EP0198910B1

EP0198910B1 - Verfahren und vorrichtung zum detektieren von schlacke

Info

Publication number: EP0198910B1
Application number: EP85905609A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Theissen; Edmund Julius; Franz Rudolf Block
Original assignee: AMEPA ANGEWANDTE MESSTECHNIK und PROZESSAUTOMATISIERUNG GmbH
Current assignee: AMEPA ANGEWANDTE MESSTECHNIK und PROZESSAUTOMATISIERUNG GmbH
Priority date: 1984-10-27
Filing date: 1985-10-17
Publication date: 1989-10-11
Also published as: US4816758A; DE3439369A1; WO1986002583A1; ZA858227B; JPH0741402B2; JPS62500646A; DE3439369C2; EP0198910A1; CA1270917A; DE3573545D1; ATE47062T1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren von in einem Fluß einer Metallschmelze mitfließender Schlacke mit einem den Fluß der Metallschmelze berührungslos umgebenden, aus mindestens einer Sendespule und einer Empfangsspule bestehenden Meßaufnehmer, wobei diese mindestens eine Sendespule mit einem mehrere Frequenzen enthaltenden Strom beaufschlagt werden, der in der Empfangsspule eine Spannung induziert, die frequenzselektiv ausgewertet wird.
Beim Abgießen von Stahl aus Konvertern, Pfannen oder Zwischengefäßen befindet sich auf der Oberfläche der Schmelze eine Schlackenschicht. Aus metallurgischen Gründen ist man bestrebt, möglichst keine Schlacke mit abzugießen. Um den Schlackeabfluß zu verhindern, sind im wesentlichen folgende Verfahren bekannt:

Bei der Pfanne wird der ungefähre Zeitpunkt ermittelt, ab dem Schlacke abfließen kann. Dazu wird die Pfanne in leerem und vollem Zustand gewogen, so daß sich daraus die jeweilige Restmenge an Schmelze ermitteln läßt. Das Ausfließen der Schlacke wird, nachdem aus der Anzeige der Waage daraus geschlossen wurde, daß der Füllstand auf kritische Werte abgesunken ist, visuell von der Bedienungsmannschaft ermittelt.

Abgesehen davon, daß die Ermittlung der Restmenge an Schmelze nur recht ungenau erfolgen kann, da sie vom Abnutzungsgrad der Pfannenausmauerung abhängt, ist dieses Verfahren aufwendig, vor allem, wenn unter Schutzgas vergossen wird, was bei hochwertigen Stahlsorten in der Regel der Fall ist. Damit der Gießstrahl beobachtet werden kann, muß nämlich die Abschirmung teilweise entfernt werden. Dies erfordert einen erheblichen maschinentechnischen Aufwand und verschlechtert zudem die Qualität.
Bei einem anderen Verfahren wird auf die visuelle Kontrolle verzichtet und beim Erreichen eines vorgegebenen Füllstandes in der Pfanne des Abgießens abgebrochen.
Dieses Verfahren ist unwirtschaftlich, weil stets ein Rest der Schmelze in der Pfanne verbleibt, der wieder eingeschmolzen werden muß.
In der EP-A-0 077 747, auf welcher die Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 7 basieren, ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren von Schlacke beschrieben.
In der EP-A-0 010 539 ist weiterhin ein Verfahren zur Messung des Füllstandes von Metallen in Gefäßen, insbesondere in Stranggießkokillen beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zu einem Verfahren zu gelangen, mit dem ein geringer Anteil von Schlacke in der abfließenden Schmelze erkannt und angezeigt werden kann, ohne dazu die Abschirmung des Gießstrahls entfernen zu müssen oder das Gießen zu behindern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus dem spektralen komplexen Verlauf der von zwei Sendespulen induzierten Spannung die Leitfähigkeitsverteilung und der durch Verschleiß sich ändernde Durchmesser des Flußquerschnittes ermittelt wird, wobei eine kontinuierliche oder quasikontinuierliche Messung sich ändernder Temperaturen zur Kalibrierung der Meßwerte des induzierten Spannungsspektrums benutzt werden, so daß daraus der tatsächliche Anteil der Schlacke in der passierenden Metallschmelze ermittelt wird.
Die Temperaturen der Schmelze und der Meßaufnehmer sollen laufend überwacht werden. Die Temperaturmessungen sind Stand der Technik. Die Bestimmung ist besonders einfach, wenn aus den ohmschen Widerständen der Spulen auf die Temperaturen der Meßaufnehmer und daraus weiter auf die Temperatur der Schmelze geschlossen wird. Die Wärmeausbreitung im System selbst kann berechnet werden, nachdem die Materialkonstanten in üblicher Weise bestimmt wurden.
Mit den Meßwerten der Temperatur kann der Wert der elektrischen Leitfähigkeit, der in die Berechnung der Verteilung der Schlacke aus den Meßwerten des Spannungsspektrums eingeht, korrigiert werden.
Vorzugsweise haben die Verwendung von zwei Sende- und einer Empfangsspule, die gegeneinander so angeordnet sind, daß der in der Empfangsspule hindurchtretende magnetische Summenfluß der einzelnen Frequenzen durch entsprechende Einspeisung der Ströme in die Sendespulen auf Null abgeglichen werden kann und daß gleichzeitig die von den beiden Sendespulen in der Metallschmelze induzierten Wirbelströme unterschiedliche Größe haben.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß bei dem Verfahren die Sendespulen als Empfangsspulen und die Empfangsspulen als Sendes^pulen wirken.
Vorzugsweise umschließen bei dem Verfahren nur eine Anordnung aus Sende- und Empfangsspule den Fluß der Metallschmelze. Weiterhin ist die Verwendung einer Referenzeinrichtung vorgesehen, die ebenfalls aus einer Sende- und einer Empfangsspule besteht und beide Sendespulen hintereinander und beide Empfangsspulen elektrisch gegeneinander geschaltet werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß auf die Sendespule der Referenzeinrichtung eine weitere Wicklung aufgebracht wird, in die frequenzselektiv ein nach Beträgen und Phasenlagen veränderlicher Strom so eingespeist wird, daß die Summenspannungen der Empfängerspule für alle Frequenzen Null wird bzw. gegen Null geht.
Vorzugsweise werden die Signale der Meßspulen mit Hilfe von phasenempfindlichen Gleichrichtern gemessen und die Auswertung und der Abgleich der Brückenschaltungen mit Hilfe eines Rechners oder Mikroprozessors durchgeführt werden.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß zwei Sendespulen und eine Empfangsspule des Meßaufnehmers in die Ausmauerung bzw. in Lochsteine eines metallurgischen Gefäßes derart integriert sind, daß entweder die Sende- und Empfangsspulen den Fluß der Metallschmelze koaxial umgeben und die Empfangsspule innen, zwischen den beiden Sendespulen oder auch außerhalb der beiden Sendespulen liegt, und daß die Spulen voneinander beabstandet sind, oder daß die Sende- und Empfangsspulenlängsachsen der Spulen in radiale Richtung weisen und bei gleichen radialen Abständen zum Meßobjekt die Sendespulen um 90° und die Sendespule um 180° gegenüber der Empfangsspule versetzt sind.
Schließlich läßt sich nach einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Gefäß mit einem durch die ermittelten Meßwerte steuerbaren Ausflußschieber versehen ist.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können also eine oder mehrere Sende- und Empfangsspulen ortsfest so um den ausfließenden Gießstrahl angebracht werden, daß sie diesen vorzugsweise koaxial umschließen. Dabei werden die Sendespulen mit einem Strom mehrerer Frequenzen gespeist, wobei die in den Aufnahmespulen induzierte Spannung frequenzselektiv nach Betrag und Phasenlage gemessen wird. Mit Hilfe eines Rechners oder Mikroprozessors läßt sich aus der radialen Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit auf den Schlackenanteil in der Schmelze schließen.
Zur Erhöhung der Empfindlichkeit dient eine Brückenschaltung, bei der eine Referenzanordnung, bestehend aus einer Sende- und Empfangsspule, so geschaltet wird, daß die Sendespulen vom gleichen Speisestrom durchflossen werden, während die Empfängerspulen so geschaltet werden, daß die induzierten Spannungen einander entgegengerichtet sind.
Zum Abgleich der Brückenschaltung und zur weiteren Steigerung der Empfindlichkeit wird auf die Referenzspule eine weitere Wicklung aufgebracht, die mit einem frequenzselektiv in den Phasenlagen und Beträgen veränderbaren Strom frequenzgleich mit dem Speisestrom gespeist wird. Mit diesem Kompensationsstrom wird die Meßbrücke in der Weise abgeglichen, daß die Summenspannungen der einzelnen Frequenzen an den Empfangsspulen Null werden. Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit des Meßobjekts führen dann zur frequenzselektiven Verstimmung des Nullabgleichs der Brücke.
Wird das Meßverfahren nach Anspruch 4 verwendet, werden die Sendespulen mit Strömen gespeist, die mehrere Frequenzen enthalten und die frequenzselektiv gegeneinander in Betrag und Phasenlage so eingestellt werden, daß die induzierte Spannung in der Meßspule für alle Frequenzen auf Null abgeglichen wird. Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit des Meßobjekts führen dann zu einer frequenzselektiven Verstimmung des Nullabgleichs der Brücke.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich ein Schlackeanteil im Gießstrahl wie folgt erkennen :

Da die elektrische Leitfähigkeit der Stahlschmelze wesentlich größer ist als die der Schlacke, verringert ein Schlackeanteil im Gießstrahl die örtliche elektrische Leitfähigkeit. Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit des Meßobjekts verändern die induzierten Wirbelströme und damit die in den Empfängerspulen induzierte Spannung nach Betrag und Phasenlage. Änderungen des Durchmessers des Meßobjekts führen dabei zu Signalen, die sich nach Betrag und Phasenlage von den Signalen, die aufgrund von Leitfähigkeitsänderungen hervorgerufen werden, unterscheiden.

Durch die Verwendung mehrerer Frequenzen des Speisestroms mit daraus folgenden unterschiedlichen Eindringtiefen der elektromagnetischen Felder erhält man zusätzliche Informationen über die radiale örtliche Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit und die Geometrie des Meßobjekts. Damit läßt sich die Auflösung weiter steigern, so daß bereits ein sehr geringer Schlackeanteil im Gießstrahl erkannt werden kann.
Die aus Temperaturänderungen der _'Schmelze und der Meßaufnehmer resultierenden Fehler lassen sich weitgehend unterdrücken, wenn, wie beschrieben, die Temperaturen aufgenommen und die Meßwerte für die Berechnung des Schlackeanteils entsprechend korrigiert werden.
In der Zeichnung sind Anwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der prinzipielle Aufbau von Meßschaltungen dargestellt. Es zeigen :

Fig. 1a den mechanischen Einbau der Meßaufnehmer in einem Lochstein von Pfanne oder Zwischengefäß ;
Fig. 1b den mechanischen Einbau der Meßaufnehmer auf der Oberfläche eines Auslaufrohrs von Pfanne oder Zwischengefäß;
Fig. 2 eine Meßschaltung für drei Frequenzen, bei der die Aufnehmer und die Referenzanordnung in einer Brückenschaltung betrieben werden ;
Fig. 3 eine Meßschaltung für drei Frequenzen mit Kompensationswicklung, bei der die Meßbrücke mit Hilfe eines Kompensationsstroms abgeglichen wird ;
Fig. 4a den mechanischen Aufbau eines Meßaufnehmers, der aus zwei Sende- und einer Empfangsspule besteht, und bei der die Meßaufnehmerspulen den Flußquerschnitt der Metallschmelze koaxial umschließen;
Fig. 4b den mechanischen Aufbau eines Meßaufnehmers, der aus zwei Sende- und einer Empfangsspule besteht, und bei der die Meßaufnehmerspulenachsen in radiale Richtung weisen ;
Fig. 5 eine Meßschaltung für den Meßaufnehmer gemäß Fig. 4a und 4b, wobei der Brückenabgleich durch den Speisestrom erfolgt.

In Fig. 1a ist ein metallurgisches Gefäß mit 1, eine Schmelze mit 2, eine Sendespule mit 3, eine Empfangsspule mit 4, ein Gießstrahl mit 5, ein Auslaufrohr mit 6, ein Lochstein mit 7 und ein Ausflußschieber mit 16 bezeichnet.
Die Sendespule 3 umschließt den Gießstrahl 5 und erzeugt das primäre Feld. Die Empfangsspule 4 befindet sich koaxial innerhalb der Sendespule 3. Beide Spulen 3 und 4 sind in den Lochstein 7 eingelassen und vergossen.
Fig. 1 b zeigt ein Beispiel dafür, wie die Meßaufnehmer das Auslaufrohr 6 von Pfanne und Zwischengefäß umschließen.
Sendespule 3 und Empfangsspule 4 sind fest miteinander verbunden und umschließen das Auslaufrohr 6 koaxial. Sendespule 3 und Empfangsspule 4 werden am Auslaufrohr 6 so befestigt, daß sie beim Wechsel des Auslaufrohres 6 leicht entfernt und wiederverwendet werden können.
Wird zur Erhöhung der Empfindlichkeit die Meßanordnung in einer Brückenschaltung betrieben, besteht die Referenzanordnung aus einer Sende- und Empfangsspule, die so angeordnet sind, daß in der Referenzempfangsspule eine näherungsweise gleiche Induktionsspannung wie in der Meßspule erzeugt wird.
Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Meßschaltung für drei Frequenzen, bei der die Aufnehmer- und die Referenzanordnung in einer Brückenschaltung betrieben werden.
Ein Frequenzgenerator 8 steuert einen Leistungsverstärker 9 mit drei Frequenzen an, der die hintereinander geschalteten Sendespulen 10 des Meßaufnehmers und eine Sendespule 11 der Referenzanordnung speist. Eine Empfangsspule 10a des Meßaufnehmers und eine Empfangsspule lla der Referenzanordnung sind gegeneinander geschaltet und so ausgelegt, daß sich die induzierten Spannungen nahezu kompensieren. Das Summensignal wird über einen hochohmigen Vorverstärker 12 phasenempfindlichen Gleichrichtern 13 zugeführt, die das Signal in Real- und Imaginärteile zerlegen, die auf einer entsprechenden Ausgabeeinheit 14 dargestellt werden.
Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Meßschaltung für drei Frequenzen, bei der Meßaufnehmer und die Referenzanordnung in einer Brückenschaltung betrieben werden und der Brückenabgleich durch einen Kompensationsstrom durchgeführt wird.
Die Meß- und Referenzanordnung wird wie in Fig. 2 betrieben. Zusätzlich wird auf die Referenzspulenanordnung eine Kompensationswicklung 15 aufgebracht, die als weitere Sendespule betrieben wird. Das am Frequenzgenerator 8 abgegriffene Signal wird frequenzselektiv über einstellbare Phasenschieber 16a, 16b, 16c den die Kompensationswicklung speisenden Leistungsverstärkern 9a, 9b, 9c zugeführt, deren Verstärkung ebenfalls verändert werden kann.
Die Phasenlagen und die Beträge der Kompensationsströme werden manuell oder durch einen Rechner oder Mikroprozessor 21 so eingestellt, daß die Summenspannung am Eingang des Vorverstärkers 12 für alle Frequenzen Null ist. Änderungen der Leitfähigkeit des Meßobjektes führen dann zur Verstimmung der Brücke und zu einem Summensignal am Eingang des Vorverstärkers 12, aus dessen Beträgen und Phasenlagen die radiale Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit des Gießstrahls 5 und daraus der Schlackeanteil ermittelt werden kann.
Fig. 4a zeigt den prinzipiellen mechanischen Aufbau eines Meßaufnehmers, der aus zwei Sendespulen 3, 3a und einer Empfangsspule 4 besteht.
Die Sendespule 3 wird dabei von der Empfangsspule 4 in einem gewissen radialen Abstand, dessen optimaler Wert von der Gesamtgeometrie des Meßaufnehmers abhängt, und diese wiederum von der zweiten Sendespule 3a, die als Referenzspule arbeitet, koaxial umschlossen. Diese Spulenanordnung ist mechanisch gegeneinander fixiert, vorzugsweise vergossen, und umschließt als Ganzes wiederum den Gießstrahl 5 in einem vorgegebenen Abstand.
Fig. 4b zeigt den prinzipiellen mechanischen Aufbau eines Meßaufnehmers, der aus zwei Sendespulen 3, 3a und einer Empfangsspule 4 besteht. Die Sendespulen 3, 3a und die Empfangsspule 4 sind in der Weise angeordnet, daß ihre Achsen in radiale Richtung weisen und daß die Sendespule 3a um 90° und die Sendespule 3 um 180° gegenüber der Empfangsspule 4 versetzt sind.
Fig. 5 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Meßschaltung für drei Frequenzen mit der Spulenanordnung gemäß Fig. 4a bzw. 4b als Meßaufnehmer. Ein Frequenzgenerator 8 steuert einen Leistungsverstärker 9 mit drei Frequenzen an, der seinerseits die Sendespule 3 des Meßaufnehmers speist. Das Signal des Frequenzgenerators 8 wird gleichzeitig frequenzselektiv über einstellbare Phasenschieber 16a, 16b, 16c den Leistungsverstärkem 9a, 9b, 9c zugeführt, die die Sendespule 3a des Meßaufnehmers speisen. Die in der Empfangsspule 4 des Meßaufnehmers induzierte Spannung wird über einen Vorverstärker 12 phasenempfindlichen Gleichrichtern 13 zugeführt, die das Signal frequenzselektiv in Real- und Imaginärteile zerlegen, die auf einer entsprechenden Ausgabeeinheit 14 dargestellt werden.
Die Phasenlagen der Kompensationsströme in der Sendespule 3a werden mittels der Phasenschieber 16, 16b, 16c und die Beträge mittels der Verstärkungsfaktoren der Leistungsverstärker 9a, 9b, 9c so eingestellt, daß die am Eingang des Vorverstärkers 12 liegende Induktionsspannung für alle Frequenzen Null wird.
Änderungen der radialen Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit im Meßobjekt 5 führen zu einer Verstimmung der Meßbrücke und zu einem Signal am Eingang des Vorverstärkers 12, aus dessen Beträgen und Phasenlagen die radiale Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit und daraus der Schlackeanteil im Gießstrahl ermittelt werden kann. Der Abgleich der Meßbrücke kann manuell oder durch einen Mikroprozessor 21 vorgenommen werden.

Claims

1. Verfahren zum Detektieren von in einem Fluß einer Metallschmelze (5) mitfließender Schlacke, mit einem den Fluß der Metallschmelze (5) berührungslos umgebenden, aus mindestens . einer Sendespule (3, 3a) und einer Empfangsspule (4) bestehenden Meßaufnehmer, wobei diese mindestens eine Sendespule (3, 3a) mit einem mehrere Frequenzen enthaltenden Strom beaufschlagt werden, der in der Empfangsspule (4) eine Spannung induziert, die frequenzselektiv ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem spektralen komplexen Verlauf der von zwei Sendespulen (3, 3a) induzierten Spannung die Leitfähigkeitsverteilung und der durch Verschleiß sich ändernde Durchmesser des Flußquerschnittes ermittelt wird, wobei eine kontinuierliche oder quasikontinuierliche Messung sich ändernder Temperaturen zur Kalibrierung der Meßwerte des induzierten Spannungsspektrums benutzt werden, so daß daraus der tatsächliche Anteil der Schlacke in der passierenden Metallschmelze (5) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von zwei Sende- (3, 3a) und einer Empfangsspule (4), die gegeneinander so angeordnet sind, daß der in der Empfangsspule (4) hindurchtretende magnetische Summenfluß der einzelnen Frequenzen durch entsprechende Einspeisung der Ströme in die Sendespulen (3, 3a) auf Null abgeglichen werden kann und daß gleichzeitig die von den beiden Sendespulen (3, 3a) in der Metallschmelze (2) induzierten Wirbelströme unterschiedliche Größe haben.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Sendespulen (3, 3a) als Empfangsspulen und die Empfangsspule (4) als Sendespule wirken.

5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem nur eine An_Qrdnung aus Sende- (10) und Empfangsspule (10a) den Fluß der Metallschmelze (2) umschließen und die Verwendung einer Referenzeinrichtung, die ebenfalls aus einer Sende- (11) und einer Empfangsspule- (11 a) besteht und beide Sendespulen (10, 11) hintereinander und beide Empfangsspulen (10a, lla) elektrisch gegeneinander geschaltet werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Sendespule (11) der Referenzeinrichtung eine weitere Wicklung (15) aufgebracht wird, in die frequenzselektiv ein nach Beträgen und Phasenlagen veränderlicher Strom so eingebracht wird, daß die Summenspannungen der einzelnen Frequenzen in den Empfängerspulen (10a, 11 a) Null wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der Meßspulen (4, 10a, 11a) mit Hilfe von phasenempfindlichen Gleichrichtern (17) gemessen und die Auswertung und der Abgleich der Brückenschaltungen mit Hilfe eines Rechners oder Mikroprozessors (21) durchgeführt werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, zum Detektieren von in einem Fluß einer Metallschmelze (5) mitfließender Schlacke, mit einem den Fluß der Metallschmelze (5) berührungslos umgebenden, aus mindestens einer Sendespule (3, 3a) und einer Empfangsspule (4) bestehenden Meßaufnehmer, wobei die Sendespulen (3, 3a) mit einem mehrere Frequenzen enthaltenden Strom beaufschlagt werden, der in der Empfangsspule (4) eine Spannung induziert, die frequenzselektiv ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sendespulen (3, 3a) und eine Empfangsspule (4) des Meßaufnehmers in die Ausmauerung bzw. in Lochsteine (7) eines metallurgischen Gefäßes (1) derart integriert sind, daß entweder die Sende- (3, 3a) und Empfangsspulen (4) den Fluß der Metallschmelze (5) koaxial umgeben und die Empfangsspule (4) innen, zwischen den beiden Sendespulen (3, 3a) oder auch außerhalb der beiden Sendespulen 3, 3a liegt, und daß die Spulen (3, 3a, 4) voneinander beabstandet sind, oder daß die Sende- und Empfangsspulenlängsachsen der Spulen (3, 3a, 4) in radiale Richtung weisen und bei gleichen radialen Abständen zum Meßobjekt die Sendespulen (3a) um 90° und die Sendespule (3) um 180° gegenüber der Empfangsspule (4) versetzt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (1) mit einem durch die ermittelten Meßwerte steuerbaren Ausflußschieber versehen ist.