WO2012019951A1 - Ofen, insbesondere tunnelofen, einer metallurgischen anlage und verfahren zur messung von temperaturen und stoffkonzentrationen in der ofenluft in dem ofen - Google Patents

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optical waveguide
wall
kiln
oven
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Dirk Lieftucht
Markus Reifferscheid
Ulrich Sommers
Markus Pieper
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    • G01K3/14—Thermometers giving results other than momentary value of temperature giving differences of values; giving differentiated values in respect of space

Definitions

  • Furnace in particular tunnel kiln, a metallurgical plant and method for measuring temperatures and substance concentrations in the kiln air in the kiln
  • the invention relates to a furnace, in particular a tunnel furnace, a metallurgical plant, wherein the furnace has a longitudinally extending wall and at least one exhaust gas outlet. Furthermore, the invention relates to a method for measuring temperatures and substance concentrations in the furnace air in the furnace.
  • Furnaces in particular tunnel ovens, are required in particular in the production of a metallic material in order to heat the material, for example a slab, to a defined temperature.
  • Such ovens are well known in the art.
  • the furnace In order to carry out the production of the metallic material in an optimal manner, the furnace must have a defined temperature distribution over its extension, which does not necessarily have to switch off to a homogeneous, constant temperature. It is known to measure and monitor the temperatures at various points in the furnace. Furthermore, the furnace must also be operated from the firing in an optimal range. Accordingly, the monitoring of the substance concentrations in the furnace air has a corresponding importance. In this regard, it is known to monitor the concentrations of substances selectively with suitable sensors in the oven.
  • DE 22 61 197 A1 discloses a furnace for reheating metallic workpieces, for which a temperature measuring device is mounted in the oven. is orders.
  • the temperature measuring device in this case has an upward radiation-receiving surface.
  • the distribution of the temperature in an oven is determined in US 4,004,138, for which classical temperature detectors are used.
  • a temperature sensor for measuring the temperature of metallic workpieces in heat ovens is also described in DE 24 56 748 A1.
  • a thermocouple is used to determine the temperature.
  • temperature sensors are used to detect the temperature in a heating furnace.
  • DE 693 21 160 T2 describes a device for displaying the temperature in a blast furnace.
  • the disadvantage here is that it is relatively complex to determine the temperatures and concentrations of substances sufficiently accurately, particularly in a tunnel furnace which expands over a relatively long longitudinal extent, since the apparatus required for this purpose very quickly becomes very large.
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide a furnace of the type mentioned above and a method for the measurement of temperatures and substance concentrations in such an oven, with which it is possible to provide an accurate measurement of the furnace extension, which in apparatus should be configured simpler way. This should make it possible to monitor the condition of the furnace in an improved and simple manner. With such a measurement of the temperatures it should also be possible to deduce the thermal loads on the furnace components.
  • the solution of this problem by the invention is characterized in that at least one optical waveguide is laid in the region of the wall and / or in the region of the at least one exhaust gas outlet of the furnace, wherein the optical waveguide with an evaluation device for detecting the temperature and / or for detecting the substance concentration in the oven air communicates.
  • the evaluation device is suitable in accordance with a preferred solution for temperature determination by means of reflected light emerging from the optical waveguide, which is reflected by fiber Bragg gratings which are introduced into the optical waveguide.
  • an alternative embodiment provides that the evaluation device is suitable for detecting the substance concentration by means of near-infrared spectroscopic signals which are transmitted via the optical waveguide.
  • At least two optical waveguides running parallel to each other at a predetermined distance can be laid in the wall of the furnace, wherein the at least two optical waveguides preferably lie in a plane perpendicular to the inside of the wall. This makes it possible, as will be seen later, to determine the heat flow through the wall of the furnace.
  • At least one optical waveguide can be laid in an upper region of the furnace and in a lower region of the furnace. This makes possible an improved monitoring of the furnace and the temperature distribution present in it, so that control technology can be influenced in order to be able to maintain a desired temperature profile in the furnace.
  • the at least one optical waveguide can be arranged in bores of the wall of the furnace. It can also be arranged in a pipe surrounding it.
  • the proposed method for measuring temperatures in an oven, in particular in a tunnel kiln, a metallurgical plant, according to the invention is characterized in that at least one optical waveguide is laid in the region of the wall, wherein the detection of the temperature of the wall of the furnace by from the optical waveguide emergent reflected light which is reflected at fiber Bragg gratings, which are introduced into the optical waveguide.
  • An alternative solution according to the method is based on the fact that it is provided for measuring substance concentrations in the furnace air that at least one optical waveguide is laid in the region of the wall and / or in the region of the flue gas outlet, wherein the detection of the substance concentration of the furnace air by evaluation of near-infrared spectroscopic signals takes place, which are transmitted via the optical waveguide.
  • the optical waveguides consist of a basic fiber that is laid with or without cladding in previously created holes and channels in the furnace wall.
  • the measuring fiber of the optical waveguide can withstand temperatures of up to 600 ° C in continuous operation. Peak loads up to 900 ° C are possible, which can withstand the measuring fiber.
  • optical waveguides By introducing optical waveguides into the walls or into the refractory material and the exhaust gas exhaust of a tunnel kiln, it is thus possible to and substance concentrations are determined by means of fiber Bragg gratings or Raman spectroscopy.
  • the temperature measurement is carried out with interrogators for temperature measurement in the fiber Bragg method.
  • the substance concentration measurement is carried out by means of near-infrared spectroscopy (NIR spectroscopy).
  • NIR spectroscopy measuring instruments are known that are commercially available, for example the "SpectroBAY” system from Bayer Technology Services.These devices can be used to easily determine the proportion of OH and CH bonds in the furnace air in a simple way hereby prove the CO content on the basis of the second overtone at a wavelength of 1 .500 to 1 .650 nm.
  • one or more layers of optical fibers may be embedded.
  • temperatures and - derived from this - temperature differences or heat flows and heat flow densities can be calculated and used to control the furnace.
  • a temperature profile or a profile of heat flux densities over the tunnel surface is created. Also, dynamic changes due to the influence of hot slabs in the furnace can be detected, especially on their way through the furnace.
  • temperature peaks in the furnace can be avoided by detecting the temperature over the length of the furnace and a control based thereon.
  • the temperature homogeneity of the metallic material, in particular the slab is increased and the formation of scale is reduced.
  • This beneficial effect can be further enhanced by refining a zone split for the burner control, and it is even possible to implement a single burner control over the length of the furnace.
  • temperature differences between the upper and lower part of the furnace can be detected.
  • This information can be used to adjust the temperature calculation of a process model or - if there are burners in the lower part of the furnace - to compensate for the differences in the temperature distribution by controlling the burners accordingly.
  • the knowledge of the wall heat flux density allows a description of the wall heat losses. Since all other energy losses of the furnace (exhaust gas losses, roll losses, etc.) can be determined by measurement, the knowledge of the wall heat losses thus enables the complete metrological description of the losses. This too can be used for diagnostic purposes. If the metrological energy balance does not work out, it can be concluded that additional losses. Hereby, the goal can be achieved early to detect the wear of the insulating material. Existing damage and the achievement of the end-life of the insulating material can thus be estimated for the future and a timely replacement, that is planned or carried out just before reaching the end of life.
  • the proposed measurement of the substance concentrations in the furnace air, i. H. the gas composition by means of the optical waveguide can be used. If the values of the relevant substance concentrations are too high, the furnace parameters can be adjusted accordingly.
  • the optical waveguide can also be laid in sections in a meandering manner in the furnace wall. In this way, the surface of the wall can be monitored areally with respect to the temperature distribution. Accordingly, the determination of temperature profiles over the surface of the furnace wall is thus possible.
  • 1 is a schematic representation of the side view of a tunnel kiln
  • Fig. 3 shows a section of the wall of the tunnel kiln, seen in the longitudinal direction of the furnace
  • Fig. 4 shows another section of the wall of the tunnel kiln, seen in the longitudinal direction of the furnace.
  • FIGS. 1 and 2 show a tunnel kiln 1 in which metallic material is conveyed in a manner known per se in order to heat it to a desired temperature.
  • a slab 6 is indicated.
  • the furnace 1 extends in a longitudinal direction L.
  • the furnace 1 has a wall 2, which is provided with a corresponding insulating effect in order to keep the heat in the furnace 1.
  • optical waveguides 3 which are shown schematically in FIGS. 1 and 2, are laid in the wall or wall.
  • the sketched optical waveguide 3 runs in the example of Figures 1 and 2 in the longitudinal direction L in the furnace wall 2. It is not shown that also in the region of an exhaust (not shown) optical waveguide 3 are arranged.
  • the optical waveguide 3 is connected to an evaluation device 4 in which light returned by the optical waveguide 3 can be evaluated. This makes it possible to detect the temperature and the substance concentration in the furnace air.
  • the evaluation device 4 detects reflected light emerging from the optical waveguide 3, which is reflected by so-called fiber Bragg gratings, which are introduced into the optical waveguide 3.
  • near-infrared spectroscopic signals are evaluated in the evaluation device 4, which signals are transmitted via the optical waveguide 3.
  • Fiber Bragg gratings are optical interference filters inscribed in the optical waveguide 3. Wavelengths that are within the filter bandwidth are reflected.
  • An interference filter is an optical filter made of thin layers on a carrier, in the present case the optical fiber (optical waveguide). This filter transmits optical, electromagnetic waves of certain wavelengths, but reflects closely adjacent wavelengths. This selectivity is due to interference between the direct and the multiply reflected light.
  • the fiber core creates a periodic modulation of the refractive index, with high and low refractive index ranges, which reflects back the light of a certain wavelength (band-stop filter).
  • band-stop filter The center wavelength of the filter bandwidth in monomode fibers results from the so-called Bragg condition.
  • the core of the optical fiber is composed of successive sections of length ⁇ / 4 which differ in refractive index. At each interface, a portion of the injected amplitude is reflected. In this way, by means of optical waveguide technology sensors for temperature and strain on the basis of the changing reflected wavelength can be realized, as used herein.
  • Raman spectroscopy the matter to be examined is irradiated with monochromatic light, usually from a laser. In the spectrum of the light scattered on the sample other frequencies are observed in addition to the irradiated frequency (Rayleigh scattering). The frequency differences to the incident light correspond to the characteristic of the material energy of rotation, vibration, phonon or spin-flip processes. From the spectrum obtained, it is possible to draw conclusions about the investigated substance, similar to the spectrum of infrared spectroscopy. This effect is used here to determine the substance concentrations in the furnace gas.
  • the reason for the described effect lies in the interaction of light with matter, the so-called Raman effect, in which energy is transferred from light to matter or energy from matter to light. Since the wavelength of the light, i. H. its color depends on the energy of the light, this energy transfer causes a shift in the wavelength of the scattered light compared to the incident light, the so-called Raman shift.
  • NIRS near infrared spectroscopy
  • NIR near infrared spectroscopy
  • overtone and combination bands are not directly interpreted during the analysis of samples, but evaluated using statistical methods.
  • data sets with a known content of the substance of interest are prepared beforehand.
  • two optical waveguides 3 'and 3 are laid parallel to one another in the wall 2 of the furnace 1 and extend in the longitudinal direction L of the furnace, the two optical waveguides 3', 3" being at a distance a arranged to each other. If the solder is erected on the inside 5 of the furnace wall 2, the two optical waveguides 3 ', 3 "lie in one plane, as can be seen in Fig. 3.
  • a Temperature gradient can be determined, on the state of the insulation of the furnace wall and in particular on the state of the refractory layer can be closed in the oven.
  • Another arrangement of the optical waveguide 3 can be seen in Fig. 4, where another part of the wall 2 of the furnace 1 is outlined.
  • the wall 2 consists of an innermost layer of refractory material 7, which is applied to a lining 8. From the outside, the wall 2 is arranged in a metal housing 9.
  • the optical waveguides 4 are located in bores in the expanse 8.
  • the optical waveguides 3 consist here as well as in the other embodiments of a base fiber having a thickness in the range between about 100 to 150 ⁇ . If the optical waveguide is arranged in a cladding tube, this usually has a diameter of about 800 to 2000 ⁇ .
  • the optical waveguide 3 can also be laid meander-shaped in the wall 2 according to another embodiment of the invention, so that the surface can be well monitored with respect to the temperature development.
  • the glass fiber which functions as a component of the temperature sensor or sensor for the composition of the furnace air is thus connected to the evaluation unit 4.
  • the evaluation unit 4 By means of the evaluation unit 4, first laser light is generated, which is fed into the optical waveguide 3.
  • the data collected by the optical fiber 3 are converted into temperatures by means of the detection system and assigned to the different measuring locations.
  • the evaluation is preferably carried out according to the already mentioned fiber Bragg grating method (or fiber Bragg grating method - FBG method).
  • suitable optical waveguides are used, which receive measuring points with a periodic variation of the refractive index or grating with such variations.
  • This periodic variation of the refractive index leads to the fact that the optical waveguide represents a dielectric mirror as a function of the periodicity for specific wavelengths at the measuring points.
  • the Bragg wavelength is changed and exactly this is reflected.
  • Light that does not satisfy the Bragg condition is not significantly affected by the Bragg grating.
  • the different signals of the different measuring points can then be distinguished from one another on the basis of differences in propagation time.
  • the detailed structure of such fiber Bragg gratings and the corresponding evaluation units are well known.
  • the accuracy of the spatial resolution is given by the number of impressed measuring points.
  • the size of a measuring point can be, for example, in the range of 1 mm to 5 mm.
  • the FBG sensors thus have a permanent modulation of the refractive index.
  • the length dimensions of the grid are a few millimeters.
  • OFDR method Optical Frequency Domain Reflectometry
  • OTDR method Optical Time Domain Reflectometry
  • the temperature values along a fiber can then be determined in a spatially resolved manner, with this method averaging over a specific length of the conductor. This length is about a few centimeters. The different measuring points are in turn separated by differences in transit time.
  • the structure of such systems for evaluation according to the methods mentioned is generally known, as are the necessary lasers which generate the laser light within the optical waveguide 3.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ofen (1), insbesondere einen Tunnelofen, einer metallurgischen Anlage, wobei der Ofen (1 ) eine sich in Längsrichtung (L) erstreckende Wandung (2) sowie mindestens einen Abgasabzug aufweist. Um in verbesserter Weise den Zustand des Ofens überwachen zu können, sieht die Erfindung vor, dass im Bereich der Wandung (2) und/oder im Bereich des mindestens einen Abgasabzugs mindestens ein Lichtwellenleiter (3) verlegt ist, wobei der Lichtwellenleiter (3) mit einer Auswerteeinrichtung (4) zur Erfassung der Temperatur und/oder zur Erfassung der Stoffkonzentration in der Ofenluft in Verbindung steht. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung von Temperaturen und von Stoffkonzentrationen in der Ofenluft in dem Ofen (1).

Description

Ofen, insbesondere Tunnelofen, einer metallurgischen Anlage und Verfahren zur Messung von Temperaturen und Stoffkonzentrationen in der Ofenluft in dem Ofen
Die Erfindung betrifft einen Ofen, insbesondere einen Tunnelofen, einer metallurgischen Anlage, wobei der Ofen eine sich in Längsrichtung erstreckende Wandung sowie mindestens einen Abgasabzug aufweist. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung von Temperaturen und von Stoffkonzentrationen in der Ofenluft in dem Ofen.
Öfen, insbesondere Tunnelöfen, werden insbesondere bei der Herstellung eines metallischen Guts benötigt, um das Gut, beispielsweise eine Bramme, auf eine definierte Temperatur aufzuheizen. Derartige Öfen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Um die Herstellung des metallischen Guts in optimaler Weise vorzunehmen, muss der Ofen über seine Erstreckung eine definierte Temperaturverteilung haben, die nicht zwingend auf eine homogene, konstante Temperatur abstellen muss. Bekannt ist es, die Temperaturen an verschiedenen Punkten des Ofens zu messen und zu überwachen. Ferner muss der Ofen auch von der Befeuerung her in einem optimalen Bereich betrieben werden. Demgemäß kommt der Überwachung der Stoffkonzentrationen in der Ofenluft eine entsprechende Bedeutung zu. Auch diesbezüglich ist es bekannt, die Stoffkonzentrationen mit geeigneten Sensoren im Ofen punktuell zu überwachen.
Für die Temperaturermittlung sind im Stand der Technik verschiedene Möglichkeiten und Messelemente vorbeschrieben. Die DE 22 61 197 A1 offenbart einen Ofen zum Wiedererwärmen von metallischen Werkstücken, wofür in dem Ofen eine Temperaturmesseinrichtung ange- ordnet ist. Die Temperaturmesseinrichtung weist dabei eine aufwärts gerichtete Strahlung empfangende Oberfläche auf.
Die Verteilung der Temperatur in einem Ofen wird in der US 4 004 138 ermittelt, wofür klassische Temperaturdetektoren eingesetzt werden. Ein Temperatur- messfühler zur Messung der Temperatur von metallischen Werkstücken in Wärmeöfen wird auch in der DE 24 56 748 A1 beschrieben. Hierbei kommt ein Thermoelement zum Einsatz, um die Temperatur zu ermitteln. Auch in der US 4 606 529 werden Temperatursensoren eingesetzt, um in einem Wärmeofen die Temperatur zu erfassen.
Ähnliche Lösungen offenbaren die JP 51 1 19605 A, die JP 62089817 A und die JP 5142170 A.
In der DE 693 21 160 T2 wird ein Gerät zur Anzeige der Temperatur in einem Hochofen beschrieben.
Nachteilig ist es dabei, dass es relativ aufwändig ist, insbesondere in einem sich über eine relativ große Längserstreckung ausdehnenden Tunnelofen die Temperaturen und Stoffkonzentrationen hinreichend genau zu ermitteln, da der hierfür zu treibende apparative Aufwand sehr schnell sehr groß wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ofen der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren für die Messung von Temperaturen und Stoffkonzentrationen in einem solchen Ofen zu schaffen, mit dem es möglich ist, eine genaue Messung über die Ofenerstreckung zu ermöglichen, wobei diese in apparativ einfacher Weise ausgestaltet werden soll. Damit soll es möglich werden, in verbesserter und einfacher Weise den Zustand des O- fens zu überwachen. Mit einer solchen Messung der Temperaturen soll auch auf die thermischen Belastungen der Ofenbauteile geschlossen werden kön- nen. Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Wandung und/oder im Bereich des mindestens einen Abgasabzugs des Ofens mindestens ein Lichtwellenleiter verlegt ist, wobei der Lichtwellenleiter mit einer Auswerteeinrichtung zur Erfassung der Temperatur und/oder zur Erfassung der Stoffkonzentration in der Ofenluft in Verbindung steht.
Die Auswerteeinrichtung ist dabei gemäß einer bevorzugten Lösung zur Temperaturermittlung mittels aus dem Lichtwellenleiter austretendem, reflektiertem Licht geeignet, das an Faser-Bragg-Gittern reflektiert wird, die in den Lichtwel- lenleiter eingebracht sind.
Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, dass die Auswerteeinrichtung zur Erfassung der Stoffkonzentration mittels Nahinfrarot-spektroskopischer Signale geeignet ist, die über den Lichtwellenleiter übertragen werden.
In der Wandung des Ofens können gemäß einer Fortbildung mindestens zwei parallel zueinander in einem vorgegebenen Abstand verlaufende Lichtwellenleiter verlegt sein, wobei die mindestens zwei Lichtwellenleiter vorzugsweise in einer Ebene senkrecht auf die Innenseite der Wandung liegen. Hiermit wird es möglich, wie es später noch zu sehen sein wird, den Wärmestrom durch die Wandung des Ofens zu bestimmen.
Ferner können in einem oberen Bereich des Ofens und in einem unteren Bereich des Ofens jeweils mindestens ein Lichtwellenleiter verlegt sein. Dies er- möglicht eine verbesserte Überwachung des Ofens und der in ihm vorliegenden Temperaturverteilung, so dass regelungstechnisch Einfluss genommen werden kann, um im Ofen ein gewünschtes Temperaturprofil einhalten zu können.
Der mindestens eine Lichtwellenleiter kann in Bohrungen der Wandung des Ofens angeordnet sein. Er kann auch in einem ihn umgebenden Rohr angeordnet sein. Das vorgeschlagene Verfahren zur Messung von Temperaturen in einem Ofen, insbesondere in einem Tunnelofen, einer metallurgischen Anlage, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass im Bereich der Wandung mindestens ein Lichtwellenleiter verlegt ist, wobei die Erfassung der Temperatur der Wandung des Ofens durch aus dem Lichtwellenleiter austretendes reflektiertes Licht erfolgt, das an Faser-Bragg-Gittern reflektiert wird, die in den Lichtwellenleiter eingebracht sind.
Dabei kann insbesondere vorgesehen werden, dass in der Wandung mindes- tens zwei parallel zueinander in einem vorgegebenen Abstand verlaufende Lichtwellenleiter verlegt sind, wobei die mindestens zwei Lichtwellenleiter vorzugsweise in einer Ebene senkrecht auf die Innenseite der Wandung liegen, wobei aus der Differenz der ermittelten Temperaturen an der Stelle der beiden Lichtwellenleiter der durch die Wandung gehende Wärmestrom ermittelt wird.
Eine alternative verfahrensgemäße Lösung stellt darauf ab, dass zur Messung von Stoffkonzentrationen in der Ofenluft vorgesehen wird, dass im Bereich der Wandung und/oder im Bereich des Abgasabzugs mindestens ein Lichtwellenleiter verlegt ist, wobei die Erfassung der Stoffkonzentration der Ofenluft durch Auswertung Nahinfrarot-spektroskopischer Signale erfolgt, die über den Lichtwellenleiter übertragen werden.
Die Lichtwellenleiter bestehen aus einer Grundfaser, die mit oder ohne Hüllrohr in vorher erstellten Bohrungen und Kanälen in der Ofenwandung verlegt wer- den. Die Messfaser des Lichtwellenleiters kann Temperaturen bis zu 600 °C im Dauerbetrieb widerstehen. Dabei sind Spitzenlasten bis zu 900 °C möglich, die die Messfaser aushalten kann.
Durch die Einbringung von Lichtwellenleitern in die Wandungen bzw. in das Feuerfestmaterial und den Abgasabzug eines Tunnelofens können also Tempe- raturen und Stoffkonzentrationen mittels Faser-Bragg-Gittern oder der Raman- Spektroskopie ermittelt werden.
Die Temperaturmessung erfolgt mit Interrogatoren zur Temperaturmessung beim Faser-Bragg-Verfahren.
Die Stoffkonzentrationsmessung erfolgt mittels der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIR-Spektroskopie). Für die NIR-Spektroskopie sind Messgeräte bekannt, die handelsüblich sind, beispielsweise das System„SpectroBAY" der Firma Bayer Technology Services. Mit derartigen Geräten kann der Anteil an O-H- und C-H- Bindungen in der Ofenluft in einfacher Weise ermittelt werden. Beispielsweise lässt sich in einfacher Weise hiermit der CO-Gehalt anhand des zweiten Obertons bei einer Wellenlänge von 1 .500 bis 1 .650 nm nachweisen.
Innerhalb der Schichten des Feuerfestmaterials des Tunnelofens können eine oder mehrere Lagen von Lichtwellenleitern eingebettet werden. Hiermit können Temperaturen und - daraus abgeleitet - Temperaturdifferenzen bzw. Wärmeströme und Wärmestromdichten berechnet und zur Regelung des Ofens genutzt werden. Hierbei wird ein Temperaturprofil bzw. ein Profil von Wärmestromdichten über die Tunneloberfläche erstellt. Ebenfalls können dynamische Änderungen bedingt durch den Einfluss von heißen Brammen im Ofen erfasst werden, insbesondere auf ihrem Weg durch den Ofen.
Des weiteren kann eine Beurteilung des Verschleißzustandes des Feuerfestmaterials des Ofens erfolgen. Das Konzept ermöglicht eine Darstellung der thermi- sehen Belastung der Bauteile über ihre Oberfläche und die Verteilung von E- nergieverlusten im jeweiligen Betriebszustand.
In vorteilhafter Weise können Temperaturspitzen im Ofen durch die Erfassung der Temperatur über die Länge des Ofens und eine hierauf aufbauende Regelung vermieden werden. Hierdurch wird die Temperaturhomogenität des metallischen Guts, insbesondere der Bramme, erhöht und die Zunderbildung vermindert.
Dieser vorteilhafte Effekt kann weiter gesteigert werden, indem eine Zonenaufteilung für die Brennerregelung verfeinert wird, wobei es sogar möglich ist, eine Einzelbrenner-Regelung über die Länge des Ofens zu implementieren.
Zusätzlich kann durch das Verlegen der Lichtwellenfasern an unterschiedlichen Stellen des Ofens eine redundante Datenerfassung erfolgen, um auf diese Weise Messfehler zu erkennen.
Weiterhin können Temperatur-Unterschiede zwischen dem oberen und unteren Teil des Ofens erfasst werden. Diese Information kann dazu genutzt werden, um die Temperaturberechnung eines Prozessmodells anzupassen oder - falls Brenner im unteren Teil des Ofens vorhanden sind - die Unterschiede in der Temperaturverteilung durch eine entsprechende Regelung der Brenner auszugleichen.
Durch das Einbringen zweier Lichtwellenleiter (Faserleitungen) in Wärmeflussrichtung parallel zueinander und in verschiedenen Abständen zur Innenseite der Ofenwandung ist es möglich, Temperaturdifferenzen in einer Richtung senkrecht auf die Ofeninnenwand zu ermitteln und damit die Wärmestromdichte der Wände des Ofens zu bestimmen. Der so bestimmbare Temperaturgradient gibt also die lokale Wärmestromdichte an. Dies kann zu Diagnosezwecken genutzt werden, d. h. bei zu hoher ermittelter Wärmestromdichte kann gezielt das Isoliermaterial in dem betreffenden Bereich erneuert werden.
Ferner ermöglicht die Kenntnis der Wandwärmestromdichte eine Beschreibung der Wandwärmeverluste. Da alle anderen Energieverluste des Ofens (Abgas- verluste, Rollenverluste etc.) per Messung bestimmt werden können, ermöglicht somit die Kenntnis der Wandwärmeverluste die vollständige messtechnische Beschreibung der Verluste. Auch dies kann zu Diagnosezwecken genutzt werden. Falls die messtechnische Energiebilanz nicht aufgeht, kann man so auf zusätzliche Verluste schließen. Hiermit kann das Ziel erreicht werden, frühzeitig den Verschleiß des Isoliermaterials zu erkennen. Vorhandene Schäden und das Erreichen der Endlebens- dauer des Isoliermaterials kann so für die Zukunft abgeschätzt werden und ein rechtzeitiger Austausch, d. h. knapp vor Erreichen der Endlebensdauer geplant bzw. vorgenommen werden.
Zur Überwachung der umweltrelevanten Gase des Ofens kann die vorgeschla- gene Messung der Stoffkonzentrationen in der Ofenluft, d. h. der Gaszusammensetzung mittels der Lichtwellenleiter, genutzt werden. Bei zu hohen Werten der relevanten Stoffkonzentrationen können die Ofenparameter entsprechend angepasst werden. Der Lichtwellenleiter kann jedenfalls abschnittsweise auch mäanderförmig in der Ofenwandung verlegt sein. Hierdurch kann die Oberfläche der Wandung flächig hinsichtlich der Temperaturverteilung überwacht werden. Demgemäß wird damit die Bestimmung von Temperaturprofilen über die Oberfläche der Ofenwandung möglich.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Seitenansicht eines Tunnelofens,
Fig. 2 den Schnitt A-B gemäß Fig. 1 durch den Tunnelofen,
Fig. 3 einen Ausschnitt der Wandung des Tunnelofens, gesehen in Längsrichtung des Ofens, und Fig. 4 einen anderen Ausschnitt der Wandung des Tunnelofens, gesehen in Längsrichtung des Ofens.
In den Figuren 1 und 2 ist ein Tunnelofen 1 zu sehen, in dem in an sich bekann- ter Weise metallisches Gut gefördert wird, um dieses auf eine gewünschte Temperatur zu erhitzen. In Fig. 1 ist eine Bramme 6 angedeutet. Der Ofen 1 erstreckt sich in eine Längsrichtung L. Der Ofen 1 weist eine Wandung 2 auf, die mit einer entsprechenden Isolierwirkung ausgestattet ist, um die Hitze im Ofen 1 zu halten.
Zur Erfassung von Temperaturen und von Stoffkonzentrationen im Ofengas sind in der Wandung bzw. an die Wandung angrenzend Lichtwellenleiter 3 verlegt, die schematisch in den Figuren 1 und 2 dargestellt sind. Der skizzierte Lichtwellenleiter 3 verläuft im Beispielsfall der Figuren 1 und 2 in Längsrichtung L in der Ofenwandung 2. Nicht dargestellt ist, dass auch im Bereich eines (nicht dargestellten) Abgasabzugs Lichtwellenleiter 3 angeordnet sind.
Der Lichtwellenleiter 3 ist mit einer Auswerteeinrichtung 4 verbunden, in der vom Lichtwellenleiter 3 rückgesendetes Licht ausgewertet werden kann. Hiermit ist es möglich, die Temperatur und die Stoffkonzentration in der Ofenluft zu erfassen.
Im Falle der Temperaturmessung erfasst die Auswerteeinrichtung 4 aus dem Lichtwellenleiter 3 austretendes reflektiertes Licht, das an sog. Faser-Bragg- Gittern reflektiert wird, die in den Lichtwellenleiter 3 eingebracht sind.
Zur Erfassung der Stoffkonzentration werden Nahinfrarot-spektroskopischer Signale in der Auswerteeinrichtung 4 ausgewertet, die über den Lichtwellenleiter 3 übertragen werden.
Hierzu sei auf folgende an sich bekannte Technologie hingewiesen: Faser-Bragg-Gitter sind in den Lichtwellenleiter 3 eingeschriebene optische Interferenzfilter. Wellenlängen, die innerhalb der Filterbandbreite liegen, werden reflektiert. Ein Interferenzfilter ist ein optischer Filter aus dünnen Schichten auf einem Träger, im vorliegenden Falle der Lichtleitfaser (Lichtwellenleiter). Dieser Filter lässt optische, elektromagnetische Wellen bestimmter Wellenlängen durch, aber reflektiert dicht benachbarte Wellenlängen. Diese Selektivität beruht auf Interferenzen zwischen dem direkten und dem mehrfach reflektierten Licht.
Die einzelnen Schichten werden mittels UV-Licht (z. B. eines Excimerlasers mit λ = 248 nm) in die Glasfaser eingeschrieben. In dem Faserkern entsteht eine periodische Modulation der Brechzahl, mit hohen und niedrigen Brechzahlbereichen, die das Licht einer bestimmten Wellenlänge zurück reflektiert (Bandsperre). Die Mittenwellenlänge der Filterbandbreite in Monomodefasern ergibt sich durch die sog. Bragg-Bedingung.
Der Kern der Lichtleitfaser ist aus aufeinanderfolgenden Abschnitten der Länge λ/4 zusammengesetzt, die sich im Brechungsindex unterscheiden. An jeder Grenzfläche wird ein Teil der eingespeisten Amplitude reflektiert. Auf diese Weise sind mittels der Lichtwellenleiter-Technologie Sensoren für Temperatur und Dehnung anhand der sich ändernden reflektierten Wellenlänge realisierbar, wie sie vorliegend genutzt werden.
Bei der Raman-Spektroskopie wird die zu untersuchende Materie mit mono- chromatischem Licht, üblicherweise aus einem Laser, bestrahlt. Im Spektrum des an der Probe gestreuten Lichts werden neben der eingestrahlten Frequenz (Rayleigh-Streuung) noch weitere Frequenzen beobachtet. Die Frequenzunterschiede zum eingestrahlten Licht entsprechen den für das Material charakteristischen Energien von Rotations-, Schwingungs-, Phonon- oder Spin-Flip- Prozessen. Aus dem erhaltenen Spektrum lassen sich, ähnlich dem Spektrum der Infrarotspektroskopie, Rückschlüsse auf die untersuchte Substanz ziehen. Dieser Effekt wird vorliegend genutzt, um die Stoffkonzentrationen im Ofengas zu ermitteln.
Der Grund für den beschriebenen Effekt liegt in einer Wechselwirkung des Lichtes mit der Materie, dem sogenannten Raman-Effekt, bei dem Energie vom Licht auf die Materie übertragen wird bzw. Energie von der Materie auf das Licht. Da die Wellenlänge des Lichts, d. h. seine Farbe, von der Energie des Lichtes abhängt, bewirkt dieser Energieübertrag eine Verschiebung der Wellenlänge des gestreuten Lichtes gegenüber dem eingestrahlten Licht, die sogenannte Raman-Verschiebung.
Bei der bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt eingesetzten Nahinfrarot- Spektroskopie (abgekürzt„NIRS" oder„NIR") handelt es sich um eine chemische Analysentechnik auf Basis der Spektroskopie im Bereich des kurzwelligen Infrarotlichts. Sie ist mit der IR-Spektroskopie verwandt.
Mit Hilfe von Infrarotstrahlung werden kovalente Molekülbindungen in organischen Verbindungen angeregt, was vorliegend genutzt wird. Die Detektion findet im nahen Infrarot (760 bis 2500 nm) statt. Dort kommt es zu Oberton- bzw. Kombinationsschwingungen der Grundschwingung im mittleren Infrarot. Es gilt das sog. Lambert-Beersche Gesetz.
Die Oberton- und Kombinationsbanden werden bei der Analyse von Proben nicht direkt interpretiert, sondern mit Hilfe von statistischen Verfahren ausgewertet. Für quantitative Bestimmungen werden vorher Datensätze mit bekann- tem Gehalt des interessierenden Stoffes erstellt.
Auf Grund der höheren Energie des nahinfraroten Lichts im Vergleich zum mittleren Infrarot und der geringeren Absorptionskoeffizienten gibt es eine größere Eindringtiefe und damit eine einfachere Handhabung (größere Schichtdicken: Millimeter statt Mikrometer). In Fig. 3 ist zu sehen, dass in der Wandung 2 des Ofens 1 zwei Lichtwellenleiter 3' und 3" parallel zueinander verlegt sind, die sich in Längsrichtung L des Ofens erstreckt. Dabei sind die beiden Lichtwellenleiter 3', 3" in einem Abstand a zueinander angeordnet. Errichtet man das Lot auf der Innenseite 5 der Ofenwandung 2, liegen die beiden Lichtwellenleiter 3', 3" - wie in Fig. 3 zu sehen - in einer Ebene. Durch Messung der Temperaturen in den beiden Lichtwellenleitern 3', 3" kann somit ein Temperaturgradient ermittelt werden, über den auf den Zustand der Isolation der Ofenwandung und insbesondere auf den Zustand der Feuerfestschicht im Ofen geschlossen werden kann. Eine andere Anordnung der Lichtwellenleiter 3 ist in Fig. 4 zu sehen, wo ein anderer Teil der Wandung 2 des Ofens 1 skizziert ist. Die Wandung 2 besteht aus einer innliegenden Schicht aus Feuerfestmaterial 7, die auf einer Ausmauerung 8 aufgebracht ist. Von außen ist die Wandung 2 in einem Metallgehäuse 9 angeordnet. Die Lichtwellenleiter 4 befinden sich in Bohrungen in der Ausmaue- rung 8.
Die Lichtwellenleiter 3 bestehen hier wie auch in den anderen Ausführungsbeispielen aus einer Grundfaser, die eine Dicke im Bereich zwischen ca. 100 bis 150 μΓΠ aufweist. Sofern der Lichtwellenleiter in einem Hüllrohr angeordnet ist, weist dieses zumeist einen Durchmesser von ca. 800 bis 2.000 μηι auf.
Nicht näher dargestellt ist eine weitere Möglichkeit, nach der der Lichtwellenleiter 3 in eine Nut in der Wandung 2 eingelegt wird, die dann wieder verschlossen wird.
Der Lichtwellenleiter 3 kann gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung auch mäanderförmig in der Wandung 2 verlegt werden, so dass die Fläche bezüglich der Temperaturentwicklung gut überwacht werden kann. Die als Bestandteil des Temperatursensors bzw. Sensors für die Stoffzusammensetzung der Ofenluft fungierende Glasfaser ist also mit der Auswerteeinheit 4 verbunden. Mittels der Auswerteeinheit 4 wird zunächst Laserlicht erzeugt, das in den Lichtwellenleiter 3 eingespeist wird. Die von der Lichtwellenleitfaser 3 gesammelten Daten werden mittels des Erfassungssystems in Temperaturen umgerechnet und den verschiedenen Messorten zugeordnet. Die Auswertung erfolgt bevorzugt nach dem bereits genannten Faser-Bragg-Gitter-Verfahren (oder auch Faser-Bragg-Grating-Verfahren - FBG-Verfahren). Hierbei werden - wie oben bereits generell erläutert - geeig- nete Lichtwellenleiter verwendet, die Messstellen mit einer periodischen Variation des Brechungsindexes bzw. Gitters mit solchen Variationen eingeprägt bekommen. Diese periodische Variation des Brechungsindexes führt dazu, dass der Lichtwellenleiter in Abhängigkeit der Periodizität für bestimmte Wellenlängen an den Messstellen einen dielektrischen Spiegel darstellt. Durch eine Tem- peraturänderung an einem Punkt wird die Bragg-Wellenlänge verändert, wobei genau diese reflektiert wird. Licht, das die Bragg-Bedingung nicht erfüllt, wird durch das Bragg-Gitter nicht wesentlich beeinflusst.
Die verschiedenen Signale der unterschiedlichen Messstellen können dann auf- grund von Laufzeitunterschieden voneinander unterschieden werden. Der detai- lierte Aufbau solcher Faser-Bragg-Gitter sowie die entsprechenden Auswerteeinheiten sind allgemein bekannt. Die Genauigkeit der Ortsauflösung ist durch die Anzahl der eingeprägten Messstellen gegeben. Die Größe einer Messstelle kann beispielsweise im Bereich von 1 mm bis 5 mm liegen.
Die FBG-Sensoren besitzen also eine permanente Modulation der Brechzahl. Die Längenabmessungen des Gitters betragen wenige Millimeter. Tritt das Laserlicht auf das Gitter, erfolgt eine Reflexion, die maximal wird, wenn der Gitterabstand mit der Laserwellenlänge übereinstimmt. Äußere Einflüsse auf das Fa- sergitter, wie Temperatur oder Dehnung, verändern die Gitterkonstante, so dass sich die Bragg-Wellenlänge des reflektierten Lichts verschiebt. Alternativ kann zur Messung der Temperatur auch das „Optical-Frequency- Domain-Reflectometry" -Verfahren (OFDR-Verfahren) oder das „Optical-Time- Domain-Reflectometry" -Verfahren (OTDR-Verfahren) eingesetzt werden. Diese Verfahren basieren auf dem Prinzip der faseroptischen Ramanrückstreuung, wobei ausgenutzt wird, dass eine Temperaturveränderung am Punkt eines Lichtleiters eine Veränderung der Ramanrückstreuung des Lichtwellenleitermaterials verursacht.
Mittels der Auswerteeinheit (z. B. einem Raman-Reflektometer) können dann die Temperaturwerte entlang einer Faser ortsaufgelöst bestimmt werden, wobei bei diesem Verfahren über eine bestimmte Länge des Leiters gemittelt wird. Diese Länge beträgt ca. einige Zentimeter. Die verschiedenen Messstellen werden wiederum durch Laufzeitunterschiede voneinander getrennt. Der Aufbau solcher Systeme zur Auswertung nach den genannten Verfahren ist allge- mein bekannt, ebenso wie die nötigen Laser, die das Laserlicht innerhalb des Lichtwellenleiters 3 erzeugen.
Bezugszeichenliste:
1 Ofen
2 Wandung
3 Lichtwellenleiter 3' Lichtwellenleiter 3" Lichtwellenleiter
4 Auswerteeinrichtung 5 Innenseite
6 Bramme
7 Feuerfestmaterial
8 Ausmauerung
9 Metallgehäuse
L Längsrichtung a Abstand

Claims

Patentansprüche:
1 . Ofen (1 ), insbesondere Tunnelofen, einer metallurgischen Anlage, wobei der Ofen (1 ) eine sich in Längsrichtung (L) erstreckende Wandung (2) sowie mindestens einen Abgasabzug aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Wandung (2) und/oder im Bereich des mindestens einen Abgasabzugs mindestens ein Lichtwellenleiter (3) verlegt ist, wobei der Lichtwellenleiter (3) mit einer Auswerteeinrichtung (4) zur Erfassung der Temperatur und/oder zur Erfassung der Stoffkonzentration in der Ofenluft in Verbindung steht.
2. Ofen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) zur Temperaturermittlung mittels aus dem Lichtwellenleiter (3) austretendem reflektiertem Licht geeignet ist, das an Faser-Bragg-Gittern reflektiert wird, die in den Lichtwellenleiter (3) eingebracht sind auszuwerten.
3. Ofen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) zur Erfassung der Stoffkonzentration m ittels Nahinfrarot- spektroskopischer Signale geeignet ist, die über den Lichtwellenleiter (3) übertragen werden.
4. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wandung (2) mindestens zwei parallel zueinander in einem vorgege- benen Abstand (a) verlaufende Lichtwellenleiter (3', 3") verlegt sind, wobei die mindestens zwei Lichtwellenleiter (3', 3") vorzugsweise in einer Ebene senkrecht auf die Innenseite (5) der Wandung (2) liegen.
Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem oberen Bereich des Ofens (1 ) und in einem unteren Bereich des Ofens (1 ) jeweils mindestens ein Lichtwellenleiter (3) verlegt ist.
Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Lichtwellenleiter (3) in Bohrungen der Wandung (2) des Ofens (1 ) angeordnet ist.
Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (3) in einem diesen umgebenden Rohr angeordnet ist.
Verfahren zur Messung von Temperaturen in einem Ofen (1 ), insbesondere in einem Tunnelofen, einer metallurgischen Anlage, wobei der Ofen (1 ) eine sich in Längsrichtung (L) erstreckende Wandung (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Wandung (2) mindestens ein Lichtwellenleiter (3) verlegt ist, wobei die Erfassung der Temperatur der Wandung (2) des Ofens (1 ) durch aus dem Lichtwellenleiter (3) austretendes reflektiertes Licht erfolgt, das an Faser-Bragg-Gittern reflektiert wird, die in den Lichtwellenleiter (3) eingebracht sind.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wandung (2) mindestens zwei parallel zueinander in einem vorgegebenen Abstand (a) verlaufende Lichtwellenleiter (3', 3") verlegt sind, wobei die mindestens zwei Lichtwellenleiter (3', 3") vorzugsweise in einer Ebene senkrecht auf die Innenseite (5) der Wandung (2) liegen, wobei aus der Differenz der ermittelten Temperaturen an der Stelle der beiden Lichtwellenleiter (3', 3") der durch die Wandung (2) gehende Wärmestrom ermittelt wird.
10. Verfahren zur Messung von Stoffkonzentrationen in der Ofenluft in einem Ofen (1 ), insbesondere in einem Tunnelofen, einer metallurgischen Anlage, wobei der Ofen (1 ) eine sich in Längsrichtung (L) erstreckende Wandung (2) und mindestens einen Abgasabzug aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Wandung (2) und/oder im Bereich des Abgasabzugs mindestens ein Lichtwellenleiter (3) verlegt ist, wobei die Erfassung der Stoffkonzentration der Ofenluft durch Auswertung Nahinfrarot- spektroskopischer Signale erfolgt, die über den Lichtwellenleiter (3) übertragen werden.
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