DE2742576B2 - Gerat zur Messung des Kohlenstoffgehalts einer Probe einer Stahl- oder Gußeisenschmelze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Bestimmung des Kohlenstoffgehalts von Stahl-

2) schmelzen anhand der Abkühiungskurve einer Probe findet insbesondere bei der Stahlherstellung und in der Gießereitechnik Anwendung, um in einem relativ rasch durchführbare λ Verfahren diesbezüglich die Zusammensetzung der Schmelze zu ermitteln und ggf. ein Maß

ι» zu einer noch erforderlichen Korrektur des Kohlenstoffgehalts vor dem Abguß zu erhalten. Bei der Abkühlungskurve einer entsprechenden Probe entstehen charakteristische Werte durch eine auffällige Verlangsamung, einen Stillstand oder sogar eine

i^r> vorübergehende Umkehr im zeitlichen Gefalle der Abkühlungskühlungskurve. wenn die Probe bei ihrer Abkühlung eine Phasengrenze erreicht, wie sie z. B. aus dem bekannten Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ersichtlich ist. Da die entsprechenden Temperaturwerte von dem Kohlenstoffgehalt der Schmelze abhängig sind, eignen sie sich zu einem Rückschluß auf den Kohlenstoffgehalt, beispielsweise mit Hilfe des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms oder geeigneter Rechenformeln bzw. Tabellen. Aus Zeit- und Kostengründen

4^ri besteht dabei selbstverständlicherweise das Bedürfnis, diese Ermittlung weitgehend durch entsprechende Meßgeräte zu erledigen.

Ein Meßgerät der eingangs bezeichneten Art ist bereits aus der DD-PS 98 160 bekannt. Bei diesem Gerät

"'» wird mit Hilfe der Überwachungseinrichtung der Eintritt eines stationären Werts der Abkühlungskurve überwacht und dieser stationäre Wert als Liquidus-Meßwert einer Auswerteinrichtung zugeführt, die daraus einen Wert für den Kohlenstoffgehalt der Schmelze ermittelt. Neben der Unsicherheit, ob die Abkühlungskurve tatsächlich den dort vorauszusetzenden stationären Wert einnimmt, ist insbesondere die Verschiebung des Liquidus-Meßwerts durch Legierungsbe'mengungen wie Silizium oder Phosphor Ursaehe für bisweilen beträchtliche Verfälschungen des Meßergebnisses bei dem bekannten Meßgerät.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßgerät zur selbsttätigen Bestimmung des Kohlenstoffgehalts einer Stahlschmelzenprobe zu schaffen, welches in einer

b5 zuverlässigen Arbeitsweise sowohl für den Stahlschmelzenbereich mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wie auch für den Gußeisenschmelzenbereich mit hohem Kohlenstoffgehalt anwendbar ist, bei letzterem jedoch die sich

durch Legierungsbeimengungen ergebenden Fehler vermeidet

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst Diese Lösung macht sich den aus dem bekannten Eisen-Kohlenstoff-Dagramm erkennbaren Abfall der Liquidus-Linie im Bereich höherer, für Gußeisenschmelzen in Betracht zu ziehender Kohlenstoffgehalte zu eigen, um anhand eines zuvor bestimmten Liquidus-Meßwerts selbsttätig eine ggf. vorliegende Gußeisenschmelze festzustellen und dementsprechend eine spezifische Auswertung vorzusehen. Der Zuverlässigkeit einer solchen Unterscheidung kommt dabei zugute, daß in der Praxis der Grenzbereich zwischen Stahl und Gußeisen kaum benutzt wird, vielmehr üblicherweise zu ersterem Kohlenstoffgehalte bis zu etwa einem Gewichtsprozent zu letzterem Kohlenstoffgehaite ab 2,5 Gewichtsprozenten typisch sind. Man kann hier also von dem aus dem Eisen-Kohlen^toff-Diagramm entnehmbaren Grenzwert von 2% ausgehen, um hierzu einen Temperatur-Grenzwert nach der Liquidus-Linie von 1392° anzusetzen, und erhält auf diese Weise eine brauchbare Einstellung des Vergleichers.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1, 2 und 3 Temperatur-Zeit-Verläufe der Abkühlung von Stahlschmelzenproben,

F i g. 4 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm und

F i g. 5 Blockschaltbild des Kohlenstoff-Meßgeräts.

Die nur zum meßtechnischen Hintergrund wiedergegebenen F i g. 1 bis 3 zeigen zunächst in F i g. 1 den »Musterverlauf« einer Abkühlungskurve I im Bereich eines charakteristischen Werts, etwa des Liquidus-Temperaturwerts 2 mit einer horizontalen Tangente 3, d. h. mit einem Zeitbereich konstanter Temperatur, in dem die der Probe laufend entzogene Wärme durch Kristallisationswärme aufgefangen wird. Abweichend hiervon gibt Fig. 2 einen mehr verschliffenen Verlauf zu einer Abkühlungskurve 4 wieder, bei der der charakteristische Wert zwar anhand der sich ändernden Steigung erkennbar ist nicht jedoch eine horizontale, sondern eine immer noch fallende Tangente 5 aufweist. Entsprechende Teile der Abkühlungskurven lassen sich auch im Bereich des Soüdus-Temperaturwerts feststellen.

Andererseits kann auch gemäß F i g. 3 bei einer weiteren Abkühlungskurve 6 ein Wiederanstieg der Temperaturkurve über der Zeit, etwa bei einer unterkühlten Schmelze, auftreten, wobei dann erst der als zweiter erreichte Plateauwert mit einer horizontalen Tangente 7 zur Bestimmung des charakteristischen Werts heranzuziehen ist

Die Fig.4 enthält das bekannte Eisen-Kohlenstoff-Diagramm, aus dem insbesondere eine Liquiduslinie 8 von Interesse ist unterhalb der sich Kristalle in der Schmelze bilden, und weiterhin eine Soliduslinie mit Abschnitten 9 und 10, unterhalb ein insgesarr; gefestigtes Gefüge auftritt.

Die Abschnitte 9 und 10 der Soliduslinie treffen sich in einem Punkt £', der zur Unterscheidung des Stahlbereichs (bis etwa 1% Kohlenstoffgehalt) und des Gußeisenbereichs (etwa 2,5 bis 4% Kohlenstoffgehalt) geeignet ist. Dieser Punkt E' findet sich bei einem Kohlenstoffgehalt von 2%, dem ?.uf der Liquiduslinie 8 ein Temperaturwert von 1392°Cbei 11 zuzuordnen ist.

Die F i g. 5 zeigt nun ein Meßgerät im Blockschaltbild, welches die selbsttätige Bestimmung des Kohlenstoffgehalts anhand des Temperaturverlaufs einer Stahlschmelzenprobe durchführt Es versteht sich, daß die Bezeichnung »Stahlschmelzenprobe« bzw. »Stahlschmelze« sowohl auf Schmelzen von »Stahl«, welcher üblicherweise bis zu einem Gewichtsprozent Kohlenstoff enthält wie auch auf Schmelzen von »Gußeisen« verwandt wird, dessen Kohlenstoffgehalte sich üblicherweise in einem Bereich von etwa 2,5 bis 4 Gewichtsprozenten hält.

Im Blockschaltbild ist ein Thermoelement 12 dazu vorgesehen, die Temperatur einer Stahlschmelzenprobe in einem Probetiegel aufzunehmen und eine der Temperatur entsprechende Spannung abzugeben, die nachfolgend in einer Kompensationsschaltung 13 einem Klemmentemperaturausgleich unterworfen und in einem weiterhin nachgeschalteten Verstärker 14 verstärkt wird, wie dieses bei derartigen Meßaufnehmern üblich und in der Regel auch notwendig ist Der vom Verstärker 14 ausgegebene, der Temperatur der Probe analoge elektrische Meßwert geht in einen Analog-Digital-Wandler 15 ein, welcher in einem vorgegebenen festen Arbeitstakt arbeitet. Das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 15 besteht aus einer Folge digitalisierter Abtastwerte des Temperatur-Meßwerts, die zunächst einen Durchlaufspeicher 16 für drei oder mehrere aufeinanderfolgende Meßwerte durchlaufen. Das jeweils vorletzt eingespeicherte digitale Signal wird vom Durchlaufspeicher 16 über Leitungszweige 17, 18 einerseits einem Meßwertspeicher 19 für einen Liquidus-Temperaturwert und andererseits einem Meßwertspeicher 20 für einen Solidus-Temperaturwert zugeführt. Die Einspeicherung der maßgeblichen Werte in

is die Meßwertspeicher 19,20 erfolgt jedoch erst auf einen entsprechenden Speicherbefehl hin, wie nachstehend beschrieben wird.

Der Durchlaufspeicher 16 enthält, wie gesagt, die drei letzten aufeinanderfolgenden Meßwerte, die vom Analog-Digital-Wandler 15 ausgegeben wurden und deren Reihenfolge durch die Nummern η — 2, η — 1 und η gekennzeichnet sei, wobei die Nummer η dem zuletzt ausgegebenen Meßwert zugeordnet sein soll. Während also der vorletzte Meßwert (n — \) zur bedarfsweisen Einspeicherung an die Meßwertspeicher 19, 20 weitergegeben wird, stehen die beiden letzten Meßwerte (η, η — 1) an einem digitalen Differenzbildner 21 an, der beispielsweise aus einer digitalen Schaltung bestehen kann, welche von einem digitalen Eingangssignal das Komplement bildet und dieses zu dem anderen hinzu addiert, um die Differenz der Signale auszugeben. Die so gebildete digitale Differenz wird an einen Differenzspeicher 22 weitergegeben, der zumindest zwei aufeinanderfolgende Differenzen enthält.

Dieses seien hier die Differenzen der Meßwerte mit der Numerierung η — 1 und η — 2 einerseits und der Meßwerte mit der Numerierung η und η — 1 andererseits. Die beiden Differenzwerte werden einem Komparator 23 zugeführt, der vergleicht, ob die jüngere Differenz (η, π — 1) kleiner ist als die ältere Differenz (n — \, π — 2). Sobald dieser Fall eintritt, gibt der Komparator 23 über eine Leitung 24 einen Speicherbefehl aur

Der Speicherbefehl auf der Leitung 24 ergeht also, sobald die Differenzen aufeinanderfolgender Meßwerte kleiner werden oder, mathematisch ausgedrückt, wenn die zweite Differenz der in der Folge fallenden aufeinanderfolgenden Meßwerte (an einem Wende-

punkt der Abkühlungskurven gemäß Fig. 1 bis 3) negativ wird. Ersichtlich kommt es bei dieser Art der Überwachung der Kurve nicht darauf an, daß die Abkühlungskurve im Bereich des Liquidus-Temperaturwerts (bzw. des Solidus-Temperaturwerts) eine horizontale Tangente aufweist — eine zuverlässige Auswertung ist auch etwa bei einer verschliffenen Abkühlungskurve gemäß F i g. 2 möglich.

Der dann über die Leitung 24 ausgegebene Speicherbefehl gelangt ir. der in F i g. 5 dargestellten Ausgangsstellung eines Umschalters 25 über diesen zum Meßwertspeicher 19, mit der Folge, daß der zuerst aufgenommene charakteristische Wert als Liquidus-Temperaturwert im Meßwertspeicher 19 festgehalten wird. Der Meßwertspeicher 19 ist mit einer Anzeigeeinrichtung 26 verbunden, die den Meßwert zur bedarfsweisen Beobachtung oder Überwachung anzeigt. Damit diese Anzeige erst bei der Einspeicherung des Meßwerts in den Meßwertspeicher 19 erregt wird, ist vorgesehen, daß der Speicherbefehl auch der Anzeigeeinrichtung 26 zugeführt wird. Eine Leitung 27 zwischen dem Umschalter 25 und dem Mleßwertspeicher 19 zur Zuleitung des Speicherbefehls weist hierzu eine Abzweigung 28 zum Anzeigegerät 26 hin auf.

Der Meßwertspeicher 19 gibt das in ihm enthaltene Signal außer zum Anzeigegerät 26 noch zu einem Vergleicher 29 und zu einem Rechner 30 hin weiter. Der Vergleicher 29 führt einen Vergleich mit einem vorgegebenen Grenzwert durch. Dieser Grenzwert entspricht beispielsweise einer Temperatur von 1392°C und ist vorzugsweise von außen eingebbar. Hierzu können bekannte Einrichtungen vorgesehen werden: die Zeichnung berücksichtigt die Möglichkeit einer solchen Eingabe durch einen Pfeil 31. Als Ausgangssignal des Vergleichers ist ein spezifischer Steuerbefehl für zwei unterscheidbare Fälle in Betracht zu ziehen, je nachdem, ob der dem Vergleicher zugeführte Liquidus-Temperaturwert oberhalb oder unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegt (der grundsätzlich noch mögliche Fall der Gleichheit von Liquidus-Temperaturwert und Grenzwert wird dem letzteren Fall zugeschlagen). Nach F i g. 5 sind hier zwei Ausgangsleitungen des Vergleichers ?9 vorgesehen, und zwar eine Ausgangsleitung 32, die zu einem Steuerspeicher 33 führt und eine Ausgangsleitung 34, die zu einem Steuerspeicher 35 führt.

Auf der Ausgangsleitung 32 tritt ein Steuerbefehl dann auf, wenn der Liquidus-Ternperaturwert oberhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegt. Dieser Fall ist, wie aus dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm gemäß Fig.4 ersichtlich, dann gegeben, wenn ein geringerer Kohlenstoffgehalt (entsprechend der Zusammensetzung von Stahl) vorliegt. Dieser Steuerbefehl wird in dem Steuerspeicher 33 gespeichert und steht als dessei Ausgangssignal an einem Programmgeber 36 an, der dem Rechner 30 einen für die Auswertung von Stahlzusammensetzungen spezifischen Rechengang vorschreibt. Die entsprechende Verknüpfung von Programmgeber 36 und Rechner 30 ist durch eine Leitung 37 angedeutet.

Der alternative Fall eines unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegenden Liquidus-Temperaturwerts führt zu einem Steuerbefehl auf der Leitung 34, der im Steuerspeicher 35 gehalten wird und, insofern ganz entsprechend dem zuvor betrachteten Fall, an einer Programmgeber 38 ansteht, der über eine Leitung 3 einen spezifischen Rechengang im Rechner 30 Steuer Bei diesem Rechengang soll jedoch auch der Solidus ^r) Temperaturwert der Schmelzenprobe berücksichtig werden.

Zur Aufnahme des Solidus-Temperaturwerts wird de am Ausgang des Steuerspeichers 35 anstehend Steuerbefehl über eine Leitung 40 einem Relais 4

ίο zugeführt, das den Umschalter 25 betätigt. Diese hat zu Folge, daß die Leitung 24 vom Komparator 23 auf eim Leitung 42 umgeschaltet wird, so daß der Meßwertspei eher 20 einen Speicherbefehl erhalten kann.

Zur Erzeugung eines solchen Speicherbefehls arbeite

die Überwachungseinrichtung aus Durchlaufspeiche 16, Differenzenbildner 21. Differenzspeicher 22 un< Komparator 23 in der grundsätzlich gleichen Weise wii bei der Überwachung des Liquidus-Temperaturwerts Nachdem der Liquidus-Temperaturwert zuvor ermittel wurde und der Vergleicher 29 dabei das Vorhandenseil einer Gußeisen-Zusammensetzung aufgrund des niedri gen Liquidus-Temperaturwerts feststellte, ist nunmeh die Überwachungseinrichtung auf die Bestimmung de Solidus-Temperaturwerts ausgerichtet. Sobald nunmeh die Abkühlungskurve die von der Überwachungsein richtung wahrgenommene charakteristische Signalfolgi durchläuft, ergeht ein Speicherbefehl an den Meßwert speicher 20. Der eingespeicherte Solidus-Temperatur wert wird über eine Leitung 43 zum Rechner 3(

jo weitergegeben, dem bereits der Liquidus-Temperatur wert vom Meßwertspeicher 19 zur Verfügung steht um der spezifische Rechengang vom Programmgeber 31 eingegeben ist.

Ein solcher Rechengang kann beispielsweise anhanc des gemessenen Solidus-Temperaturwerts eine Verla gerung der Soliduslinie 10 in Fig.4 aufgrund voi Legierungszusätzen ermitteln und hiernach einet Korrekturwert dem Liquidus-Temperaturwert zufügen um mit dem korrigierten Liquidus-Temperaturwert der

4« genauen Kohlenstoffgehalt zu bestimmen. Das erzielt« Ergebnis zum Kohlenstoffgehalt wird dann in einer Ergebnis-Speicher 44 einsegeben und unverzüglich au einem Anzeigegerät 45 angezeigt. Es versteht sich, daf. bedarfsweise sonstige Auswerte- oder Übcrmittlungs geräte an den Rechner 30 bzw. den Meßwertspeicher 4* angeschlossen sein können.

Das vorstehend beschriebene Meßgerät arbeitet ir einer überaus schnellen und zuverlässigen Weise. Die Verwendung digitaler Bauelemente kommt dabei dei

so Meßsicherheit, der Genauigkeit und Reproduzierbar keit der Meßwerte zugute und ermöglicht die Verwendung gerade in jüngerer Zeit hochentwickeltei Bausteine. Grundsätzlich ist ein solches Meßgerä jedoch nicht auf die Verwendung digitaler Baugliedei beschränkt, vielmehr lassen sich deren Funktionen ir bekannter Weise auch durch analoge Vergleichs- unc Rechenbausteine ausführen. Vorzugsweise jedoch fm den digitale Meßschaltungen Anwendung, die nich etwa entsprechend den Schaltbildblöcken nach F i g. 5 ir Form separater Baugruppen ausgeführt zu seir brauchen, sondern durch die Funktion eines entsprechend programmierten Rechners realisiert werder können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Gerät zur Messung des Kohlenstoffgehalts tiner Probe einer Stahl- oder Gußeisenschmelze mit wenigstens einem Aufnehmer zur Erzeugung eines dem Temperaturverlauf der abkühlenden Probe entsprechenden elektrischen Signals, mit einer von dem elektrischen Signal beaufschlagten Überwachungsschaltung zur Feststellung des Liquiduspunktes, mit einer von der Überwachungsschaltung bei Auftreten des Liquiduspunktes aktivierten Auswerteschaltung zur Ermittlung eines dem Kohlenstoffgehalt der Probe entsprechenden Meßwerts aus dem zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Liquiduswert des elektrischen Signals, gekennzeichnet durch

a) eine Vergleicherschaltung (29) zum Vergleich des Liquiduswerts mit einem Bezugswert, welcher der Temperatur eines Punktes der Liquiduslinie der Schmelze entspricht, der einen Kohlenstoffgehalt im Übergangsbereich von Stahl und Gußeisen besitzt,

b) einen vom Ausgangssignal der Vergleicherschaltung (29) im Falle eines unter dem Bezugswert liegenden Liquiduswerts aktivierten Schaltkreises (20, 25, 35, 40, 41, 42) zur Ableitung des Soliduswerts der Schmelze aus dem elektrischen Signal, und

c) in der Auswerteschaltung (30, 33, 35—39) enthaltene Einrichtungen (38, 39) zur Berücksichtigung eines gegebenenfalls abgeleiteten Soliduswerts bei der Ermittlung des Meßwerts.

2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ausgangseitig sowohl mit der Vergleicherschaltung (29) als auch mit der Auswerteschaltung (30, 33, 35-39) verbundenen ersten Speicher (19), der eingangsseitig von dem elektrischen Signal beaufschlagt und zur Einspeicherung des Liquiduswerts durch die Überwachungsschaltung (16, 21, 22, 23) aktivierbar ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis zur Ableitung des Soliduswerts einen eingangsseitig ebenfalls von dem elektrischen Signal beaufschlagten und ausgangsseitig mit der Auswerteschaltung (30, 33, 35—39) verbundenen zweiten Speicher (20) sowie einen von der Vergleicherschaltung (29) betätigbaren Umschalter (25, 40—42) aufweist, über den der zweite Speicher (20) bei Auftreten eines Soliduspunktes im elektrischen Signal von der Überwachungsschaltung (16, 21, 22, 23) zur Einspeicherung des Soliduswertes aktivierbar ist.

4. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsschaltung einen Durchlaufspeicher (16) zur Aufnahme wenigstens dreier aufeinanderfolgender Werte des elektrischen Signals, einen Differenzbildner (21) zur Erzeugung von Differenzsignalen aus jeweils zwei im Durchlaufspeicher (16) aufeinanderfolgenden Werten sowie einen Komparator (23) zum Vergleich der aufeinanderfolgenden Differenzsignale und zur Erzeugung von Speicherbefehlen für den ersten bzw. zweiten Speicher (19 bzw. 20) in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs aufweist.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eine an den ersten Speicher (19) angeschlossene Anzeigeeinheit (26) für den Liquiduswert.

6. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Aufnehmer (12, 13, 14) ein Analog-Digital-Wandler (15) nachgeschaltet ist, und daß die Überwachungsschaltung (16, 21—23), die Vergleicherschaltung (29), die "> beiden Speicher (19, 20) sowie die Auswerteschaltung (30, 33, 35—39) aus Digitalschaltungen bestehen.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleicherschaltung (29) einen Eingang

ι» (31) zur Eingabe des Bezugswerts in digitaler Form aufweist

8. Gerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (30, 33, 35—39) als programmgesteuerte Digitalschaltung

\', aufgebaut ist, deren Programmablauf von dem Ausgangssignal der Vergleicherschaltung (29) bestimmt ist