressure fluctuation by an auxiliary pump advantageously leads to a greater steepness of the pressure deviations compared to pressure deviations that can be generated by the main pump, and also leads to the generally larger-sized main pump being used less frequently and less powerfully for the larger part of the cooling water flow Must realize pressure changes. This advantageously protects the main pump from premature wear.
  • the auxiliary line is preferably dimensioned such that a flow of 5% to 20% of the cooling water is generated through this bypass.
  • an auxiliary pump is arranged directly on the main cooling water line, so that an additional volume flow is generated by the auxiliary pump and the main pump can be protected from wear caused by frequent pressure changes.
  • the water pipe walls through which cooling water flows consist of at least two sections, which can be subjected to different pressure fluctuations by means of several pressure regulators. Valves can be arranged between the sections.
  • a water leak in a cooling pipe or water pipe of a furnace vessel is detected by combining and correlating a time-resolved measurement of an exhaust gas parameter, such as the amount of water, at the exhaust gas outlet and a controlled pressure fluctuation, i.e. a variation of the pressure, of the cooling circuit.
  • the variation of the water pressure results in the case a leak leads to a variation in the amount of water emerging into the furnace vessel, which is correlated over time with the variation in the pressure of the cooling circuit.
  • an evaluation device can determine a connection based on a water leak.
  • An advantageous embodiment provides for different cooling circuits onto which different pressure patterns can be impressed. In addition to detecting the leak, this also makes it possible to determine in which section, i.e. in which cooling circuit, it occurs. This allows the position of the leak to be advantageously limited and thus determined more efficiently.
  • Fig. 1 a metallurgical melting furnace
  • Fig. 2 a pressure fluctuation with an irregular pattern.
  • a metallurgical melting furnace 1 for melting metal which has a furnace vessel 2 with a molten metal 3 and a pivotable lid 4.
  • a furnace vessel 2 with a molten metal 3 and a pivotable lid 4.
  • water pipe walls 5 through which water flows, i.e. walls through which water pipes 6 are traversed, are arranged.
  • the water pipes 6 of the water pipe walls 5 ensure water cooling due to the cooling water 7 flowing through the water pipes 6. This protects the furnace vessel 2 from damage caused by the high temperatures of the molten metal 3.
  • the electrodes 7 projecting into the furnace vessel 2 are preferably designed to be supplied with three-phase alternating current.
  • the electrodes 7 generate arcs 10, the heat of which is used to melt the metal in the furnace vessel 2.
  • a gas burner 11 and an oxygen supply element 12 designed as an oxygen lance 12 are also arranged on the furnace vessel 2.
  • the exhaust gases resulting from the combustion and melting processes within the furnace vessel 2 are passed through an exhaust gas outlet 13 into an exhaust pipe 14.
  • This exhaust pipe 14, which adjoins the exhaust gas outlet 13, is used to determine the exhaust gas parameters and to monitor the resulting exhaust emissions.
  • an exhaust gas measuring device 15 which is designed to measure one or more exhaust gas parameters.
  • the exhaust gas flows through the exhaust gas outlet 13, passes through an air supply opening 14, which is designed here as an air supply ring 16, and then flows past at least one exhaust gas measuring device 15.
  • the exhaust gas measuring device 15 is arranged in front of the air supply opening 16 in the exhaust gas flow direction R.
  • arranging the exhaust gas measuring devices 15 after the air supply opening 16 has constructive advantages, since this area of the exhaust pipe 14 can be thermally separated from the furnace vessel 2. This results in a reduction in the thermal loads on the exhaust gas measuring device 15.
  • a cooler 17 for cooling the exhaust gas flow and a filter 18 for separating solid particles from the exhaust gas are arranged on the exhaust pipe 14 after the air supply device.
  • the exhaust gas is subsequently passed through the suction draft 19 and into the chimney 20.
  • the cooling water 7 flowing into the water pipes 6 of the water pipe walls 5 is subjected to a pressure fluctuation, in particular a sequence of pressure deviations, by means of a pressure regulator 21.
  • the pressure fluctuation of the cooling water 7, in particular the course of the pressure fluctuation or the pattern of the sequence of pressure deviations of the cooling water 7, is compared with the course of an exhaust gas parameter measured at the exhaust gas measuring device 15.
  • the signal of the exhaust gas parameters is forwarded to an evaluation device 23 by means of a data cable 22.
  • the course of the pressure fluctuation of the cooling water 7 is also forwarded from the pressure controller 21 to the evaluation device 23 via a data cable 22.
  • the evaluation device 23 determines the correlation of the pressure fluctuation, i.e. the sequence of predetermined pressure deviations, also referred to as the course of the pressure, of the cooling water 7 with the course of the exhaust gas parameter measured at the exhaust gas measuring device 15, whereby relationships are recognized and reliable leak detection is possible.
  • FIG. 2 shows a course of a pressure 24 which is subjected to a pressure fluctuation with an irregular pattern.
  • the pressure fluctuation is formed by several successive pressure deviations 25, i.e. deviations from an average pressure 26.
  • the course of the print 24 thus receives a specific pattern.
  • Each pressure deviation 25 has a deviation value 25 and a temporal duration 28, also referred to as duration 28.
  • a random generator an irregular sequence can be realized in which a value generated by the random generator is between a minimum 29 and a maximum 30, for example between a minimum and a maximum deviation value and/or a value generated by the random generator is between a minimum and a maximum time duration, the sequence of pressure deviations 25 is determined. Certain smallest units can also be defined for this, so that, for example, 8 or 10 values are randomly selected.
  • the pressure deviations 25 shown here are not at a distance from one another. However, it is also possible to provide distances between the pressure deviations 25 without changing the mean value, i.e. the mean pressure 26. These distances can also be varied. According to a simple embodiment of the method, only the distances between the pressure deviations 25 can be varied.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zu Detektion einer Wasserleckage in einem metallurgischen Schmelzofen. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Dabei wird eine Wasserleckage in einem Kühlrohr oder Wasserrohr eines Ofengefäßes dadurch detektiert, dass eine zeitaufgelöste Messung einer Abgaskenngröße, wie der Wassermenge, am Abgasauslass sowie eine geregelte Druckschwankung, also eine Variation des Druckes, des Kühlkreislaufes miteinander kombiniert und korreliert wird. Die Variation des Wasserdruckes führt im Falle einer Leckage zu einer Variation der Austrittsmenge des Wassers in das Ofengefäß, welche zeitlich zur Variation des Druckes des Kühlkreislaufes korreliert ist. Mittels einer Bestimmung der Korrelation dieser Signale kann eine Auswerteeinrichtung einen auf einer Wasserleckage basierenden Zusammenhang ermitteln.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Detektion einer Wasserleckage in einem metallurgischen Schmelzofen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion einer Wasserleckage in einem metallurgischen Schmelzofen, welcher ein Ofengefäß aufweist, dessen Wandungen wenigstens teilweise aus mit Kühlwasser durchflossenen Wasserrohrwänden bestehen, sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
In einem metallurgischen Schmelzofen, wie beispielsweise einem Lichtbogenofen, werden Metalle eingeschmolzen und nachfolgend vergossen. Dafür werden im Inneren eines solchen metallurgischen Schmelzofens besonders hohe Temperaturen benötigt, sodass die Materialien innerhalb des Ofengefäßes Temperaturen von bis zu 3500 °C standhaften müssen. Derartige Temperaturen stellen eine besondere Herausforderung für die verwendeten Anlagen dar.
Die einzelnen Bestandteile eines metallurgischen Schmelzofens, welche mit dem flüssigen Metall sowie mit den heißen Abgasen in Berührung kommen, sind daher entweder aus Feuerfestmaterial oder aus wassergekühlten Bauteilen gefertigt. Einige Teile des metallurgischen Schmelzofens, insbesondere das Ofengefäß, bestehen wenigstens abschnittsweise aus Wasserrohrwänden, in welchen Wasserrohre verlaufen, durch die während des Betriebes Kühlwasser fließt. Das reduziert die Gefahr einer Beschädigung oder Zerstörung der Wände des Ofengefäßes durch das geschmolzene Metall und die heißen Abgase.
Ein solcher metallurgischer Schmelzofen, welcher Wasserrohrwände aufweist, ist in EP 2 601 469 B1 beschrieben. Die Wasserrohrwände sind in Form von fluidge- kühlten Tafeln oder Paneelen ausgebildet und eignen sich besonders für Anwendungen in metallurgischen Öfen, insbesondere in Elektrolichtbogenöfen für die Stahlherstellung. Es ist allerdings ein häufiges Problem, dass die starken, auf die Wasserrohrwände einwirkenden thermischen Belastungen, insbesondere aufgrund der großen Temperaturunterschiede, zu Leckagen in den Wasserrohrwänden führen. Daraus resultiert ein Einströmen von Wasser in den metallurgischen Schmelzofen.
Grundsätzlich entsteht im metallurgischen Schmelzofen Wasser auch durch Verbrennungsprozesse innerhalb des Ofengefäßes, so beispielsweise durch eine Verbrennung von zugegebenem Erdgas oder Wasserstoff. Des Weiteren wird am Anfang des Schmelzzyklus Wasser durch die in das Ofengefäß eingefügten metallischen Bauteile eingetragen. Ein weiterer Wasseranteil stammt von senkrecht fixierten Graphitelektroden, an denen zur Kühlung Wasser hinunter in das Ofengefäß läuft. Das im Ofengefäß vorhandene Wasser verdampft und wird über die Abgaseinrichtungen abgeführt. Selbst im Fall einer Leckage stammt jedoch der Großteil des im Abgas vorhandenen Wassers aus den vorgenannten Quellen.
Problematisch ist bei dem zusätzlich über Wasserleckagen in das Ofengefäß eindringenden Wasser, dass es unbestimmt und lokal an einer Stelle eintritt, sodass sich das eindringende Wasser an bestimmten Stellen ansammeln kann. Das resultiert daraus, dass die zu schmelzenden metallischen Bauteile, wie beispielsweise Schrott, in der Regel unregelmäßig aufgebaut sind und zahlreiche taschenförmige Hohlräume aufweisen können, in denen das Wasser wenigstens teilweise verbleibt und dadurch nicht vollständig verdampft. Das sich an bestimmten Stellen in flüssiger Form angesammelte Wasser kann im Zeitverlauf zu einer beständig größer werdenden Wasserblase anwachsen. Wenn es im weiteren Verlauf des Schmelzzyklus des aus Metall bestehenden Schrotts durch fortschreitende Erhitzung zu einer Berührung von sehr heißem, flüssigem Metall mit einer solchen Wasserblase kommt, besteht die Gefahr einer explosionsartigen Verdampfung. Daraus können schwere Beschädigungen des metallurgischen Schmelzofens oder sogar dessen Zerstörung resultieren. Darüber hinaus stellen aus dem metallurgischen Schmelzofen austretende, eventuell herumspritzende Metallmassen eine große Gefährdung für die in der Umgebung des metallurgischen Schmelzofens Arbeitenden dar.
Es gibt verschiedene Ansätze, um eine solche Wasserleckage zu detektieren, wobei diese Ansätze bisher mit längerfristigen Ofenbilanzen gerechnet werden. So ist in der DE 10 2009 051 931 A1 ein Verfahren zur Früherkennung von Leckagen in einer Kühlvorrichtung zum Kühlen einer technischen Anlage, insbesondere einer Stranggießanlage, beschrieben. Dabei werden ein steuerbares einlaufseitiges sowie ein steuerbares ablaufseitiges Ventil ferngesteuert bedient und die Abweichungen von erwartbaren Drücken werden ermittelt. Dabei kann der Druckverlauf auch über die Zeit auf Veränderungen untersucht werden. Aufgrund des hohen Prozessrauschens können derartige Betrachtungen jedoch nicht als zuverlässiger Indikator verwendet werden, da der dispersive Effekt des gesamten Vorgangs, insbesondere der Eintrag in den Schmelzofen, die Verdampfung im Prozess und auch der Austrag durch den Abgaskanal, zu unbestimmt und von einer Reihe von Faktoren abhängig ist. Dabei ist das Prozessrauschen die durch stochastische Schwankungen und Quereffekte verursachte Beeinflussung von Prozessgrößen, wie beispielsweise Durchfluss, Druck, Temperatur oder Wassergehalt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass man die jeweiligen Größen in komplexen verfahrenstechnischen Prozessen nie isoliert messen kann, da sie meist von anderweitig auftretenden Abläufen beeinflusst werden. So wird der Wassereintrag in das Abgas beispielsweise von diversen Quellen gespeist, die sich zeitlich und örtlich nicht klar bestimmen lassen und sich im gemessenen Signal überlagern. So führt das Ein- und Ausschalten eines Brenners sowie das spontane Verdampfen des Wassers in einer Schrottcharge regelmäßig zu einem sprunghaften Anstieg oder Wechsel des Wasseranteils im Abgas.
Im Gegensatz dazu ist der Wassereintrag aus einer Leckage ein schleichend einsetzender, gleichförmiger Prozess, welcher zu einem vergleichsweise geringen Wassereintrag führt. Das durch eine Leckage eingetragene Wasser führt zu einem konstanten Hintergrund an Wasserdampf im durch den Abgasauslass ausströmenden Abgas, was eine eindeutige Erkennung einer Wasserleckage mit Verfahren aus dem Stand der Technik schwierig bis unmöglich gestaltet. Dieses Hintergrundsignal des durch die Leckage eingetragenen Wassers vergrößert sich nur sehr langsam, teils über Wochen. Es sind sehr genau Material- und Ofenbilanzen nötig, um einen solchen Wasseranteil sicher detektieren zu können. Selbst der Einsatz neuronaler Netze zur Auswertung der Signalverläufe hat sich bisher als sehr schwierig erwiesen, da ein solches Netz nicht in einem realen Ofen trainiert werden kann, da dies zu gefährlich wäre.
Auch die Bilanzierung der Kühlwasserkreisläufe, bei denen untersucht wird, welche Wassermenge pro Zeiteinheit in die Wasserkühlung ein- und wieder austritt, führt nicht zu zuverlässigen Ergebnissen. Eine Wasserleckage, durch welche beispielsweise 3 m3 Wasser pro Stunde in das Ofengefäß entweicht, ist zu gering, um bei einem Gesamtdurchfluss von ca. 900 m3 pro Stunde zuverlässig detektierbar zu sein. Außerdem können Wasserleckagen auch außerhalb des Ofens an zahlreichen weiteren Stellen auftreten. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine einfache sowie kostengünstige Möglichkeit zur Verfügung zu stellen, um Wasserleckagen in einem metallurgischen Schmelzofen trotz eines hohen Prozessrauschens zuverlässig zu detektie- ren.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß der selbstständigen Patentansprüche 1 und 8 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird insbesondere durch ein Verfahren zur Detektion einer Wasserleckage in einem metallurgischen Schmelzofen gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren läuft mittels eines metallurgischen Schmelzofens, einer Abgasmesseinrichtung zur Messung wenigstens einer Abgaskenngröße, eines Druckreglers sowie einer Auswerteeinrichtung ab.
Der metallurgische Schmelzofen weist dabei ein Ofengefäß, dessen Wandungen wenigstens teilweise aus mit Kühlwasser durchflossenen Wasserrohrwänden bestehen, einen Deckel und einen Abgasauslass auf.
Die Abgasmesseinrichtung ist in Abgasströmungsrichtung nach dem Abgasauslass angeordnet und ist datentechnisch mit der Auswerteeinrichtung verbunden. Je nach exakter Anordnung der Abgasmesseinrichtung werden detektierte Leckagen auf unterschiedliche Bereiche festgelegt. Nach einer vorteilhaften Variante ist die Abgasmesseinrichtung nah hinter dem Abgasauslass angeordnet, wodurch vorteilhaft vermieden werden kann, dass weitere Wasserquellen einen Beitrag leisten. Ein weiterer Vorteil einer solchen Anordnung ist, dass Leckagen, welche erst nach dem Ofengefäß, also im Abgasrohr, auftreten, keinen Beitrag leisten. Da eine Leckage gerade in den Wasserrohrwänden des Ofengefäßes ein erhöhtes Gefährdungspotenzial besitzt, ist es vorteilhaft, wenn klar ist, ob es sich wirklich um eine Leckage im Ofengefäß handelt. Eine Leckage im Abgaskanal ist hingegen in Bezug auf ihr Gefährdungspotenzial unbedenklich.
Ferner ist die Auswerteeinrichtung auch mit dem Druckregler datentechnisch verbunden. Der Druckregler kann den Druck des Kühlwassers in den Wasserrohrwänden einstellen und regeln. Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte: a) Beaufschlagen des Kühlwassers mit einer Druckschwankung, wobei eine Druckschwankung eine Folge von zeitlich begrenzten Druckabweichungen von einem mittleren Druck ist, mittels des Druckreglers; b) Messen des Verlaufs einer Abgaskenngröße, also Ermittlung der Messwerte im zeitlichen Verlauf, mittels der Abgasmesseinrichtung; c) Ermittlung der Korrelation des Verlaufs der Druckschwankung des Kühlwassers mit dem Verlauf der Abgaskenngröße durch die Auswerteeinrichtung. Dafür wird eine Korrelationsfunktion genutzt; d) Ausgabe der Korrelation durch die Auswerteeinrichtung.
Das Ergebnis der Korrelation kann nach jedem Auswertezyklus innerhalb der Auswerteeinrichtung verarbeitet werden, sodass lediglich bei Eintreffen bestimmter Voraussetzungen ein Signal ausgegeben wird, oder die Korrelation wird nach jedem Auswertezyklus ausgegeben.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet Kühlwasser ein Fluid, welches geeignet ist, zum Kühlen einer technischen Anlage in einer Kühlvorrichtung verwendet zu werden. Insbesondere kann es sich dabei um Wasser handeln. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei auch mit anderen Fluiden, insbesondere mit anderen Kühlflüssigkeiten, durchgeführt werden.
Bevorzugt liefert die Auswerteeinrichtung beim Vorliegen vorher bestimmter Kriterien ein Ausgabesignal, beispielsweise ein Warnsignal.
Bevorzugt wird zur Ermittlung der Korrelation gemäß Schritt c) der Verlauf der Druckschwankung an die Auswerteeinrichtung weitergeleitet oder in die Auswerteeinrichtung eingegeben. Des Weiteren erfolgt eine Weiterleitung des Ergebnisses der Messung gemäß Schritt b) an die Auswerteeinrichtung.
Der Verlauf eines Parameters ist im Sinne der Erfindung eine Reihe von Werten dieses Parameters, welche nacheinander bestimmt wurden. Es wird also die zeitliche Entwicklung dieses Parameters dargestellt.
Das Beaufschlagen des Kühlwassers mit einer Druckschwankung ist im Sinne der Erfindung ein Erzeugen einer Druckfluktuation, insbesondere das Erzeugen einer Folge von vorbestimmten, zeitlich begrenzten Druckabweichungen, also einer Fol- ge von vorbestimmten, zeitlich begrenzten Erhöhungen und/oder Absenkungen des Druckes, insbesondere des Nenndrucks, des Kühlwassers, wobei der Druck nach oben und/oder nach unten von einem mittleren Druck abweichen kann. Der Druck ist dabei der Druck des Kühlwassers bzw. der Kühlflüssigkeit in den Kühlwasserrohren der Wasserrohrwände.
Eine Druckschwankung bezeichnet also im Sinne der Erfindung eine Folge von zeitlich begrenzten Druckabweichungen von einem mittleren Druck. Es folgen dabei mehrere aufeinanderfolgende Druckabweichungen einem gewissen vorbestimmten Muster.
Dabei weist eine solche Druckabweichung eine gewisse zeitliche Dauer und einen gewissen Abweichungswert, also eine Amplitude und eine Abweichungsrichtung, auf. Der Abweichungswert bezeichnet in diesem Sinne die Höhe der Abweichung von einem mittleren Druck, wobei ein Abweichungswert sowohl positiv als auch negativ sein kann. Ferner können die Druckabweichungen auch einen gewissen zeitlichen Abstand zueinander haben.
Bei einem Leck führt eine Erhöhung oder eine Absenkung des Druckes des Kühlwassers zu einer Erhöhung oder Absenkung der durch das Leck in den Ofen eindringenden Menge des Kühlwassers, also der Leckagemenge. Damit entsteht ein Abbild des dem Kühlwasser aufgeprägten Musters der vorbestimmten Druckschwankung, also der Folge von vorbestimmten Druckabweichungen, auch im Abgas in Form einer Änderung wenigstens einer Abgaskenngröße, wie beispielsweise der Wasserkonzentration. Diese Änderung der Abgaskenngröße erfolgt dabei entsprechend der vorbestimmten Druckschwankung. Über eine Korrelation zwischen der vorbestimmten Druckschwankung im Kühlwasser und den Schwankungen der Werte der Abgaskenngröße kann dabei bestimmt werden, ob eine Leck im Kühlsystem vorliegt.
Um eine Druckschwankung, also eine Folge von Druckabweichungen, zu erhalten, welche vorzugsweise gut für eine Korrelation genutzt werden kann, wird von einer Druckschwankung zur darauffolgenden wenigstens ein Druckabweichungsparameter, ausgewählt aus Dauer, Abweichungswert und Abstand, angepasst. Es wird bei einer Folge von Druckabweichungen, also bei einer Druckschwankung, somit die Dauer und/oder der Abweichungswert und/oder der Abstand der Druckabweichung variiert.
Bei einer Folge von Druckschwankungen können dabei entweder nur ein Druckabweichungsparameter, beispielsweise nur der Abweichungswert oder nur die Dauer der Druckabweichungen, oder wenigstens zwei der Druckabweichungsparameter, beispielsweise die Dauer und der Abweichungswert, variiert werden. Es entsteht dabei ein charakteristisches Muster, welches über eine Korrelation in wenigstens einem der Abgaskenngröße gesucht wird. Da die Rohrleitungen auch zu einem Druckverlust führen, ist die Dauer, auch als zeitliche Dauer bezeichnet, ein wichtiges Kriterium für die Korrelation und die Auswertung.
Die Folge der Druckabweichungsparameter wird nach einer vorteilhaften Ausführung mit einem Zufallsgenerator, auch als Zufallszahlengenerator bezeichenbar, ermittelt. Dabei kann unter Verwendung eines Zufallsgenerators eine unregelmäßige Folge von Druckabweichungen, also auch eine unregelmäßige Druckschwankung, realisiert werden. Es wird dabei durch einen durch den Zufallsgenerator erzeugten Wert zwischen einem minimalen und einem maximalen Druckabweichungsparameter, beispielsweise ein durch den Zufallsgenerator erzeugter Wert zwischen einer minimalen und einer maximalen zeitlichen Dauer, die Folge von Druckabweichungen bestimmt.
Es können dafür auch gewisse kleinste Einheiten definiert werden, sodass zufällig aus beispielsweise 3, 5, 8 oder 10 Werten für einen Druckabweichungsparameter ausgewählt wird. Dabei kann ein deterministischer Zufallszahlengenerator verwendet werden.
Alternativ kann ein nichtdeterministischer oder ein hybrider Zufallszahlengenerator verwendet werden.
Ein Zusammenfallen von unregelmäßigen Änderungen einer der Abgaskenngrößen mit anderen Effekten, wie es beispielsweise bei periodischen Druckschwankungen häufiger vorkommt, kann so verhindert oder die Wahrscheinlichkeit wenigstens stark reduziert werden.
Beispielsweise kann mittels eines Programms eine Folge von 1 -Sekundenimpulsen mit variierendem Abweichungswert generiert werden. Die Anzahl der Im- pulse, die jeweils den gleichen Abweichungswert haben, werden durch eine zufällig generierte Zahl zwischen einer minimalen Dauer und einer maximalen Dauer festgelegt, während der Abweichungswert selbst durch eine zufällig generierte Zahl zwischen einem minimalen Abweichungswert und einem maximalen Abweichungswert festgelegt wird. Eine zusätzliche Änderung der Amplitude bis zum Maximalwert ist möglich.
Die Druckschwankung kann nach einer möglichen Ausführung kontinuierlich erzeugt werden, wobei vorteilhaft zu jeder Zeit Leckagen ermittelt werden können.
Optional werden gewisse Zeiträume von beispielsweise 1800 s vorgegeben, welche dann einer Korrelation zugeführt werden. Vorzugsweise wiederholen sich die Muster nicht nach diesem Zeitraum, sondern es wird ein neues Muster erzeugt, mit welchem dann eine weitere Korrelation durchgeführt wird. So kann vorteilhaft in einem zweistufigen Verfahren ein positives Ergebnis verifiziert oder widerlegt werden. Dies verbessert die Zuverlässigkeit des Verfahrens.
Eine Abgaskenngröße ist ein Parameter des Abgases, beispielsweise der Anteil oder die Menge von im Abgas enthaltenem Wasser oder der Druck des Abgases oder die Temperatur des Abgases. Das charakteristische Muster aufgrund der Druckbeaufschlagung kann vorteilhaft in unterschiedlichen Parametern oder Prozessgrößen abgelesen werden. Somit können vorteilhaft unterschiedliche Abgaskenngrößen für die Korrelationsmessung verwendet werden und als sicherer Indikator für die Leckage dienen.
Unter einer Korrelation wird im Sinne der Erfindung eine Beziehung zwischen zwei Signalfolgen, hier also der Verlauf der Abgaskenngröße und der Druckschwankung über die Zeit, verstanden. Wenn ein Zusammenhang der Verläufe erkennbar ist und folglich ein Zusammenhang zwischen den Verläufen besteht, so kann dies an der Korrelation abgelesen werden. Wenn man bestimmte Werte und Grenzen in Abhängigkeit von der gewählten Auswertemethode und Korrelationsfunktion festlegt, so kann nach dem Ergebnis der Korrelation entschieden werden, ob eine Leckage vorliegt. Da dies ein statistischer Prozess ist, können die Grenzen je nach gewünschter und notwendiger Wahrscheinlichkeit von korrekten oder fehlerhaften Warnsignalen gewählt werden. Ein Vorteil dieser Methode ist, dass ein Signal auch dann ermittelt werden kann, wenn andere Möglichkeiten von Wassereinträgen in das Ofengefäß hinzukommen. Eine geringe korrelierte Schwankung der am Abgasauslass ermittelten Wassermenge aufgrund einer Leckage kann auch dann zuverlässig detektiert werden, wenn die Schwankung der Wassermenge aufgrund anderer Prozesse sehr groß ist.
Auch wenn die Wassermengen, welche durch die anderen Quellen in den Ofenprozess eingetragen werden, insbesondere in Verbindung mit deren zeitlicher Unbestimmtheit, dazu führen, dass das zu detektierende Signal sehr gering ist, so kann doch durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Auswertung gelingen. Vorteilhaft gelingt mittels der Korrelation der Druckschwankung des Kühlwassers in den Wasserrohrwänden mit den Messwerten der Wassermenge im Abgas eine sichere Detektion von Leckagen in den Wasserrohrwänden des Ofengefäßes.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass auch wenn sich ein Teil des durch eine Leckage in das Ofengefäß eintretenden Wassers an einer Stelle in flüssiger Form ansammelt, so wird immer auch ein Teil des Wassers verdampfen. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert darauf, dass der verdampfte Teil des Wassers, welcher durch den Abgasauslass ausströmt, das Signal der Abgasmesseinrichtung beeinflusst.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens sind innerhalb der Wasserrohrwände wenigstens zwei unterschiedliche Abschnitte mit Kühlwasser durchflossen, welche gemäß Schritt a) mit unterschiedlichen Druckschwankungen beaufschlagt werden und wobei eine Korrelation gemäß Schritt c) für jeden der Abschnitte durchgeführt wird. Die Druckschwankungen können dabei beispielsweise in der Frequenz und/oder in der Amplitude und/oder in dem Abweichungswert variiert werden.
Nach einer vorteilhaften Variante ist dabei für jeden Abschnitt eine Hilfsleitung vorgesehen, welche mit diesem Abschnitt verbunden ist. Die verschiedenen Abschnitte bilden bevorzugt unterschiedliche Kühlkreisläufe. Bei verschiedenen Kühlkreisläufen können in jedem Kreislauf unterschiedliche Druckverlaufsmuster aufgeprägt werden. Dies kann in den Kreisläufen sowohl zeitversetzt, also in zeitlicher Abfolge, als auch zeitgleich passieren. Wenn die Muster unterschiedlich sind, so wird man den Kreislauf, welcher eine Leckage aufweist, durch die entsprechende Kor- relation detektieren. Je nach Charakteristik der Abgaskenngröße und der dadurch ermittelten Korrelation entspricht die Korrelation der Charakteristik der Druckbeaufschlagung in einem oder in mehreren Abschnitten. Vorteilhaft kann dadurch festgestellt werden, in welchem Abschnitt oder in welchen Abschnitten die Leckage vorliegt.
Nach einer möglichen Ausgestaltung weist jeder Abschnitt einer mit Kühlwasser durchflossenen Wasserrohrwand einen separaten Druckregler oder eine dem Abschnitt zugeordnete Einheit, welche den Druck innerhalb des jeweiligen Abschnitts mit einer Druckschwankung beaufschlagen kann, auf.
Nach einer möglichen Ausgestaltung sind innerhalb der Wasserrohrwände zwischen den Abschnitten Ventile angeordnet. Diese ermöglichen unterschiedliche Charakteristiken einer Druckbeaufschlagung auch bei verbundenen Abschnitten oder miteinander verbundenen Kühlkreisläufen. Ein Einbau von Ventilen teilt einen Kühlkreislauf in unterschiedliche Abschnitte oder Zonen ein, welche dann getrennt voneinander auf Leckagen kontrolliert werden können. Bevorzugt ist die in Schritt b) gemessene Abgaskenngröße die Gasgeschwindigkeit und/oder der Wasseranteil und/oder die Wassermenge und/oder der Druck des Abgases und/oder die Temperatur des Abgases und/oder Kohlenstoffmonooxid (CO) oder Kohlenstoffdioxid (CO2) oder Methan (CH4) oder Schwefeldioxid (SO2). Diese Abgaskenngrößen werden durch Leckagewasser beeinflusst und eignen sich dadurch als Parameter für eine Korrelationsmessung. Bevorzugt ist eine der ausgewerteten Abgaskenngrößen dabei der Wasseranteil und/oder die Wassermenge, da diese eine besonders starke Korrelation zu eintretendem Wasser aufweisen. Das ist besonders für das Signal-Rausch-Verhältnis vorteilhaft.
Wenn andere Abgaskenngrößen allerdings aus anderen Gründen bereits ermittelt werden, so kann es geeignet und effizient sein, auch diese Abgaskenngrößen einer solchen Korrelation zu Grunde zu legen.
Optional werden mehrere Abgaskenngrößen gemessen, insbesondere wird deren Verlauf gemessen und mittels einer Korrelation überprüft. Das Signal-Rausch- Verhältnis kann somit weiter verbessert werden. Dadurch können vorteilhaft exaktere und auch zuverlässigere Ergebnisse erzielt werden. Bei der Variante des Verfahrens, bei dem die gemessene Abgaskenngröße die Gasgeschwindigkeit ist, zeigt folgendes Rechenbeispiel die Vorteile des Verfahrens.
Eine typische Leckage beginnt mit einem Eintritt von ca. 1 - 2 I Wasser pro Minute in das Ofengefäß. 1 I Wasser verursacht unter Normaldruck ein Volumen von ca. 7 m3 Wasserdampf. Wenn allerdings eine Temperatur von über 1000 °C vorliegt, so ergibt dies ein Volumen von ca. 420 m3 Wasserdampf. Bei einem Durchmesser des Auslasses von 4 m und einer maxi-malen Strömungsgeschwindigkeit von 25 m pro Sekunde errechnet sich ein maximaler Volumenstrom von 314 m3 Wasserdampf pro Sekunde. Abhängig vom Strömungsprofil im Auslass beträgt der tatsächliche Volumenstrom ca. 50 % des Maximalwertes, also ca. 157 m3 Wasserdampf pro Sekunde oder 565.000 m3 Wasserdampf pro Stunde. Der durch eine Leckage von 1 I Wasser pro Minute eingebrachte Volumenstrom an Wasserdampf beträgt somit lediglich 0,075 % des Gesamtvolumenstromes an Wasserdampf. Bei Gültigkeit der Bernoulli-Gleichung verändert sich der Durchfluss inkompressibler Flüssigkeiten proportional zur Quadratwurzel des Druckes. Eine Verdopplung des Druckes führt somit zu einer Vergrößerung der Leckagemenge an Wasser um einen Faktor von ca. 1 ,4, was für die Beispielrechnung eine Vergrößerung des Volumenstromes an Wasserdampf auf ca. 595 m3 Wasserdampf pro Sekunde bzw. 0,105 % des Gesamtvolumenstromes an Wasserdampf ergibt.
Aufgrund von typischem Prozessrauschen kann eine solche Änderung weder statistisch noch einmalig sicher erkannt werden. Unter Verwendung einer häufig korrelierten Wiederholung tritt sie jedoch deutlich zutage und kann als sicheres Maß einer Leckageerkennung dienen.
Für die Variante des Verfahrens, bei der direkt der Wasseranteil durch die Abgasmesseinrichtung gemessen wird, kann eine weiter erhöhte, also verbesserte, Sen- sitivität des Verfahrens festgestellt werden. Es muss dabei nicht zwingend die Änderung der Gesamtzusammensetzung der Abgase gemessen werden, sondern lediglich die relative Veränderung des Wassers.
Andere Prozesse, durch welche es zu einem Wassereintrag in das Ofengefäß kommt, sind beispielsweise der Gasbrenner oder die Wasserkühlung der Elektroden, deren Wasser an den Elektroden in das Ofengefäß läuft und dort unmittelbar verdampft. Dies führt zu einem Eintrag von Wasser von ca. 100 l/min. Außerdem werden durch den Brenner bis zu 2000 m3/h an Methan in das Ofengefäß eingetragen.
Auch durch die Schrottcharge kann ein deutlich größerer Wasseranteil in einer kurzen Zeiteinheit auftreten, der innerhalb des Schmelzzyklus jedoch schnell wieder verschwindet. Ein Wassereintrag einer solchen Schrottcharge ist für die Korrelation jedoch unerheblich, da dieser Wassereintrag in keinem Zusammenhang mit der Druckschwankung im Kühlwasser steht.
Die direkte Detektion der Wassermenge am Abgasauslass verbessert die Möglichkeiten einer Leckagedetektion gegenüber einer Messung des Durchsatzes der gesamten Abgasmenge am Abgasauslass aufgrund des verbesserten Signal- Rausch-Verhältnisses. Dadurch kann die benötigte Druckschwankung reduziert werden, was die mechanische Belastung der Bauteile minimiert. Das Kühlwasser wird typischerweise bei ca. 25 - 35 °C in den Kühlwasserkreislauf eingespeist und erfährt somit bei einem nominellen Durchsatz eine Temperaturüberhöhung von ca. 15 °C. Da eine Erhöhung des Drucks die Bauteile langfristig mehr belastet, eine Verringerung des Drucks jedoch zu einem Anstieg der Wasseraustrittstemperatur führt, ist eine geringe Schwankung um einen geeigneten Wasserdruck wünschenswert. Da bei einer Schwankung von nur 10 % des Druckes lediglich eine Änderung des Wasseraustrittes von knapp 5 % zu erwarten ist, ist eine optimierte Auswertung notwendig.
Nach einer vorteilhaften Variante ist die Druckschwankung unregelmäßig, folgt also die gemäß Schritt a) beaufschlagte Druckschwankung einem vorbestimmten, unregelmäßigen Muster. Dabei erfolgt das Beaufschlagen des Kühlwassers gemäß Schritt a) mit einer vorbestimmten, unregelmäßigen Folge von Druckabweichungen. Vorteilhaft entsteht so am Abgasaustritt ein zeitlich markantes Signal, welches keine Periodizität aufweist und über einen längeren Zeitraum eine starke Signalentropie beinhaltet.
Eine nicht periodische Druckschwankung wiederholt sich ebenfalls nach einer bestimmten Zeiteinheit. Die Zeiteinheit, nach welcher eine solche Druckschwankung wiederholt wird, ist bevorzugt größer als eine halbe Stunde. Die Messzyklen müssen nicht zwingend besonders kurz gewählt werden, um die Gefährdung zu reduzieren. Dabei ist zu beachten, dass eine Havarie aufgrund von explosionsartigen Verdampfungsprozessen innerhalb des Ofengefäßes nicht zwangsläufig bei jedem Schmelzzyklus auftritt. Eine Wasserleckage kann lange unentdeckt bleiben und sich vergrößern, wodurch die in das Ofengefäß eintretende Wassermenge steigt. Wenn sich allerdings durch eine entsprechende Schrottanordnung oder andere chargenbedingt wechselnde Geometrien im Ofengefäß eine Wasseransammlung im unteren Bereich des Ofengefäßes bilden kann, so kann dies zu einer spontanen Explosion führen.
Die Zeitkonstanten müssen so gewählt werden, dass die relative Flankensteilheit der tatsächlichen Wassermengenänderung mit einer Korrelation noch sicher erkannt werden kann. Die Signale zur Änderung des Wasserdruckes können im Zeitbereich von mehreren 10 s bis hin zu einigen Minuten liegen. Mehrere Signalzüge aus diversen Schmelzvorgängen können so zu einem korrelierbaren Signalzug zusammengefasst werden.
Eine vorteilhafte Variante des Verfahrens sieht vor, dass eine Filterung im Frequenzspektrum in Anpassung an die Druckschwankung des Wasserdruckes gemäß Schritt a) erfolgt, wodurch das Signal der Abgasmesseinrichtung angepasst wird. Dadurch erfolgt vorteilhaft eine Verbesserung des Signal-Rausch- Verhältnisses.
Das Kühlwasser wird bevorzugt mit einem Druck von 6 bar durch die Kühlrohre geleitet. Vorzugsweise sieht eine Druckschwankung mittels des Druckreglers gemäß Schritt a) eine Variation des Druckes um +2 bar nach oben und -2 bar nach unten vor. Eine geeignete Druckschwankung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10 % bis 50 % des Druckes, um den die Schwankung erfolgt, also in der Regel des Mittelwertes.
Durch eine derartige Variation des Wasserdruckes würde im Falle einer Leckage die Austrittsmenge des Wassers je Zeiteinheit kontrolliert mit dem Wasserdruck leicht verändert.
Das Beaufschlagen des Kühlwassers mit einer Druckschwankung oder vorzugsweise mit einer unregelmäßigen Folge von Druckabweichungen wird dabei mittels eines hierin beschriebenen Druckreglers, welcher auch als Druckregelvorrichtung bezeichnet wird, umgesetzt.
Eine mögliche Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Korrelation gemäß Schritt c) eine Kreuzkorrelation ist. Für den Fall, dass sich ein klares Maximum der Kreuzkorrelation ergibt, kann davon ausgegangen werden, dass eine Wasserleckage vorhanden ist. Die Kreuzkorrelation hat dann das Zeitmuster der Wasserdruckveränderung im Abgassignal, also im Signal der Abgasmesseinrichtung, wiedergefunden.
Die Verwendung einer Kreuzkorrelation hat den Vorteil, dass dadurch auch aus einem stark gestörten oder verrauschten Signal ein Nutzsignal gewonnen werden kann. Relevant ist dabei die Verwendung einer ausreichenden zeitlichen Länge des Signals, bei der das Signal genügend statistische Informationen enthält.
Die sichere Herausbildung eines Maximums der Kreuzkorrelation ermöglicht eine sichere Detektion einer Wasserleckage. Störsignale durch andere Wassereinträge, welche einer anderen zeitlichen Dynamik unterliegen, werden durch eine Kreuzkorrelation so stark unterdrückt, dass eine Detektion selbst kleiner Wasserleckagen möglich ist. Kleine Wasserleckagen sind dabei im Sinne der Erfindung Leckagen mit einem Wasseraustritt von 1 - 10 Liter pro Minute oder 1 bis 5 Liter pro Minute oder 1 bis 2 Liter pro Minute. Bevorzugt kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Leckage erkannt werden, welche wenigstens 3 Liter pro Minute, bevorzugt 1 Liter pro Minute, beträgt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Messung gemäß Schritt b) mittels Spektroskopie. Spektroskopie ist im Sinne der Erfindung ein Messverfahren, welches optische Prinzipien unter Betrachtung der einzelnen Wellenlängen des ausgewerteten Signals nutzt. Dabei wird bevorzugt eine laserbasierte Emissionsmessung oder eine laserbasierte Absorptionsmessung eingesetzt.
Aufgrund der Verwendung von optischen Messsystemen, welche mittels Spektroskopie arbeiten, kann durch eine Messung von Emissions- oder Absorptionsspektren in spezifischen Wellenlängenbereichen eine Bestimmung der Abgaszusammensetzung der Abgase erfolgen. Ein solches optisches Messsystem ist bevorzugt im oder am Abgasrohr angeordnet. Dabei können bevorzugt Onlinesysteme oder auch extraktive Systeme verwendet werden, welche einen Teilstrom des Abgases durch eine wassergekühlte Lanze absaugen. Optische Messsysteme sind vorteilhaft geeignet, eine zeitauflösende Analyse der Abgaszusammensetzung zu ermöglichen. Vorteilhaft kann somit die Wassermenge am Abgasauslass direkt gemessen werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass der metallurgische Schmelzofen als Lichtbogenofen mit Elektroden als Heizeinrichtung ausgebildet ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, aufweisend einen metallurgischen Schmelzofen, welcher vorzugsweise als Lichtbogenofen ausgebildet ist, eine Abgasmesseinrichtung zur Messung wenigstens einer Abgaskenngröße gemäß Schritt b), einen Druckregler zur Beaufschlagung des Druckes des Kühlwassers mit einer Druckschwankung gemäß Schritt a) und eine mit dem Druckregler datentechnisch verbundene Auswerteeinrichtung zur Durchführung der Korrelation gemäß Schritt c).
Dabei weist der metallurgische Schmelzofen ein Ofengefäß, dessen Wandungen wenigstens teilweise aus mit Kühlwasser durchflossenen Wasserrohrwänden bestehen, und einen Abgasauslass auf. Die Abgasmesseinrichtung ist in Abgasströmungsrichtung nach dem Abgasauslass angeordnet und datentechnisch mit der Auswerteeinrichtung verbunden.
Vorzugsweise ist der metallurgische Schmelzofen als Lichtbogenofen mit Elektroden als Heizeinrichtung ausgebildet.
Bevorzugt weist der metallurgische Schmelzofen einen Deckel, besonders bevorzugt einen schwenkbaren Deckel, auf.
Das Beaufschlagen des Kühlwassers mit einer Druckschwankung oder vorzugsweise mit einer unregelmäßigen Folge von Druckabweichungen wird dabei mittels eines Druckreglers umgesetzt. Ein Druckregler ist dabei im Sinne der Erfindung eine Vorrichtung, welche den Druck des Kühlmediums durch die Wasserrohrwände steuern und/oder regeln kann.
An einer Hauptleitung weist ein Druckregler in der Regel eine steuer- und/oder regelbare Hauptpumpe zum Befördern des Kühlwassers durch die Wasserrohre der Wasserrohrwände auf. Eine Änderung des Druckes kann dabei nach einer mögli- chen Variante durch eine Steuerung und/oder Regelung der Hauptpumpe erfolgen. Die Hauptpumpe ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet und angeordnet, dass ein Ansteuern der Pumpe direkt zu einer Druckänderung des Kühlmittels und somit direkt zu einem Beaufschlagen des Kühlwassers mit einer Druckschwankung führt. Dabei wird ein Muster einer Druckschwankung somit durch eine Änderung bzw. Anpassung der Förderleistung der Hauptpumpe erreicht. Dies ist eine einfache Variante, die Beaufschlagung mit einer Druckschwankung umzusetzen, bei der keine zusätzlichen Komponenten installiert werden müssen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Druckreglers sieht vor, dass der Druckregler als Druckregelvorrichtung ausgebildet ist, welche zusätzlich zu einer Hauptpumpe an einer Hauptkühlwasserleitung eine mit dem Kühlkreislauf, insbesondere mit den Wasserrohrwänden, in Verbindung stehende Hilfsleitung zum Durchfluss eines Teils des Kühlwassers nach Art eines Bypasses aufweist. An der Hilfsleitung sind wenigstens ein, optional mehrere steuer- und/oder regelbare Ventile vorgesehen, welche den Durchfluss durch die Hilfsleitung und damit auch den Durchfluss durch die Hauptleitung variieren. Dadurch wird der Druck in der Hauptkühlleitung beeinflusst und es kann so eine Druckschwankung in dem Kühlwasser erzeugt werden. Ein Erzeugen der Druckschwankung durch das Variieren eines Volumenstromes in einer Hilfsleitung führt vorteilhaft dazu, dass die Hauptpumpe weniger häufig und weniger starke Druckänderungen realisieren muss. Vorteilhaft schützt dies die Hauptpumpe vor vorzeitigem Verschleiß.
Eine mögliche Ausgestaltung eines Druckreglers sieht vor, dass der Druckregler als Druckregelvorrichtung ausgebildet ist, wobei eine Änderung des Volumens im Kühlwasserkreislaufs die Druckschwankung erzeugt. Vorzugsweise ist dafür ein Kolben nach Art eines Stempels derart bewegbar an einem Volumenänderungsbe- reich der Wasserrohrwände angeordnet, dass eine Bewegung des Kolbens das Volumen und somit den Druck innerhalb der Wasserrohrwände variiert. Vorteilhaft kann auch hier auf ein Erzeugen der Druckschwankung durch die Hauptpumpe verzichtet werden, sodass diese vor Verschleiß geschützt ist.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Druckregler zusätzlich zu einer Hauptpumpe zum Erzeugen eines Kühlwasserstromes eine Hilfspumpe auf. Die Hilfspumpe ist dabei derart steuer- und/oder regelbar ausgebildet, dass ein zusätz- licher Volumenstrom generiert wird und somit die Druckschwankung durch die Hilfspumpe erzeugt werden kann. Vorzugsweise ist die Hilfspumpe dabei kleiner dimensioniert als die Hauptpumpe. Bevorzugt hat die Hilfspumpe eine Pumpleistung von 5 % bis 20 % der Hauptpumpe. Vorteilhaft kann eine kleinere Hilfspumpe schneller und exakter gesteuert werden, was die Effizienz des Verfahrens verbessert.
Vorzugsweise ist der Druckregler als Druckregelvorrichtung ausgebildet, welche zusätzlich zu einer Hauptpumpe an einer Hauptkühlwasserleitung eine mit dem Kühlkreislauf in Verbindung stehende Hilfsleitung zum Durchfluss eines Teils des Kühlwassers nach Art eines Bypasses aufweist, an der eine Hilfspumpe den durch die Hilfsleitung fließenden Kühlwasserstrom steuert und/oder regelt. Ein Erzeugen der Druckschwankung durch eine Hilfspumpe führt dabei vorteilhaft zu einer größeren Steilheit der Druckabweichungen verglichen mit Druckabweichungen die mittels der Hauptpumpe erzeugbar sind, und führt außerdem dazu, dass die in der Regel größer dimensionierte Hauptpumpe für den größeren Teil des Kühlwasserstromes weniger häufig und weniger starke Druckänderungen realisieren muss. Vorteilhaft schützt dies die Hauptpumpe vor vorzeitigem Verschleiß. Die Hilfsleitung ist dabei vorzugsweise so dimensioniert, dass ein Durchfluss von 5 % bis 20 % des Kühlwassers durch diesen Bypass erzeugt wird.
Nach einer alternativen Ausgestaltung wird eine Hilfspumpe direkt an der Hauptkühlwasserleitung angeordnet, so dass auch dabei ein zusätzlicher Volumenstrom durch die Hilfspumpe erzeugt wird und die Hauptpumpe vor Verschleiß durch häufige Druckänderungen geschützt werden kann.
Besonders bevorzugt bestehen die mit Kühlwasser durchflossenen Wasserrohrwände aus wenigstens zwei Abschnitten, welche mittels mehrerer Druckregler mit unterschiedlichen Druckschwankungen beaufschlagbar sind. Dabei können zwischen den Abschnitten Ventile angeordnet sein.
Konzeptionsgemäß wird eine Wasserleckage in einem Kühlrohr oder Wasserrohr eines Ofengefäßes dadurch detektiert, dass eine zeitaufgelöste Messung einer Abgaskenngröße, wie der Wassermenge, am Abgasauslass sowie eine geregelte Druckschwankung, also eine Variation des Druckes, des Kühlkreislaufes miteinander kombiniert und korreliert wird. Die Variation des Wasserdruckes führt im Falle einer Leckage zu einer Variation der Austrittsmenge des Wassers in das Ofengefäß, welche zeitlich zur Variation des Druckes des Kühlkreislaufes korreliert ist. Mittels einer Bestimmung der Korrelation dieser Signale kann eine Auswerteeinrichtung einen auf einer Wasserleckage basierenden Zusammenhang ermitteln. Eine vorteilhafte Ausführung sieht dabei verschiedene Kühlkreisläufe vor, auf die unterschiedliche Druckverlaufsmuster aufprägbar sind. Dies ermöglicht zusätzlich zu Detektion der Leckage auch, in welchem Abschnitt, also in welchem Kühlkreislauf, sie auftritt. Dadurch kann die Position der Leckage vorteilhaft eingegrenzt und somit effizienter ermittelt werden.
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 metallurgischen Schmelzofen und
Fig. 2: eine Druckschwankung mit unregelmäßigem Muster.
In Fig. 1 ist ein metallurgischer Schmelzofen 1 zum Schmelzen von Metall dargestellt, welcher ein Ofengefäß 2 mit einer Metallschmelze 3 sowie einen schwenkbaren Deckel 4 aufweist. Im Wandbereich des Ofengefäßes 2 sind wasserdurchflossene Wasserrohrwände 5, also Wände, welche mit Wasserrohren 6 durchzogen sind, angeordnet. Die Wasserrohre 6 der Wasserrohrwände 5 gewährleisten eine Wasserkühlung aufgrund des durch die Wasserrohre 6 hindurchfließenden Kühlwassers 7. Dadurch wird das Ofengefäß 2 vor Beschädigungen durch die hohen Temperaturen der Metallschmelze 3 geschützt.
Am Ofengefäß 2 ist eine Heizeinrichtung 6 angeordnet, welche drei Elektroden 7 aufweist. Die in das Ofengefäß 2 hineinragenden Elektroden 7 sind bevorzugt für eine Speisung mit Dreiphasenwechselstrom ausgebildet. Die Elektroden 7 erzeugen Lichtbögen 10, deren Wärme genutzt wird, um das Metall im Ofengefäß 2 zu schmelzen. Am Ofengefäß 2 sind ferner ein Gasbrenner 11 sowie ein als Sauerstofflanze 12 ausgebildetes Sauerstoffzuführelement 12 angeordnet.
Die durch die Verbrennungs- und Schmelzprozesse innerhalb des Ofengefäßes 2 entstehenden Abgase werden durch einen Abgasauslass 13 in ein Abgasrohr 14 geleitet. An diesem an den Abgasauslass 13 anschließenden Abgasrohr 14 ist zur Ermittlung der Abgaskenngrößen sowie zur Überwachung der entstehenden Abga- se ferner eine Abgasmesseinrichtung 15 angeordnet, welche zur Messung einer oder mehrerer Abgaskenngrößen ausgebildet ist. Das Abgas strömt dabei durch den Abgasauslass 13, passiert eine Luftzuführöffnung 14, welche hier als Luftzuführring 16 ausgebildet ist, und strömt daran anschließend an wenigstens einer Abgasmesseinrichtung 15 vorbei.
Alternativ ist die Abgasmesseinrichtung 15 in Abgasströmungsrichtung R vor der Luftzuführöffnung 16 angeordnet. Eine Anordnung der Abgasmesseinrichtungen 15 nach der Luftzuführöffnung 16 hat allerdings konstruktive Vorteile, da dieser Bereich des Abgasrohres 14 thermisch vom Ofengefäß 2 getrennt werden kann. Dadurch erfolgt eine Reduzierung der thermischen Belastungen für die Abgasmesseinrichtung 15.
Am Abgasrohr 14 ist im weiteren Verlauf nach der Luftzuführeinrichtung ein Kühler 17 zum Kühlen des Abgasstromes und ein Filter 18 zur Abscheidung von Feststoffteilchen aus dem Abgas angeordnet. Das Abgas wird nachfolgend durch den Saugzug 19 und in den Schornstein 20 geleitet.
Zur Detektion einer Leckage an den Wasserrohrwänden 5 wird das in die Wasserrohre 6 der Wasserrohrwände 5 einfließende Kühlwasser 7 mittels eines Druckreglers 21 mit einer Druckschwankung, insbesondere mit einer Folge von Druckabweichungen, beaufschlagt. Die Druckschwankung des Kühlwassers 7, also insbesondere der Verlauf der Druckschwankung oder auch das Muster der Folge von Druckabweichungen des Kühlwassers 7, wird mit dem Verlauf einer an der Abgasmesseinrichtung 15 gemessenen Abgaskenngröße verglichen. Dafür wird das Signal der Abgaskenngrößen mittels eines Datenkabels 22 an eine Auswerteeinrichtung 23 weitergeleitet. Der Verlauf der Druckschwankung des Kühlwassers 7 wird vom Druckregler 21 ebenfalls über ein Datenkabel 22 an die Auswerteeinrichtung 23 weitergeleitet. Die Auswerteeinrichtung 23 ermittelt die Korrelation der Druckschwankung, also der Folge von vorbestimmten Druckabweichungen, auch als Verlauf des Druckes bezeichnet, des Kühlwassers 7 mit dem Verlauf der an der Abgasmesseinrichtung 15 gemessenen Abgaskenngröße, wodurch Zusammenhänge erkannt werden und eine zuverlässige Leckagedetektion möglich ist.
Es ist in Fig. 2 ein Verlauf eines Druckes 24, welcher mit einer Druckschwankung mit unregelmäßigem Muster beaufschlagt ist, dargestellt. Die Druckschwankung wird dabei durch mehrere aufeinanderfolgende Druckabweichungen 25, also Abweichungen von einem mittleren Druck 26, gebildet. Der Verlauf des Druckes 24 erhält so ein bestimmtes Muster.
Jede Druckabweichung 25 weist dabei einen Abweichungswert 25 und eine zeitli- ehe Dauer 28, auch als Dauer 28 bezeichnet, auf. Unter Verwendung eines Zufallsgenerators kann eine unregelmäßige Folge realisiert werden, in dem ein durch den Zufallsgenerator erzeugter Wert zwischen einem Minimum 29 und einem Maximum 30, beispielsweise zwischen einem minimalen und einem maximalen Abweichungswert und/oder ein durch den Zufallsgenerator erzeugter Wert zwischen einer minimalen und einer maximalen zeitlichen Dauer, die Folge von Druckabweichungen 25 bestimmt. Es können dafür auch gewisse kleinste Einheiten definiert werden, sodass zufällig aus beispielsweise 8 oder 10 Werten ausgewählt wird.
Die hier dargestellten Druckabweichungen 25 weisen keinen Abstand voneinander auf. Es ist aber auch möglich zwischen den Druckabweichungen 25 Abstände ohne Änderung vom Mittelwert, also vom mittleren Druck 26, vorzusehen. Diese Abstände können ebenfalls variiert werden. Es können nach einer einfachen Ausgestaltung des Verfahrens auch nur die Abstände zwischen den Druckabweichungen 25 variiert werden.
Bezugszeichenliste
I Metallurgischer Schmelzofen, Lichtbogenofen2 Ofengefäß
3 Metallschmelze
4 Deckel
5 Wasserrohrwand
6 Wasserrohr
7 Kühlwasser
8 Heizeinrichtung
9 Elektrode
10 Lichtbogen
I I Gasbrenner
12 Sauerstoffzuführelement, Sauerstofflanze
13 Abgasauslass
14 Abgasrohr
15 Abgasmesseinrichtung
16 Luftzuführöffnung, Luftzuführring
17 Kühler
18 Filter
19 Saugzug
20 Schornstein
21 Druckregie
22 Datenkabel
23 Auswerteeinrichtung
24 Druck
25 Druckabweichung
26 mittlerer Druck
27 Abweichungswert
28 Dauer
29 Minimum
30 Maximum
R Abgasströmungsrichtung

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Detektion einer Wasserleckage in einem metallurgischen Schmelzofen (1) mittels
• eines metallurgischen Schmelzofens (1), aufweisend ein Ofengefäß (2), dessen Wandungen wenigstens teilweise aus mit Kühlwasser (7) durchflossenen Wasserrohrwänden (5) bestehen, und einen Abgasauslass (13),
• einer in Abgasströmungsrichtung (R) nach dem Abgasauslass (13) angeordneten Abgasmesseinrichtung (15) zur Messung wenigstens einer Abgaskenngröße,
• eines Druckreglers (21) zur Einstellung des Druckes des Kühlwassers (7) in den Wasserrohrwänden (5) sowie
• einer mit der Abgasmesseinrichtung (15) und dem Druckregler (21) datentechnisch verbundenen Auswerteeinrichtung (23), folgende Schritte umfassend: a) Beaufschlagen des Kühlwassers (7) mit einer Druckschwankung, wobei eine Druckschwankung eine Folge von zeitlich begrenzten Druckabweichungen von einem mittleren Druck ist, mittels des Druckreglers (21), b) Messen des Verlaufs einer Abgaskenngröße mittels der Abgasmesseinrichtung (15), c) Ermittlung der Korrelation des Verlaufs der Druckschwankung des Kühlwassers (7) mit dem Verlauf der Abgaskenngröße durch die Auswerteeinrichtung (23), d) Ausgabe der Korrelation durch die Auswerteeinrichtung (23).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die gemäß Schritt a) beaufschlagte Druckschwankung einem vorbestimmten, unregelmäßigen Muster folgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zufallsgenerator zur Erstellung einer unregelmäßigen Folge von Druckabweichungen (25) verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Wasserrohrwände (5) wenigstens zwei unterschiedliche Abschnitte mit Kühlwasser (7) durchflossen sind, welche gemäß Schritt a) mit unterschiedlichen Druckschwankungen beaufschlagt werden und wobei eine Korrelation gemäß Schritt c) für jeden der Abschnitte durchgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Wasserrohrwände (5) zwischen den Abschnitten Ventile angeordnet sind. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt b) gemessene Abgaskenngröße die Gasgeschwindigkeit und/oder der Wasseranteil und/oder die Wassermenge ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckschwankung in Schritt a) nicht periodisch ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelation gemäß Schritt c) eine Kreuzkorrelation ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung gemäß Schritt b) mittels Spektroskopie erfolgt. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung eine laserbasierte Emissionsmessung oder eine laserbasierte Absorptionsmessung ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallurgische Schmelzofen (1) als Lichtbogenofen (1) mit Elektroden (9) als Heizeinrichtung (8) ausgebildet ist. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend
• einen metallurgischen Schmelzofen (1) mit einem Ofengefäß (2), dessen Wandungen wenigstens teilweise aus mit Kühlwasser (7) durchflossenen Wasserrohrwänden (5) bestehen, und einem Abgasauslass (13) sowie
• eine in Abgasströmungsrichtung (R) nach dem Abgasauslass (13) angeordnete Abgasmesseinrichtung (15) zur Messung wenigstens einer Abgaskenngröße gemäß Schritt b),
• einen Druckregler (21) zur Beaufschlagung des Druckes des Kühlwassers (7) mit einer Druckschwankung gemäß Schritt a) und
• eine mit dem Druckregler (21) und mit der Abgasmesseinrichtung (15) datentechnisch verbundene Auswerteeinrichtung (23) zur Durchführung der Korrelation gemäß Schritt c). Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckregier eine Hauptpumpe und eine Hilfspumpe aufweist, wobei die Hilfspumpe derart steuer- und/oder regelbar ausgebildet ist, dass ein zusätzlich durch die Hilfspumpe generierter Volumenstrom die Druckschwankung erzeugt. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckregler (21) eine mit den Wasserrohrwänden in Verbindung stehende Hilfsleitung aufweist, wobei ein Ventil derart ausgebildet und an der Hilfsleitung angeordnet ist, dass der Durchfluss durch diese Hilfsleitung durch das Ventil steuer- und/oder regelbar ist. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckregler (21) einen Volumenänderungsbereich aufweist, an dem ein Kolben derart ausgebildet und angeordnet ist, dass eine durch die Bewegung des Kolbens erzeugte Volumenänderung den Druck in den Wasserrohrwänden beeinflusst.
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