Verfahren zur Messung der Schlackenschichtdicke auf einer Metallschmelze sowie zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Schlackenschichtdicke auf einer Metallschmelze sowie auf eine Vorrichtung zur Messung der Schlackenschichtdicke auf einer Metallschmelze gemäß dem Oberbe- griff des Anspruchs 9.
Einer der wichtigsten Parameter zur gezielten Schlackenkonditionierung ist neben deren Zusammensetzung die absolute Menge der Schlacke, die bei bekannter Oberfläche der Stahlschmelze durch Messung der Schlacken- schichtdicke bestimmbar ist.
Von der Firma Provac AB, Enköping, Schweden ist ein Verfahren zur Messung der Schlackenschichtdicke bekannt, bei dem ein Sensor aus einer Position oberhalb der Schlackenoberfläche durch dieselbe hindurch bis in die Metallschmelze verlagert wird, der an seiner unteren Stirnseite ein Thermoelement und zu diesem in Längsrichtung des Sensors beabstandet an seiner Mantelfläche eine Einrichtung zur Messung der Sauerstoffaktivität aufweist. Beim eigentlichen Meßvorgang, der durch das Hineintauchen des Sensors aus einer Position oberhalb der Schlacken-
schicht bis in die Metallschmelze unter Bestimmung der momentanen Sensorposition erfolgt, signalisiert das an der Stirnseite des Sensors befindliche Thermoelement den Eintritt desselben in die Schlackenschicht, wodurch der Spie- gel der Schlackenschichtoberflache bestimmt wird. Die Grenzfläche zwischen der Schlackenschicht und der Metallschmelze wird durch ein zweites Signal, welches in der Einrichtung zur Messung der Sauerstoffaktivität beim Durchtritt durch die Grenzfläche erzeugt wird, detektiert und die Schlackenschichtdicke aus der Differenz der beiden gemessenen Höhen ermittelt.
Nachteilig ist bei dem Verfahren, daß wegen der Trägheit der verwendeten Meßsensoren die Übergänge zwischen Luft und Schlacke bzw. zwischen Schlacke und Metallschmel- ze nur dann scharf bestimmbar sind, wenn der Sensor extrem langsam durch die Schlackenschicht hindurchbewegt wird bzw. andererseits bei Aufwendung vertretbarer Meßzeiten eine gewisse Unsicherheit durch die nicht scharfen Übergänge hinsichtlich der Lage der Grenzflächen besteht. ei- terhin ist von Nachteil, daß der Sensor aufgrund der in ihm benötigten verschiedenen Meßeinrichtungen relativ aufwendig und teuer in seiner Herstellung ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung von Schlackenschichtdicken anzugeben, welches eine schnelle und genaue Bestimmung einer Schlackenschichtdicke ermöglicht. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der dieses Verfahren durchführbar ist und welche durch einen einfachen, preiswerten Aufbau auszeichnet. Diese Aufgaben werden durch das in Anspruch 1 wiedergegebene Verfahren bzw. durch die in Anspruch 9 wiedergegebene Vorrichtung gelöst.
Der Grundgedanke besteht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren darin, eine mit einem optischen Meßkopf ausgerü- stete Sonde aus einer Position oberhalb des Schlackenspiegels durch die Schlackenschicht hindurch bis in die Metallschmelze hinein- und wieder herauszubewegen, hierbei
die Position der Sonde zu registrieren und als Meßgröße die unterschiedlichen optischen Eigenschaften von Schmelze, Schlacke und Luft und/oder durch die unterschiedlichen Temperaturverläufe in der Schmelze, der Schlacke und der Luft pyrometrisch zu messen, um die Übergänge Schmelze- Schlacke und Schlacke-Luft zu registrieren. Durch Zuordnung der registrierten Übergänge mit der jeweils von der Sonde erreichten Position ist somit die Schlackenschichtdicke bestimmbar. Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens liegt einerseits darin, daß aufgrund der optischen Messung das Meßverfahren quasi trägheitsfrei abläuft und hierdurch zuverlässige Schlackenschichtdickemessungen auch bei hohen Verlagerungsgeschwindigkeiten des Sensors durchführbar sind. Andererseits können durch die aufgrund des trägheitsfreien Meßverfahrens exakt bestimmbaren Übergänge Schmelze-Schlacke und Schlacke-Luft auch kleine Schlacken- schichtdicken präzise bestimmt werden. Darüberhinaus gehören optische Sensoren zu elektronischen Standardbauteilen, so daß ein für die Anwendung des Verfahrens geeigneter Meßsensor preisgünstig herstellbar ist.
Versuche haben gezeigt, daß die Grenzflächen Schmelze-Schlacke sowie Schlacke-Luft besonders präzise detek- tierbar sind, wenn die Sonde zunächst aus der Luft bis in die Metallschmelze hineinverlagert wird und der eigentliche Meßvorgang beim Herausfahren der Sonde aus der Schmelze bis in die Luft erfolgt.
Besonders einfach im Aufbau kann der Sensor gehalten werden, wenn während des Meßvorgangs die pyrometrische Temperatur aufgenommen wird, d.h. zur Ermittlung der Grenzschichten die unterschiedlichen Emmissivitäten von Schmelze, Schlacke und Luft gemessen werden (Anspruch 3). Es ist jedoch ebenfalls möglich, das Reflexionsvermögen der zwischen dem Sensor und dem jeweiligen Medium Schmelze, Schlacke und Luft gebildeten Oberflächen zu messen (Anspruch 4).
Besonders vorteilhaft ist es dann, gemäß Anspruch 5
Lichtpulse auf die jeweils gebildete Oberfläche zu leiten.
Ein besonders einfaches Verfahren zur Ermittlung der
Sondenposition ist Gegenstand der Ansprüche 6 und 7. Bei diesem wird die Sonde mit konstanter, vorgegebener Ge- schwindigkeit durch die Schlackenschicht hindurch in die
Metallschmelze hinein- und aus dieser wieder herausbewegt.
Die Genauigkeit des Meßverfahrens läßt sich abermals erhöhen, wenn gemäß Anspruch 8 die erste Ableitung der
Meßgröße nach der Zeit als Funktion der Zeit bestimmt wird. Durch diese Maßnahme wird erzielt, daß sprunghafte Änderungen der Meßgröße als scharfe Peaks, Änderungen der Meßgröße als Funktion der Lage des Sensors, bei einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 6 und 7 als Funktion der Zeit durch eine Abweichung der ersten Ableitung der Meß- große nach der Zeit vom Wert 0 erkennbar werden.
Eine Vorrichtung zur Messung der Schlackenschichtdicke auf einer Metallschmelze nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist Gegenstand des Anspruchs 9. Die bei dieser vorgesehene Sonde umfaßt einen Meßkopf, der mit Mitteln zur Messung der Intensität von im optischen Wellenlängenbereich liegender elektromagnetischer Strahlung ausgestattet ist. Dadurch, daß die Vorrichtung des weiteren Mittel umfaßt, mit der die jeweilige Eindringtiefe der Sonde in dem metallurgischen Gefäß bestimmbar und der Sonde eine Auswerteelektronik nachgeschaltet ist, die den gemessenen Intensitätswert als Funktion der Eindringtiefe ermittelt, sind Änderungen des Meßwerts als Funktion der Eindringtiefe während des Meßvorgangs registrierbar und es kann somit die Schlackenschichtdicke unmittelbar bestimmt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist Gegenstand des Anspruchs 9. Diese umfaßt zur Messung der Reflexivität des Mediums, in dem sich die Sonde gerade befindet, eine Einleitung von Lichtpulsen in eine mit dem Mittel zur Messung der Intensität gebildeten Oberfläche.
Vorzugsweise sind die Mittel zur Messung der Intensität der elektromagnetischen Strahlung ein Lichtleiter,
dessen eines Ende in Berührung mit dem Medium, in welchem die Intensität gemessen werden soll, bringbar ist und dessen weiteres Ende an ein lichtsensitives elektronisches Element angekoppelt ist (Anspruch 11). Besonders preisgünstig ist der Sensor dann, wenn der Lichtleiter gemäß Anspruch 12 ein Quarzstab ist.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist gemäß Anspruch 13 das lichtsensitive elektronsiche Element in dem Meßkopf vorgesehen. Es ist dann besonders von Vor- teil, wenn es direkt optisch an den Lichtleiter angekoppelt ist.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das lichtsensitive elektronische Element außerhalb des Meßkopfes vorgesehen und mit dem Lichtleiter über einen Licht- Wellenleiter optisch verbunden (Anspruch 15). Eine besonders hohe Ortsauflösung ist mit dem Sensor erzielbar, wenn gemäß Anspruch 16 der lichtsensitive Bereich der Mittel zur Messung der Intensität an der Stirnseite des Meßkopfes vorgesehen ist. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen die Mittel zur Messung der Intensität aus mehreren Lichtleitern, die jeweils mit einem lichtsensitiven, elektronischen Element gekoppelt sind. Die lichtsensitiven Bereiche der Licht- leiter sind an der Mantelfläche des Meßkopfes derart angeordnet, daß durch die Anordnung eine zusätzliche Tiefenauflösung bezogen auf die Eindringtiefe des Sensors erzielbar ist. Durch diese Maßnahme kann die Bestimmung der Lage der Grenzflächen Schmelze-Schlacke bzw. Schlacke-Luft nochmals präziser erfolgen.
Besonders preisgünstig in der Herstellung ist der Sensor dann, wenn gemäß Anspruch 18 das lichtsensitive elektronische Element eine Fotodiode ist.
Sind in dem Sensor des weiteren Mittel zum Einleiten von Lichtpulsen vorgesehen, so sind diese vorzugsweise als über einen Lichtwellenleiter mit den Mitteln zur Messung der Intensität gekoppelte Laserdiode ausgebildet (Anspruch
19).
Da die für die Herstellung des Meßkopfes erforderlichen Bauteile allesamt handelsübliche Komponenten sind, deren Bereitstellung nur einen relativ geringen Kosten- aufwand erfordert, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Meßkopf gemäß Anspruch 20 als für den einfachen Gebrauch vorgesehener Einmalmeßkopf ausgebildet. Durch die Verwendung stets neuer Meßköpfe wird gewährleistet, daß Fehlmessungen auf- grund MeßkopfVerschleißes praktisch ausgeschlossen sind. Der Meßkopf ist besonders einfach austauschbar, wenn er die Merkmale des Anspruchs 21 aufweist.
Versuche haben gezeigt, daß besonders präzise Messungen der Schlackenschichtdicke mit einer Sonde möglich sind, die ein äußeres Papprohr umfaßt, dessen Mantelfläche zumindest an dem den Meßkopf tragenden Bereich von einem Spritzschutzrohr umgeben ist. Durch diese Ausgestaltung wird sichergestellt, daß die Grenzfläche zwischen der Metallschmelze und der Schlacke nicht durch durch das Einführen der Sonde hervorgerufene _Mischvorgänge beeinträchtigt wird, was zwangsläufig die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbare Meßgenauigkeit negativ beeinflussen würde.
Einfach durchzuführen ist die Schlackenschichtdicken- messung dann, wenn die Vorrichtung die Merkmale des Anspruchs 23 aufweist.
Besonders variabel in ihrem Einsatzbereich ist die Sonde dann, wenn in dieser zusätzlich eine Vorrichtung zur Temperaturmessung vorgesehen ist (Anspruch 24). In der Zeichnung ist anhand der in Fig. la und b dargestellten Diagramme die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Schlackenschichtdickenmessung sowie in den Fig. 2 bis 6 zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung grafisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. la die mit einem optischen Meßkopf aufgenommene pyrometrische Temperatur in relativen Einheiten, wobei der
Meßkopf zunächst aus einer Position über dem Schlackenspiegel durch die Schlacke hindurch bis in die Metallschmelze eingetaucht und anschließend mit konstanter Geschwindigkeit wieder bis in eine Position über dem Schlak- kenspiegel herausgefahren wurde, als Funktion der Zeit;
Fig. lb die erste Ableitung nach der Zeit der bei der Messung gemäß Fig. la aufgenommenen pyroraetrischen Temperatur als Funktion der Zeit;
Fig. 2 einen Längsschnit durch eine erste Ausfüh- rungsform eines Meßkopfes einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 3 einen zur Montage dieses Meßkopfes an einer Sonde geeigneten Adapter;
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines Meßkopfes einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 5 den Adapter zur Montage dieses Meßkopfes an einer Meßsonde sowie
Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine mit einem Meßkopf versehene Sonde . Bei dem in Fig. la grafisch dargestellten Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde die bei einem Meßvorgang mit Hilfe des optischen Meßkopfes pyrometrische Temperatur als Funktion der Zeit aufgenommen. Der Meßkopf wurde zunächst aus einer Position oberhalb des Schlacken- spiegeis bis in die Metallschmelze hineinverlagert, was an dem Diagramm dadurch erkennbar ist, daß sich die pyrometrische Temperatur nicht mehr mit der Zeit ändert, d.h. in dem dargestellten Diagramm ein Plateau erreicht wird.
Der eigentliche Meßvorgang findet beim Herausbewegen der Meßsonde aus der Metallschmelze bis an eine oberhalb des Schlackenspiegels befindliche Position statt, welches - zur Bestimmung der jeweiligen Position der Meßsonde über die verstrichene Zeit - mit vorbestimmter, konstanter Geschwindigkeit erfolgt. Bei der in Fig. la dargestellten Messung ist der
Übergang Metallschmelze-Schlacke deutlich durch den sprunghaften Anstieg der gemessenen pyrometrischen Tempe-
ratur erkennbar, welcher dadurch zustande kommt, daß die Emissivität der Schlacke von der jenigen der Metallschmelze verschieden ist. Die sich daran anschließende stetige Abnahme der pyrometrischen Temperatur beim Durchfahren der Schlackenschicht kommt durch die Abnahme der Temperatur in Richtung des Schlackenspiegels zustande. Verantwortlich für diese Temperaturabnahme ist die relativ schlecht Wärmeleitfähigkeit der Schlacke im Vergleich zur Metallschmelze. Erreicht die Sonde die Grenzfläche Schlacke-Luft, so erfolgt eine etwa exponentielle Abnahme der pyrometrischen Temperatur mit der Zeit, was auf die ebenfalls exponentielle Abnahme der Temperatur in der Luftschicht oberhalb des Schlackenspiegels zurückzuführen ist. In Fig. lb ist für die in Fig. la dargestellte Messung die erste Ableitung der pyrometrischen Temperatur nach der Zeit als Funktion der Zeit dargestellt. Deutlich erkennbar sind die scharfen Peaks beim Durchlaufen des Meßkopfes durch die Grenzflächen Metallschmelze-Schlacke und Schlacke-Luft, die durch die sprunghaften Änderungen der gemessenen pyrometrischen Temperatur an diesen Stellen zustande kommt .
Des weiteren ist deutlich erkennbar, daß in dem zeitlichen Bereich, in dem der Meßkopf durch die Sc lacken- schicht hindurchbewegt wird, die Ableitung der pyrometrischen Temperatur nach der Zeit stets signifikant negativ ist. Durch diesen Effekt ist gewährleistet, daß mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens auch Schlackenschicht- dicken präzise bestimmbar sind, wenn die Emissivität von Schlacke und Metallschmelze übereinstimmen.
Im folgenden soll nun anhand der Fig. 2 bis 6 eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung erläutert werden.
Die Vorrichtung umfaßt einen optischen Meßkopf 100, welcher der Aufnahme elektromagnetischer, im optischen Wellenlängenbereich liegender Strahlung dient. Der Meßkopf umfaßt eine vorzugsweise aus einem der Metallschmelze
entsprechenden Material hergestellte Kappe 1. Sie umschließt das aus der Stirnseite des Meßkopfes 100 herausragende Ende 2 eines Lichtleiters 3, welcher mit Hilfe von Feuerfestzement 4 in einem Keramikmantel 5 verankert ist. Die Kappe 1 hat die Aufgabe zu verhindern, daß das
Ende 2 des Lichtleiters 3 beim Einfahren der Sonde durch die Schlackenschicht in die Schmelze durch die Schlacke benetzt wird, was seine optische Sensivität beeinträchtigen würde. In der Metallschmelze schmilzt die Kappe auf, so daß die Messung der pyrometrischen Temperatur mit einem unbenetzten Lichtleiter erfolgen kann.
Der Keramikmantel 5 und der Lichtleiter 3 sind mit einer Adapterhülse 6 verkittet, welche Ausnehmungen 7 zur Festlegung an dem Ende eines an einem stabförmigen Meßson- denteil 10 vorgesehenen Adapters 11 dient.
Des weiteren umfaßt die Adapterhülse 6 eine zentrale Bohrung 8, die bis an die Stirnseite des eingesetzten Lichtleiters 3 ragt.
Der in Fig. 3 - ausschnittsweise - dargestellte Adap- ter 11 umfaßt eine Stahlhülse 12, in die ein der Isolierung dienendes Kunststoffröhr 13 eingepaßt ist, welches auf seinem Innenumfang wiederum ein Kupferrohr 14 trägt.
In Längsrichtung nach innen versetzt ist ein von einer Fassung 15 umgebener Lichtwellenleiter 16 mit Hilfe eines Kunststoffeinsatzes 17 derart zentral in dem Adapter 11 angeordnet, daß sein vorderes Ende 18 den Kunststoffeinsatz überragt und bei aufgeschobenem Meßkopf 100 an der hinteren Stirnseite 9 des Lichtleiters 3 anliegt.
Als lichtsensitives elektronisches Element dient eine in der Zeichnung nicht dargestellte Fotodiode, mit der der Lichtwellenleiter 16 optisch verbunden ist. Die Fotodiode kann in einer ebenfalls in der Zeichnung nicht dargestellten Lanze zur Aufnahme des Adapters 11 und des Meßkopfes 100 untergebracht sein. Eine weitere Ausführungsform des Meßkopfes einer erfindungsgemäßen Anordnung ist in Fig. 4 dargestellt. Im Unterschied zu dem oben beschriebenen ist bei diesem die
als lichtsensitives elektronsiches Element dienende Fotodiode 19 in der Adapterhülse 6 angeordnt und mit Hilfe eines optischen Kitts 20 an die hintere Stirnseite 9 des Lichtleiters 3 optisch angekoppelt. Im übrigen entspricht der Aufbau dieses Meßkopfes demjenigen des anhand von Fig. 2 beschriebenen.
In Fig. 5 ist der Adapter 11' zur Anbringung des Meßkopfes gemäß Fig. 4 dargestellt. Im Unterschied zum Adapter 11 gemäß Fig. 3 trägt der Kunststoffeinsatz 17 einen elektrischen Adapter 21, welcher mit den Anschlüssen 27" der Fotodiode 19 beim Aufsetzen des Meßkopfes elektrisch verbindbar ist.
Eine aus einem an dem Adapter 11 bzw. 11' montierten Meßkopf 100, im folgenden als "Lanze" 50 bezeichnet, ist in Fig. 6 dargestellt.
Die Lanze umfaßt ein Papprohr 23, welches in seinem vorderen Bereich mit einem Spritzschutzmantel 24, der aus einer Aluminium-Silikat-Faser bestehen kann, umgeben ist. Während eines Meßvorganges ist die Sonde an einer in der Zeichnung nicht dargestellten sta förmigen Lanze befestigt, welche die nötigen optischen und/oder elektrischen Leitungen zur Verbindung des optischen Meßkopfes mit einer in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellten Auswerteelektronik umfaßt.