WO2020011904A1 - Füllstandsüberwachung in einem schmelzreduktionsofen - Google Patents

Füllstandsüberwachung in einem schmelzreduktionsofen Download PDF

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WO2020011904A1
WO2020011904A1 PCT/EP2019/068641 EP2019068641W WO2020011904A1 WO 2020011904 A1 WO2020011904 A1 WO 2020011904A1 EP 2019068641 W EP2019068641 W EP 2019068641W WO 2020011904 A1 WO2020011904 A1 WO 2020011904A1
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furnace vessel
representation
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processing device
filling material
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Felix Max Fanghänel
Michael van den Heuvel
Mesut Göcoglu
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Sms Group Gmbh
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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for melting metallic feed materials.
  • the device has a furnace vessel for receiving and melting the feed materials and sensors, which are set up to measure the fill level of the filling material at several locations in the furnace vessel.
  • WO 2013/163983 A1 describes a scrap melting furnace / ladle furnace system in which the scrap is melted in the scrap melting furnace and the molten metal is tapped into a ladle furnace, in which the molten metal is overheated by electrical energy and the steel is optionally alloyed ,
  • the materials to be melted can be heated via electrodes which, connected to a high-current supply, plunge into the melting furnace.
  • the heating power for the melting process can be generated by the electrical resistance on the filling material (melting reduction furnace) and / or by an arc between the electrode and the filling material (arc furnace).
  • the filling with Level measurement evaluated. For this purpose, it is known to measure the fill levels at discrete locations and to automatically control the fill level in the furnace vessel taking into account the measured fill levels. The operator can determine the desired filling level in advance, whereupon the supply of the feed materials is controlled with the aid of a computer so that the filling level corresponds to the desired filling level.
  • EP 2 564 141 B1 describes a method for monitoring the loading condition in a metallurgical furnace, which uses a non-contact radar sensor above the feed material layer.
  • the sensor can be used to detect a distance between the surface of the feed material layer and a reference position, which is converted into a control signal for process control.
  • the fill level is currently displayed by specifying the fill levels using analog values or bar graphs.
  • Such a visualization is only partially transparent due to the complex arrangement of the sensors, electrodes, furnace walls, etc. In particular, mechanical loads on the electrodes cannot be evaluated or can only be evaluated with difficulty, as a result of which the electrodes can be damaged. If the filling on the outer walls is not sufficient, the brick lining on the side walls or the furnace ceiling may be damaged.
  • An object of the invention is to improve the process reliability when melting metallic feed materials.
  • the object is achieved with a device with the features of claim 1 and a method with the features of claim 8.
  • the device according to the invention is designed for melting metallic feed materials, such as scrap, sponge iron, pellets, ores and the like.
  • the device is preferably used to melt alloy components, possibly with additions, for the production of steel.
  • the device is preferably designed as a smelting reduction furnace or has one.
  • the invention is also applicable to other types of furnaces, such as an arc furnace.
  • the device has a furnace vessel for receiving and melting the feed materials, as a result of which the furnace vessel contains filling material during operation, which is about a mixture of the feed materials, the metallic melt and slag that have already been produced.
  • the device also has one or more sensors, which are set up to measure the filling level of the filling material at several points in the furnace vessel, and a data processing device.
  • the sensors preferably have devices for transmitting and receiving electromagnetic signals, such as radar signals or electromagnetic waves, such as laser beams.
  • the data processing device is set up to receive measurement data from the sensors and to create a representation, preferably a three-dimensional representation, of the height profile of the filling material in the furnace vessel from the received measurement data.
  • the number of measuring points is preferably large enough to be able to create a continuous or quasi-continuous height contour surface of the filling material in the furnace vessel. Possibly. the height profile can be supplemented by an interpolation between the measuring points.
  • a representation of the height profile here understood a data record or a data structure that corresponds directly to the height profile of the contents in the furnace vessel or from which the height profile can be derived.
  • the measurement of the fill levels and the production of the representation of the height profile by the data processing device improves the transparency of the fill state in the furnace vessel, since an overall representation of the fill state is achieved instead of the conventional height indication of selected points.
  • Machine protection-critical events such as an impending damage to an electrode or the furnace wall due to incorrect loading, can be identified and remedied at an early stage, which improves the durability of the device and process reliability.
  • the data processing device is preferably also configured to generate a three-dimensional visualization of the height profile from the representation, which can be displayed, for example, on a monitor.
  • the clear visualization supports the operator or metallurgist in the optimal determination of the filling of the furnace, which further optimizes furnace operation and further improves process reliability.
  • the data processing device is also set up to monitor the fill level at one or more points in the furnace vessel by means of the representation of the height profile. For this purpose, it can be checked regularly whether the level in question falls within a permissible parameter range or whether it satisfies a condition. For example, the fill level in question can be compared with a threshold value or a parameter range.
  • the threshold value or the parameter range does not have to be constant but can be changeable depending on process conditions, alloy components, process time etc.
  • the threshold value or parameter range - generally: the condition for determining the admissibility or a critical condition - can be determined manually or automatically and adjusted if necessary.
  • the data processing device is preferably also configured to determine a mechanical load on one or more components of the device, preferably sections of the wall of the furnace vessel and / or electrodes, which are in contact with the filling material, from the representation of the height profile.
  • the representation set out above is particularly suitable for determining specific loads in the furnace vessel, since height information and gradients can be determined at essentially every point in the furnace vessel. If the device has at least one electrode, preferably a cylindrical electrode, which is at least partially immersed in the filling material, then the data processing device is preferably set up to use the representation of the height profile to determine the filling height of the filling material on one or more circumferential sections of the electrode, and from it a mechanical one Determine the load on the electrode.
  • the fill level on the circumference of the electrode can be determined at one or more angles, the angle being taken in a sectional plane of the electrode perpendicular to the axial direction.
  • the load on the electrode in particular the degree of asymmetry, can be determined.
  • countermeasures can be taken to prevent damage to the electrode.
  • an alarm can be issued and / or the feed of the feed materials into the furnace vessel can be adjusted, for example by an adaptive control.
  • the object set out above is also achieved by a method for melting metallic feed materials. According to the method, the feed materials are melted down in a furnace vessel, as a result of which the furnace vessel contains contents.
  • the filling level of the filling material is measured at several points in the furnace vessel by means of one or more sensors.
  • the measurement data of the sensors are received by means of a data processing device and a representation, preferably a three-dimensional representation, of the flea profile of the filling material in the furnace vessel is determined therefrom.
  • the invention is particularly preferably used in smelting reduction furnaces, the invention can also be implemented in other furnace systems, such as arc furnaces, which are equipped or can be equipped with a fill level measurement.
  • FIG. 1 schematically shows the basic structure of a metallurgical device with a smelting reduction furnace and a data processing device for determining a representation of the fill level in the furnace vessel.
  • FIG. 2 shows an exemplary three-dimensional visualization of the filling state of the smelting reduction furnace.
  • FIG. 3 schematically shows a cross section of an electrode perpendicular to the axial direction of the electrode.
  • FIG. 1 schematically shows the basic structure of a metallurgical device 1 with a smelting reduction furnace 2 for smelting feed materials E such as scrap, sponge iron, pellets, ores and the like.
  • the smelting reduction furnace 2 has a furnace vessel 10 which is a refractory container for receiving and melting the feed materials E such as scrap, sponge iron, pellets, ores and the like.
  • the smelting reduction furnace 2 has a furnace vessel 10 which is a refractory container for receiving and melting the
  • Feed materials E is.
  • the furnace vessel 10 has a bottom 11, walls 12 and a ceiling 13.
  • the feed materials E are introduced into the furnace vessel 10 via one or more feed openings 14.
  • the feed, in particular the feed quantity and feed location, of the feed materials E is preferably regulated automatically, for example depending on the filling state of the furnace vessel 10, the nature of the feed materials E and / or other process conditions.
  • the smelting reduction furnace 2 has one or more electrodes 20 which extend into the furnace vessel 10 and at least partially immerse in the product F inside.
  • the content F of the melted and to be melted content of the furnace vessel 10 is referred to, which is essentially a mixture of the feed materials E, the already produced metallic melt and slag.
  • the electrodes 20 are connected to a power supply (not shown), as a result of which there is a pickling power due to the electrical resistance on the filling material F, in particular on the slag formed during the melting. It should be pointed out that other principles of melting are also possible, such as the generation of arcs between the electrodes and the filling material. Furthermore, the electrodes 20 can be self-consuming electrodes. In order to be able to track the electrodes 20 in the course of the melting process while they are being consumed, the device 1 is preferably set up in such a way that the electrodes 20 can be adjusted at least in height in order to regulate their immersion depth.
  • the smelting reduction furnace 2 also has one or more sensors 30, which are set up to measure the fill level of the filling material F relative to the sensor 30 in question.
  • the sensors 30 are preferably radar sensors which have one or more transmitting and receiving units.
  • the transmitter units emit radar signals, possibly of different frequencies, directed towards the filling material F in the furnace vessel 10.
  • the reflected signals are received by the receiving units, from which a three-dimensional representation and / or representation of the surface structure of the filling material F can be created.
  • the transmitting and receiving units can be provided separately and do not have to be subject to a unambiguous relationship.
  • the radar signals are generated by a transmitter unit while the reflected signals are received by several receiver units.
  • the term "sensor” thus includes any arrangement of transmitting and receiving units, provided that a representation and / or representation of the surface structure of the filling material F can be produced from the received signals. For example can also be achieved by means of only one transmitting unit and only one receiving unit if, for example, the receiving unit is provided to be movable and the reflected signals can thus be received at different points in time.
  • the sensors 30 are not limited to the radar principle. Using a laser measurement technique, the sensors 30 can be laser sensors as an alternative or in combination.
  • a data processing device 40 is provided, which for example can be part of the smelting reduction furnace 2 or also embedded in an overall architecture or a network.
  • the data processing device 40 receives the sensor data via a suitable interface via cable or wirelessly.
  • the data processing device 40 is set up to use the received sensor data to produce a three-dimensional representation of the surface structure, i.e. to calculate the height profile, the contents F in the furnace vessel 10.
  • a representation is understood here to mean a data record or a data structure which corresponds directly to the height profile of the filling material F in the furnace vessel 10 or from which the height profile can be derived.
  • the representation can use a parameter space that is more suitable than the immediate height profile for further calculations or visualizations, insofar as the height profile of the product F can be derived from the representation.
  • the representation can preferably be displayed visually on a monitor.
  • FIG. 2 shows a three-dimensional visualization of an exemplary filling state of the smelting reduction furnace 2.
  • the electrodes 20 immersed in the filling material F are shown schematically.
  • the height profile of the filling material F is shown shaded, a substantially regular profile of cones of the same height being shown in the present example. The darker the shading, the higher the corresponding point of the height profile.
  • the height profile shown by way of example in FIG. 2 (or another suitable representation) not only increases the transparency of the loading in the furnace vessel 10, but also enables a visual or algorithmic evaluation of the filling status. For example, the loading at certain critical points in the furnace vessel 10 can be monitored.
  • FIG. 3 schematically shows a cross section of an electrode 20 perpendicular to the axial direction of the electrode 20.
  • the operator of the system can act accordingly.
  • the filling of the furnace vessel 10 can be automatically adapted by an adaptive control in order to reduce the load.
  • an alarm can also be generated and / or the filling of the furnace vessel 10 can be adapted by an adaptive control: h electrode a ⁇ ⁇ min. electrode filling (2)
  • Analog can be the level, h Se itenwand, on the walls 12 or portions of the walls 12 to monitor and evaluate. If this is too low, an alarm can also be generated and / or the filling of the furnace vessel 10 can be adapted by an adaptive control: h side wall (° 0 ⁇ min wall filling (3)
  • individual fill levels in the furnace vessel 10, h feed can be monitored. If the fill level (e.g. due to different cones of bulk) is too high or too low, an alarm can also be generated and / or the filling of the furnace vessel 10 can be adapted by an adaptive control:
  • the evaluation of the height profile in the furnace vessel 10, the monitoring of the filling status and the detection and correction of critical fillings (critical, for example with regard to material protection, process protection or machine protection) are preferably carried out algorithmically.

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Abstract

Vorrichtung (1) und Verfahren zum Einschmelzen metallischer Einsatzmaterialien (E), wobei die Vorrichtung (1) aufweist: ein Ofengefäß (10) zur Aufnahme und zum Einschmelzen der Einsatzmaterialien (E), wodurch das Ofengefäß (10) im Betrieb Füllgut (F) enthält; einen oder mehrere Sensoren (30), die eingerichtet sind, um die Füllhöhe des Füllguts (F) an mehreren Stellen im Ofengefäß (10) zu messen; und eine Datenverarbeitungseinrichtung (40), die eingerichtet ist, um Messdaten der Sensoren (30) zu empfangen und aus den empfangenen Messdaten eine Repräsentation, vorzugsweise eine dreidimensionale Repräsentation, des Höhenprofils des Füllguts (F) im Ofengefäß (10) zu erstellen.

Description

Füllstandsüberwachung in einem Schmelzreduktionsofen
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einschmelzen metallischer Einsatzmaterialien. Die Vorrichtung weist ein Ofengefäß zur Aufnahme und zum Einschmelzen der Einsatzmaterialien und Sensoren auf, die eingerichtet sind, um die Füllhöhe des Füllguts an mehreren Stellen im Ofengefäß zu messen.
Flintergrund der Erfindung
Es sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung von Metal durch Einschmelzen von Legierungsbestandteilen, Schrott, Eisenschwamm und dergleichen bekannt. So beschreibt die WO 2013/163983 A1 ein Schrottschmelzofen-Pfannenofen-System, bei dem der Schrott im Schrottschmelzofen eingeschmolzen und die Metallschmelze in einen Pfannenofen abgestochen wird, in dem ein Überhitzen des geschmolzene Metalls durch elektrische Energie erfolgt und der Stahl ggf. fertig legiert wird.
Das Erhitzen der einzuschmelzenden Materialien, auch als Einsatzmaterialien bezeichnet, kann über Elektroden erfolgen, die angeschlossen an eine Hochstromversorgung in den Schmelzofen eintauchen. Die Heizleistung für den Schmelzprozess kann durch den elektrischen Widerstand am Füllgut (Schmelzreduktionsofen) und/oder durch einen Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Füllgut (Lichtbogenofen) erzeugt werden.
Komplexe physikalische Vorgänge im Schmelzofen, hohe Temperaturen und die räumliche Ausdehnung erschweren die Einschätzung des aktuellen Befüllungszustands. Zur Unterstützung der Bedienperson wird die Befüllung mit Hilfe von Füllstandsmessungen evaluiert. Hierzu ist bekannt, die Füllstände an diskreten Stellen zu messen und das Füllniveau im Ofengefäß unter Berücksichtigung der gemessenen Füllstände automatisch zu steuern. So kann das gewünschte Füllniveau von der Bedienperson im Voraus festgelegt werden, woraufhin die Zufuhr der Einsatzmaterialien rechnergestützt so geregelt wird, dass der Füllstand dem gewünschten Füllniveau entspricht.
Die EP 2 564 141 B1 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung des Beladungszustands in einem Hüttenofen, das einen berührungslosen Radarsensor oberhalb der Zuführmaterialschicht anwendet. Mit dem Sensor lässt sich ein Abstand zwischen der Oberfläche der Zuführmaterialschicht und einer Referenzposition erfassen, der umgewandelt in ein Steuersignal zur Prozessteuerung verwendet wird. Weiterhin ist bekannt, die gemessenen Füllstände zu visualisieren, um der Bedienperson den Befüllungszustand anzuzeigen. Gegenwärtig wird der Füllstand durch Angabe der Füllhöhen mittels analoger Werte oder Bargraphen dargestellt. Durch die komplexe Anordnung der Sensoren, Elektroden, Ofenwände usw. ist eine solche Visualisierung nur bedingt transparent. Insbesondere lassen sich mechanische Belastungen auf die Elektroden nicht oder nur schwer auswerten, wodurch es zu Beschädigungen der Elektroden kommen kann. Wenn die Befüllung an den Außenwänden nicht ausreichend ist, kann es zudem zu einer Beschädigung der Ausmauerung an den Seitenwänden oder der Ofendecke kommen.
Darstellung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Prozesssicherheit beim Einschmelzen metallischer Einsatzmaterialien zu verbessern. Gelöst wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen, der folgenden Darstellung der Erfindung sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum Einschmelzen metallischer Einsatzmaterialien, etwa Schrott, Eisenschwamm, Pellets, Erze und dergleichen, ausgelegt. Vorzugsweise dient die Vorrichtung zum Einschmelzen von Legierungsbestandteilen, ggf. unter Beifügung von Zuschlägen, zur Herstellung von Stahl. Die Vorrichtung ist vorzugsweise als Schmelzreduktionsofen ausgeführt oder weist einen solchen auf. Allerdings ist die Erfindung auch für andere Ofentypen anwendbar, so etwa für einen Lichtbogenofen.
Die Vorrichtung weist ein Ofengefäß zur Aufnahme und zum Einschmelzen der Einsatzmaterialien auf, wodurch das Ofengefäß im Betrieb Füllgut enthält, das etwa eine Mischung aus den Einsatzmaterialien, der bereits hergestellten metallischen Schmelze und Schlacke ist. Die Vorrichtung weist ferner einen oder mehrere Sensoren, die eingerichtet sind, um die Füllhöhe des Füllguts an mehreren Stellen im Ofengefäß zu messen, und eine Datenverarbeitungseinrichtung auf. Vorzugsweise weisen die Sensoren Einrichtungen zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Signale, etwa Radarsignale oder elektromagnetischer Wellen, etwa Laserstrahlen, auf. Die Datenverarbeitungseinrichtung ist eingerichtet, um Messdaten der Sensoren zu empfangen und aus den empfangenen Messdaten eine Repräsentation, vorzugsweise eine dreidimensionale Repräsentation, des Höhenprofils des Füllguts im Ofengefäß zu erstellen.
Vorzugsweise ist die Anzahl der Messpunkte groß genug, um eine kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Höhenkonturfläche des Füllguts im Ofengefäß erstellen zu können. Ggf. kann das Höhenprofil durch eine Interpolation zwischen den Messpunkten ergänzt werden. Unter einer Repräsentation des Höhenprofils wird hierbei ein Datensatz oder eine Datenstruktur verstanden, die dem Höhenprofil des Füllguts im Ofengefäß unmittelbar entspricht oder aus der das Höhenprofil ableitbar ist. Die Messung der Füllstände und Herstellung der Repräsentation des Höhenprofils durch die Datenverarbeitungseinrichtung verbessert die Transparenz des Füllzustands im Ofengefäß, da anstelle der herkömmlichen Höhenangabe ausgewählter Punkte eine Gesamtdarstellung des Füllzustands erzielt wird. Maschinenschutzkritische Ereignisse, wie beispielsweise eine drohende Beschädigung einer Elektrode oder der Ofenwandung durch falsche Beschickung, sind frühzeitig erkennbar und behebbar, wodurch die Haltbarkeit der Vorrichtung und die Prozesssicherheit verbessert werden.
Vorzugsweise ist die Datenverarbeitungseinrichtung ferner eingerichtet, um aus der Repräsentation eine dreidimensionale Visualisierung des Höhenprofils, die beispielsweise auf einem Monitor darstellbar ist, zu erzeugen. Die anschauliche Visualisierung unterstützt den Bediener oder Metallurgen bei der optimalen Bestimmung der Befüllung des Ofens, wodurch der Ofenbetrieb weiter optimiert und die Prozesssicherheit weiter verbessert werden.
Vorzugsweise ist die Datenverarbeitungseinrichtung ferner eingerichtet, um mittels der Repräsentation des Höhenprofils die Füllhöhe an einer oder mehreren Stellen im Ofengefäß zu überwachen. Zu diesem Zweck kann regelmäßig geprüft werden, ob die betreffende Füllhöhe in einen zulässigen Parameterbereich fällt oder einer Bedingung genügt. So kann die betreffende Füllhöhe etwa mit einem Schwellwert oder einem Parameterbereich verglichen werden. Der Schwellwert bzw. der Parameterbereich muss nicht konstant sein sondern kann in Abhängigkeit von Verfahrensbedingungen, Legierungsbestandteilen, Prozesszeit usw. veränderbar sein. Ferner können der Schwellwert oder Parameterbereich - allgemein: die Bedingung zur Feststellung der Zulässigkeit oder eines kritischen Zustands - manuell oder automatisch ermittelt und ggf. angepasst werden. Wird während der Überwachung ein kritischer Zustand festgestellt, kann beispielsweise ein Alarm ausgegeben und/oder die Zufuhr der Einsatzmaterialien in das Ofengefäß, etwa durch eine adaptive Regelung, angepasst werden. Solche Maßnahmen zur Optimierung des Ofenbetriebs können von der Datenverarbeitungseinrichtung vorgenommen oder von dieser veranlasst werden. Auf diese Weise lässt sich die Prozesssicherheit weiter verbessern.
Vorzugsweise ist die Datenverarbeitungseinrichtung ferner eingerichtet, um aus der Repräsentation des Höhenprofils eine mechanische Belastung auf eine oder mehrere mit dem Füllgut in Kontakt stehende Komponenten der Vorrichtung, vorzugsweise Abschnitte der Wandung des Ofengefäßes und/oder Elektroden, zu ermitteln. Zur Bestimmung spezifischer Belastungen im Ofengefäß ist die oben dargelegte Repräsentation besonders geeignet, da Höhenangaben an im Wesentlichen jedem Punkt im Ofengefäß und Gradienten ermittelbar sind. Weist die Vorrichtung zumindest eine Elektrode, vorzugsweise eine zylindrische Elektrode, auf, die zumindest teilweise in das Füllgut eintaucht, dann ist die Datenverarbeitungseinrichtung vorzugsweise eingerichtet, um aus der Repräsentation des Höhenprofils die Füllhöhe des Füllguts an einem oder mehreren Umfangsabschnitten der Elektrode und daraus eine mechanische Belastung auf die Elektrode zu ermitteln. So kann die Füllhöhe am Umfang der Elektrode beispielsweise unter einem oder mehreren Winkeln ermittelt werden, wobei der Winkel in einer Schnittebene der Elektrode senkrecht zur Axialrichtung genommen wird. Auf diese Weise lässt sich die Belastung auf die Elektrode, insbesondere der Grad der Asymmetrie, feststellen. Wirkt auf die Elektrode eine zu starke einseitige mechanische Kraft, können somit Gegenmaßnahmen ergriffen werden, um einer Beschädigung der Elektrode vorzubeugen. So kann im Fall einer kritischen asymmetrischen Belastung auf die Elektrode ein Alarm ausgegeben und/oder die Zufuhr der Einsatzmaterialien in das Ofengefäß angepasst werden, beispielsweise durch eine adaptive Regelung. Die oben dargelegte Aufgabe wird ferner von einem Verfahren zum Einschmelzen metallischer Einsatzmaterialien gelöst. Gemäß dem Verfahren werden die Einsatzmaterialien in einem Ofengefäß eingeschmolzen, wodurch das Ofengefäß Füllgut enthält. Ferner wird die Füllhöhe des Füllguts an mehreren Stellen im Ofengefäß mittels eines oder mehrerer Sensoren gemessen. Mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung werden die Messdaten der Sensoren empfangen und daraus eine Repräsentation, vorzugsweise eine dreidimensionale Repräsentation, des Flöhenprofils des Füllguts im Ofengefäß ermittelt. Die technischen Wirkungen, bevorzugten Ausführungsformen und Beiträge zum Stand der Technik, die in Bezug auf die Vorrichtung beschrieben wurden, gelten analog für das Verfahren.
Wenngleich die Erfindung besonders bevorzugt bei Schmelzreduktionsöfen zum Einsatz kommt, kann die Erfindung auch in anderen Ofenanlagen, etwa Lichtbogenöfen, umgesetzt werden, die mit einer Füllstandsmessung ausgestattet oder ausstattbar sind.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben dargelegten Merkmale realisiert werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele erfolgt mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Figur 1 zeigt auf schematische Weise den Grundaufbau einer metallurgischen Vorrichtung mit einem Schmelzreduktionsofen sowie einer Datenverarbeitungseinrichtung zur Ermittlung einer Repräsentation des Füllstands im Ofengefäß. Die Figur 2 zeigt eine beispielhafte dreidimensionale Visualisierung des Befüllungszustands des Schmelzreduktionsofens. Die Figur 3 zeigt schematisch einen Querschnitt einer Elektrode senkrecht zur Axialrichtung der Elektrode.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei sind gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholende Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
Die Figur 1 zeigt auf schematische Weise den Grundaufbau einer metallurgischen Vorrichtung 1 mit einem Schmelzreduktionsofen 2 zum Einschmelzen von Einsatzmaterialien E wie etwa Schrott, Eisenschwamm, Pellets, Erze und dergleichen. Zu diesem Zweck weist der Schmelzreduktionsofen 2 ein Ofengefäß 10 auf, das ein feuerfester Behälter zur Aufnahme und zum Einschmelzen der
Einsatzmaterialien E ist.
Das Ofengefäß 10 weist einen Boden 11 , Wände 12 und eine Decke 13 auf. Die Einsatzmaterialien E werden über eine oder mehrere Zufuhröffnungen 14 in das Ofengefäß 10 eingebracht. Die Zufuhr, insbesondere Zufuhrmenge und Zufuhrort, der Einsatzmaterialien E wird vorzugsweise automatisch geregelt, etwa in Abhängigkeit des Befüllungszustands des Ofengefäßes 10, der Beschaffenheit der Einsatzmaterialien E und/oder weiteren Prozessbedingungen. Zum Erschmelzen der Einsatzmaterialien E weist der Schmelzreduktionsofen 2 eine oder mehrere Elektroden 20 auf, die in das Ofengefäß 10 und zumindest teilweise in das darin befindliche Füllgut F eintauchen. Als Füllgut F wird der geschmolzene und zu schmelzende Inhalt des Ofengefäßes 10 bezeichnet, der im Wesentlichen eine Mischung aus den Einsatzmaterialien E, der bereits hergestellten metallischen Schmelze und Schlacke ist. Die Elektroden 20 sind an eine nicht dargestellte Stromversorgung angeschlossen, wodurch aufgrund des elektrischen Widerstands am Füllgut F, insbesondere an der sich bei der Aufschmelzung bildenden Schlacke, eine Fleizleistung entsteht. Es sei darauf hingewiesen, dass auch andere Prinzipien der Aufschmelzung in Frage kommen, so etwa die Erzeugung von Lichtbögen zwischen den Elektroden und dem Füllgut Ferner können die Elektroden 20 sich selbst verbrauchende Elektroden sein. Um die Elektroden 20 in diesem Fall im Verlaufe des Schmelzprozesses, während sie verbraucht werden, nachführen zu können, ist die Vorrichtung 1 vorzugsweise so eingerichtete, dass die Elektroden 20 zumindest in der Höhe verstellbar sind, um ihre Eintauchtiefe zu regulieren.
Der Schmelzreduktionsofen 2 weist ferner einen oder mehrere Sensoren 30 auf, die eingerichtet sind, um die Füllhöhe des Füllguts F relativ zum betreffenden Sensor 30 zu messen. Die Sensoren 30 sind vorzugsweise Radarsensoren, die eine oder mehrere Sende- und Empfangseinheiten aufweisen. Die Sendeeinheiten emittieren Radarsignale, ggf. unterschiedlicher Frequenz, gerichtet auf das Füllgut F im Ofengefäß 10. Die reflektierten Signale werden von den Empfangseinheiten empfangen, woraus sich eine dreidimensionale Darstellung und/oder Repräsentation der Oberflächenstruktur des Füllguts F erstellen lässt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Sende- und Empfangseinheiten getrennt vorgesehen sein können und nicht einer ein-eindeutigen Beziehung unterliegen müssen. Insbesondere ist es technisch denkbar, dass die Radarsignale durch eine Sendeeinheit erzeugt werden, während die reflektierten Signale von mehreren Empfangseinheiten empfangen werden. Die Bezeichnung "Sensor" umfasst somit jede Anordnung von Sende- und Empfangseinheiten, sofern aus den empfangenen Signalen eine Darstellung und/oder Repräsentation der Oberflächenstruktur des Füllguts F herstellbar ist. So kann dies beispielsweise auch mittels nur einer Sendeeinheit und nur einer Empfangseinheit erreicht werden, wenn etwa die Empfangseinheit beweglich vorgesehen ist und die reflektierten Signale somit zu unterschiedlichen Zeitpunkten an unterschiedlichen Stellen empfangbar sind. Zudem sind die Sensoren 30 nicht auf das Radarprinzip beschränkt. So können unter Anwendung einer Lasermesstechnik die Sensoren 30 alternativ oder in Kombination Lasersensoren sein.
Zur Auswertung der von den Sensoren 30 aufgenommenen Messdaten ist eine Datenverarbeitungseinrichtung 40 vorgesehen, die beispielsweise Teil des Schmelzreduktionsofens 2 oder auch eingebettet in eine Gesamtarchitektur oder ein Netzwerk sein kann. Die Datenverarbeitungseinrichtung 40 empfängt über eine geeignete Schnittstelle via Kabel oder kabellos die Sensordaten. Die Datenverarbeitungseinrichtung 40 ist eingerichtet, um aus den empfangenen Sensordaten eine dreidimensionale Repräsentation der Oberflächenstruktur, d.h. des Höhenprofils, des Füllguts F im Ofengefäß 10 zu berechnen. Unter einer Repräsentation wird hierbei ein Datensatz oder eine Datenstruktur verstanden, die dem Höhenprofil des Füllguts F im Ofengefäß 10 unmittelbar entspricht oder aus der das Höhenprofil ableitbar ist. So kann die Repräsentation beispielsweise einen Parameterraum nutzen, der für weitergehende Berechnungen oder Visualisierungen geeigneter als das unmittelbare Höhenprofil ist, insofern sich aus der Repräsentation das Höhenprofil des Füllguts F ableiten lässt. Vorzugsweise ist die Repräsentation visuell auf einem Monitor darstellbar.
So zeigt die Figur 2 eine dreidimensionale Visualisierung eines beispielhaften Befüllungszustands des Schmelzreduktionsofens 2. Die in das Füllgut F eingetauchten Elektroden 20 sind schematisch eingezeichnet. Das Höhenprofil des Füllguts F ist schattiert dargestellt, wobei im vorliegenden Beispiel ein im Wesentlichen regelmäßiges Profil aus gleichhohen Kegeln gezeigt ist. Je dunkler die Schattierung, desto höher der entsprechende Punkt des Höhenprofils. Das in der Figur 2 beispielhaft dargestellte Höhenprofil (oder eine andere geeignete Repräsentation) erhöht nun nicht nur die Transparenz der Beladung im Ofengefäß 10, sondern ermöglicht zudem eine visuelle oder algorithmische Auswertung des Befüllungszustands. So lässt sich etwa die Beladung an bestimmten kritischen Stellen im Ofengefäß 10 überwachen. Ferner lassen sich Belastungen, wie etwa mechanische Momente oder Kräfte, bestimmen, die auf Komponenten des Schmelzreduktionsofens 2, beispielsweise auf die Elektroden 20 und/oder die Wände 12, wirken. Die Figur 3 zeigt schematisch einen Querschnitt einer Elektrode 20 senkrecht zur Axialrichtung der Elektrode 20.
Um die Belastung auf die Elektrode(n) 20 zu ermitteln, wird gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel aus der ermittelten Repräsentation des Höhenprofils die Füllhöhe des Füllguts F am Umfang der Elektrode / unter einem beliebigen Winkel er, d.h. hEiektrode, ,(cr), bestimmt. Eine kritische asymmetrische Belastung liegt vor, wenn die Füllhöhe am Umfang der Elektrode / unter dem Winkel er die Summe aus der Füllhöhe an einer von er versetzten Stelle (etwa der gegenüberliegenden Seite, y=180°, wobei / einen Winkelabstand bezeichnet) und einem Parameter, etwa einem Alarmniveau hAiarmLevei, übersteigt:
Figure imgf000011_0001
Wird ein Alarm generiert, kann die Bedienperson der Anlage entsprechend agieren. Alternativ oder zusätzlich kann die Befüllung des Ofengefäßes 10 durch eine adaptive Regelung automatisch angepasst werden, um die Belastung zu verringern.
Sollte der Bereich um die Elektrode(n) 20 nicht ausreichend befüllt sein, so kann ebenfalls ein Alarm generiert und/oder die Befüllung des Ofengefäßes 10 durch eine adaptive Regelung angepasst werden: h Elektrode a < ^min .ElektrodenBefilllung (2)
Analog lässt sich der Füllstand, hSeitenwand, an den Wänden 12 oder Abschnitten der Wände 12 überwachen und auswerten. Ist dieser zu niedrig, kann ebenfalls ein Alarm generiert und/oder die Befüllung des Ofengefäßes 10 durch eine adaptive Regelung angepasst werden: h Seiten wand (°0 < ^min Wandbefüllung (3)
Des Weiteren lassen sich gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel einzelne Füllstände im Ofengefäß 10, h Beschickung, überwachen. Ist der Füllstand (z.B. durch unterschiedliche Schüttkegel) zu hoch oder zu niedrig, kann ebenfalls ein Alarm generiert und/oder die Befüllung des Ofengefäßes 10 durch eine adaptive Regelung angepasst werden:
^ Beschickung < ^min .Beschickung (4)
^ Beschickung > ^max .Beschickung (5)
Die Auswertung des Höhenprofils im Ofengefäß 10, die Überwachung des Befüllungszustands sowie das Feststellen und die Korrektur kritischer Befüllungen (kritisch etwa im Hinblick auf den Materialschutz, Prozessschutz oder Maschinenschutz) erfolgen vorzugsweise algorithmisch.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den
Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Bezugszeichenliste
I Vorrichtung zum Einschmelzen von Metall 2 Reduktionsofen
10 Ofengefäß
I I Boden
12 Wand
13 Decke
14 Zufuhröffnung
20 Elektrode
30 Sensor
40 Datenverarbeitungseinrichtung E Einsatzmaterial
F Füllgut

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1 ) zum Einschmelzen metallischer Einsatzmaterialien (E), die aufweist:
ein Ofengefäß (10) zur Aufnahme und zum Einschmelzen der Einsatzmaterialien (E), wodurch das Ofengefäß (10) im Betrieb Füllgut (F) enthält;
einen oder mehrere Sensoren (30), die eingerichtet sind, um die Füllhöhe des Füllguts (F) an mehreren Stellen im Ofengefäß (10) zu messen; und eine Datenverarbeitungseinrichtung (40), die eingerichtet ist, um Messdaten der Sensoren (30) zu empfangen und aus den empfangenen Messdaten eine Repräsentation, vorzugsweise eine dreidimensionale Repräsentation, des Flöhenprofils des Füllguts (F) im Ofengefäß (10) zu erstellen.
2. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (40) ferner eingerichtet ist, um aus der Repräsentation eine dreidimensionale Visualisierung des Höhenprofils, die beispielsweise auf einem Monitor darstellbar ist, zu erzeugen.
3. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (40) ferner eingerichtet ist, um mittels der Repräsentation des Höhenprofils die Füllhöhe an einer oder mehreren Stellen im Ofengefäß (10) zu überwachen, vorzugsweise mit einem Schwellwert oder Parameterbereich zu vergleichen, und bei Feststellung eines kritischen Zustands eine Maßnahme, vorzugsweise eine Ausgabe eines Alarms und/oder eine Anpassung der Zufuhr der Einsatzmaterialien (E) in das Ofengefäß (10), zu veranlassen.
4. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (40) ferner eingerichtet ist, um aus der Repräsentation des Höhenprofils eine Belastung auf eine oder mehrere mit dem Füllgut (F) in Kontakt stehende Komponenten der Vorrichtung (1 ), vorzugsweise einen oder mehrere
Abschnitte der Wandung des Ofengefäßes (10) und/oder eine oder mehrere Elektroden (20), zu ermitteln.
5. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1 ) zumindest eine Elektrode (20) aufweist, die zumindest teilweise in das Füllgut (F) eintaucht, und die Datenverarbeitungseinrichtung (40) eingerichtet ist, um aus der Repräsentation des Höhenprofils die Füllhöhe des Füllguts (F) an einem oder mehreren Umfangsabschnitten der Elektrode (20) und daraus eine Belastung auf die Elektrode (20) zu ermitteln.
6. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Datenverarbeitungseinrichtung (40) eingerichtet ist, um im Fall einer kritischen asymmetrischen Belastung auf die Elektrode (20) eine Ausgabe eines Alarms und/oder eine Anpassung der Zufuhr der Einsatzmaterialien
(E) in das Ofengefäß (10) zu veranlassen.
7. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (30) zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen Signalen, vorzugsweise Radarsignalen und/oder
Lasersignalen, eingerichtet sind.
8. Verfahren zum Einschmelzen metallischer Einsatzmaterialien (E), das aufweist:
Einschmelzen der Einsatzmaterialien (E) in einem Ofengefäß (10), wodurch das Ofengefäß (10) Füllgut (F) enthält; Messen der Füllhöhe des Füllguts (F) an mehreren Stellen im Ofengefäß (10) mittels eines oder mehrerer Sensoren (30); und
Empfangen von Messdaten der Sensoren (30) und Ermitteln einer Repräsentation, vorzugsweise einer dreidimensionalen Repräsentation, des Flöhenprofils des Füllguts (F) im Ofengefäß (10) mittels einer
Datenverarbeitungseinrichtung (40).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Datenverarbeitungseinrichtung (40) aus der Repräsentation eine dreidimensionale Visualisierung des Höhenprofils erzeugt und vorzugsweise auf einem Monitor dargestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (40) mittels der Repräsentation des Höhenprofils die Füllhöhe an einer oder mehreren Stellen im Ofengefäß
(10) überwacht, vorzugsweise mit einem Schwellwert oder Parameterbereich vergleicht, und bei Feststellung eines kritischen Zustands eine Maßnahme, vorzugsweise eine Ausgabe eines Alarms und/oder eine Anpassung der Zufuhr der Einsatzmaterialien (E) in das Ofengefäß (10), veranlasst.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (40) aus der Repräsentation des Höhenprofils eine Belastung auf eine oder mehrere mit dem Füllgut (F) in Kontakt stehende Komponenten, vorzugsweise einen oder mehrere
Abschnitte der Wandung des Ofengefäßes (10) und/oder eine oder mehrere Elektroden (20), ermittelt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (40) aus der Repräsentation des
Höhenprofils die Füllhöhe des Füllguts (F) an einem oder mehreren Umfangsabschnitten einer zylindrischen Elektrode (20), die zumindest teilweise in das Füllgut (F) eintaucht, und daraus eine Belastung auf die Elektrode (20) ermittelt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Datenverarbeitungseinrichtung (40) im Fall einer kritischen asymmetrischen Belastung auf die Elektrode (20) eine Ausgabe eines Alarms und/oder eine Anpassung der Zufuhr der Einsatzmaterialien (E) in das Ofengefäß (10) veranlasst
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (30) elektromagnetische Signale, vorzugsweise Radarsignale und/oder Lasersignale, senden und empfangen.
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