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Vorrichtung zum Messen und Regeln der Eintauchtiefe eines rohrförmigen Gegenstandes in ein flüssiges Medium
Bei verschiedenen metallurgischen Verfahren bewirken gasförmige Medien die notwendigen chemi- schen Umsetzungen. Die Gase durchwirbeln zweckmässig das Schmelzbad, damit die erwünschten Um- setzungen in möglichst kurzer Zeit erfolgen. Zur Erreichung dieses Zieles sind beispielsweise beider Stahl- erzeugung aus Roheisen verschiedene Verfahren bekannt.
In neuerer Zeit gewinnt das zum Beispiel in J. Metal (1957) Seiten 1435-1439 oder Iron Coal Trades
Rev. (1957) 174, Seiten 213-216, Seiten 437-440 beschriebene Rotorverfahren grössere Bedeutung. Bei die- sem Verfahren bewirkt der durch eine sogenannte Lanze in das Schmelzbad eingeblasene Sauerstoff (Kon- zentration bis 1000 ; 0) die mehr oder weniger weitgehende Verbrennung des Kohlenstoffs, Phosphors, Silizi- ums und anderer Elemente (zum Beispiel Eisen, Mangan).
Es ist nun bei derartigen Rotoröfen bereits bekannt, die Lanze höhenverstellbar anzuordnen, um die allmähliche Abnutzung der Ausmauerung berücksichtigen und die Stellung der Lanze den schwankenden Badhöhen anpassen zu können.
Um die gunstigsten Verhältnisse bezüglich der Wirtschaftlichkeit, des thermischen Wirkungsgrades und des metallurgischen Geschehens beim Rotorverfahren zu erzielen, muss die Lanze eine der Badtiefe möglichst genau angepasste Eintauchtiefe haben, denn die erwünschte Kohlenoxydentwicklung würde zwar bei grosser Eintauchtiefe der Lanze hohe Werte erreichen, aber es würde auch die Gefahr der Beschädigung des feuerfesten Futters des Rotors bestehen. Anderseits würde bei geringer Eintauchtiefe die Oxydation von Kohlenstoff und Phosphor stark verzögert werden, wodurch der Prozess verlängert, die Temperatur des Bades sowie die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigt würde.
Für das rein metallurgische Geschehen führt dementsprechend das Einhalten einer bestimmten Eintauchtiefe der Lanze, d. h. einer vom oberen Metallbadspiegel gerechneten Höhe, zu einer günstigen Stahlausbringung beim Rotorverfahren.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen und Regeln der Eintauchtiefe eines Rohres, z. B. einer sogenannten Lanze, in einem flüssigen Medium, vorzugsweise einer Metallschmelze in einem Rotorofen, wobei durch die Lanze ein Gas oder ein Gasgemisch geblasen wird, derart, dass bei gegebener, die Lanze durchströmender Gasmenge als Mass für die Eintauchtiefe bzw. als Mass für die Regelung der Eintauchtiefe der Gasdruck in dem Rohr dient. Unter Rohr wird hiebei jeder rohrförmige Gegenstand unabhängig von seiner Querschnittsform verstanden.
Bei der Erfindung wird also von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, dass mit steigender Eintauchtiefe eines rohrförmigen Gegenstandes in ein Flüssigkeitsbad, durch welches ein gasförmiges Medium geblasen wird, bei gleichförmigerDurchströmung sich eindeutig der Druck in der Blasleitung erhöht. Eine solche Druckveränderung kann zuverlässig zur Regelung der Eintauchtiefe herangezogen werden, obwohl die verschiedenen Werte für das spezifische Gewicht der verschiedenartigsten Bäder wie auch ihr Zähigkeitsgrad die Leitungsdruckerhöhung beeinflussen.
Beim Rotor-Roheisenbad bleiben die Änderungen der Zähigkeit während der Entkohlung und Entphosphorung in Grenzen, die den Wert der Messgrösse"Leitungsdruck"nicht beeinträchtigen. Auch das spezifische Gewicht ändert sich nur unwesentlich vom Roheisen mit etwa 1200 C bis zum niedriggekohlten Stahl mit etwa 16000 C. Die gegenläufigen Wirkungen hinsichtlich des Zähigkeitsgrades bei der Verringe-
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halten sich überdies etwa die Waage.
Die vorstehend erwähnte direkte Messung des Druckes in der Blasleitung zur Überwindung des ferrostatischen Druckes beim Blasen in das Schmelzbad kann bei schwankendem Druck im Rotor unter Umständen zu nicht immer brauchbaren Messergebnissen fuhren, daher mitunter unzureichend für die Regelung sein.
Demgegenüber lässt sich eine Verbesserung des Messergebnisses mitHilfe einerNebenleitung der Lanze erreichen, wodurch eine Druckdifferenzmessung ermöglicht wird. Hiebei ist es vorteilhaft, die Neben1eitung so zu bemessen, dass beim freien Ausströmen beider Leitungen in die Atmosphäre keine Druckdifferenz auftritt. Die Nebenleitung kann ferner dazu benutzt werden, sauerstoffreiches Gasgemisch auf die Oberfläche des Metallbades zu blasen, wodurch von diesem Sauerstoff u. a. ein Teil der Kohlenoxydverbrennung übernommen wird. Dieser Sauerstoff wird also nicht zur primären Umsetzung des Bades benutzt.
Die Fig. 1 - 5 zeigen das Prinzip des Erfindungsgedankens und seine Weiterbildung hinsichtlich der zu verwendenden Messanordnungen.
In der Fig. 1 ist die Lanze 1 mit der Höhe h in das flüssige Stahlbad 2 eingetaucht. Das Sauerstoff ge- misch durchströmt die Lanze in Pfeilrichtung. Zur Messung der Durchflussmenge dient die Ringwaage 3 in Verbindung mit der Drosselstelle 4. Das erzielte Messergebnis kann gleichzeitig zur Regelung des Sauerstoffdurchflusses auf einen konstanten Wert herangezogen werden. Mit Hilfe des Monometers 5 kann an der Messstelle 6 der in der Lanze auftretende Druck gemessen werden. Ändert sich die Eintauchtiefe, so ändert sich infolge des veränderten Gegendruckes auch der Druck in der Rohrleitung. Demgemäss kann das Druckmessergebnis zur Regelung der Eintauchtiefe der Lanze verwendet werden.
Die einfache Druckmessung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, wird jedoch In vielen Fällen den Ansprüchen an die erforderliche Genauigkeit nicht entsprechen können.
Fig. 2 zeigt daher eine weitere Anordnung unter Verwendung einer Hauptlanze und einer Neben1ei-
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Manometers 5 bei der Anordnung nach der Fig. 1 ist in Fig. 2 eine an den Punkten 8 der Hauptlanze und 9 der Nebenleitung angeschlossene Ringwaage 7 vorgesehen, die die Druckdifferenz zwischen diesen beiden Punkten misst. Bei verändertem Gegendruck infolge veränderter Eintauchtiefe ändert sich die Druckdiffe- renz.
Die Lanze mit der Messanordnung wird vor dem Einbau in die Regelanlage geeicht, indem an irgendeinem Eisen-, Stahl-oder sonstigem Flüssigkeitsbad die Druckerhöhung bei verschiedener Eintauchtiefe ermittelt wird. Zur Eichung der Lanze, aber auch allgemein beim Gebrauch der Lanze imBlasbetrieb kann ein drehbeweglich gelagerter Schwimmkörper 11 (Fig. 2) verwendet werden, der über einen Stab 12 und
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der Lanze. Für die Gestaltung des Schwimmkörpers eignen sich alle Körper, deren Zerstörung durch die hohen Temperaturen verhindert werden kann, und deren Gewicht merklich das Gewicht der entsprechenden Raumteile des Eisen-Stahlbades unterschreiten.
Bei Rotoröfen mit schlägliegender Achse könnte eine Beeinträchtigung des Messergebnisses dadurch eintreten, dass das die Schmelze enthaltende Gefäss schräg steht. In diesem Falle Ist es zweckmässig, die Eintauchtiefe von der Schrägstellung mit abhängig zu machen, also die Schrägstellung als "Störgrösse" auf den Regelkreis für die Eintauchtiefe zu schalten.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel, dargestellt, bei welchem die Schrägstellung als Störgrösse dem Regler 73 aufgeschaltet ist. Ferner sind in Fig. 3 auch für eine Lanzeneintauchtiefenregulierung benötigte Hilfsgeräte mit aufgeführt.
Im einzelnen bedeuten : l die Lanze, welche von einem Kühlmantel 24 umgeben ist. Der Queochnitt der aus Kupfer bestehendenLanze ist ausFig. 5 ersichtlich. Bei einer amgeführtenAnlage haben dieeigent- lichen Blasrohre 241 einen Durchmesser von 18 mm, das zur Kühlwasserzufuhr dienende Rohr 242 einen Durchmesser von 45 mm und das Aussenrohr 243 einendurchmesser von 80 mm . Ferner itt ill der der lAhl- wasserzufuhr dienenden Leitung 25 eine DruckUberwachung 26 mit einem Minimalkontakt 27 vorgeseheat, durch welchen bei einem Kühlwasserausiall beispielsweise eine Wamlampe 271 (Fig. 5) betätigt wird.
Ausserdem ist in der Leitung 28 für die Kühlwasserabfuhr eine Temperaturüberwachung 29 mit einem Maximalkontakt 30 vorgesehen. Bei einem Überschreiten einer Kühlwassertemperatur von etwa 500 C wird dieser Kontakt 30 geschlossen und eine Warnlampe 301 leuchtet auf.
Die Lanze 1 befindet sich in einem Rotor 22, der mit einer entsprechenden Ausmauerung 23 vertehen ist, und taucht in das Roheisenbad 2 ein. Über dem Roheisen befindet sich eine Schlackenschicht 21. Ferner führt noch die Nebenleitung 10 in das Ofeninnere. Aus der Lanze 1 und der Nebenleitung 10 strömt Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch aus. Der Sauerstoff kommt aus einer nicht dargestellten
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Sauerstoffanlage. Der 0-Druck wird mittels einer Regelanordnung (Regler 33, Stellmotor 34 und Ventil
35) auf einen konstanten Wert von beispielsweise 3, 5 atü gehalten.
Der erwähnten Regelanordnung für den 0,-Druck ist eine weitere Regelanordnung für die die Lanze 1 durchströmende 0,-Menge vorgesehen. Letztere besteht aus der Messblende 300, einem Differenzdruck- regler 31 einem Stellmotor 32 und einem Ventil 33. Bei der genannten, ausgeführten Anlage wird durch diese Regelanordnung die eingesetzte 02-Menge auf einen Wert von etwa 1000 mS/h eingeregelt. Dem- gegenüber beträgt die durch die Nebenleitung 10 geleitete 02 -Menge nur etwa 10 mS/h. Aber obwohl sich die genannten Mengen um etwa zwei Zehnerpotenzen unterscheiden, ist das Leistungsquerschnittverhält- nis von Nebenleitung 10 zur Hauptleitung 101 viel geringer. So hat beispielsweise die Hauptleitung 101 - bei der ausgeführten Anlage- eine Nennweite von 80 mm, die Nebenleitung 10 eine Nennweite von
20 mm.
Dadurch besitzt die Nebenleitung ausser in den Ventilen 36, 38, 39 praktisch keine Strömungswi- derstände. Das Ventil 36 dient dabei zur Mengeneinstellung, die von einem Mengenmesser 37 angezeigt wird, während das Grobventil 38 und das Feinventil 39 zur Anpassung des Strömungswiderstandes der Ne- benleitung 10 an den Strömungswiderstand der Einblasrohre 241 verwendet wird. Da die Ventile 38, 39-wie aus Fig. 5 zu entnehmen ist-ausserhalb des Rotors 22 angeordnet sind, wird damit dieser Strömungswider- stand praktisch temperaturunabhängig. Bei den Einblasrohren 241 ist die Temperaturunabhängigkeit des
Strömungswiderstandes durch die Kühlung und die Verwendung von Kupfer als Material für die Lanze 1 gegeben. (Kühlwassereintritts-Temperatur etwa 180 C., Austrittstemperatur unter 400 C). Die Nebenlei- tung 10 besitzt keine besondere Kühlung.
Sie schliesst-wie in Fig. 4 gezeigt-mit dem die Rotoröffnung abdeckenden Schutzschild 221, das gegebenenfalls gekühlt wird, ab. Bezüglich der Grösse des Querschnit- tes der Nebenleitung 10 ist noch zu bemerken, dass eine 90% igue Verstopfung, beispielsweise durch einen
Schlackenspritzer, keine Messwertverfälschung für die Eintauchtiefemessung zur Folge hat. Sollte jedoch im Betrieb dieser Verstopfungsgrad einmal überschritten werden, und der Sauerstoff nichtdie Mündung fei- brennen können, würde in der Nebenleitung 10 ein Druckanstieg erfolgen, der vom Druckmesser 40 durch
Schliessen des Kontaktes 41 sofort gemeldet wUrde (Aufleuchten der Lampe 401).
Die Messung der Lanzeneintauchtiefe erfolgt-wie im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 ausgeführtdurch eine Differenz-Druckmessung. Die Messgrösse wird bei den Ausführungsbeispielen gemäss Fig.3,4 und 5 an den Stellen 74, 75 entnommen und dem Regler 73 zugeführt, der seine Rege11mpulse über einen HandAutomatik-Schalter 71 an den Stellmotor 72, der zweckmässig als hydraulischer Stellenbetrieb ausgeführt wird, weitergibt. Der Kolben des Stellmotors ist über den Stab 50 und die Lanzenbefestigung 49 starr mit der Lanze verbunden. Die Verbindungen der Lanze 1 mit der Hauptleitung 101 sowie den Leitungen 25, 28 erfolgen über flexible Verbindungen 102, 251, 252.
Dem Regler 73 ist ferner die Schräglage der Achse des Rotors 22 als Störgrösse aufgeschaltet. Änderungen der Schräglage können beispielsweise durch ein Heben und Senken des Rollenlagers 43, 44 des Rotors 22 mittels eines hydraulischen Stellmotors 45 erfolgen. Entsprechende Stellbefehle können beispielsweise von einem Steuergerät 46 gegeben werden. Die Stellung des Kolbens des Stellmotors 45 wird an der Stelle 47, beispielsweise mittels eines induktiven Gebers, abgegriffen und dem Regler 73 als Störgrösse aufgeschaltet. Bei der ausgeführten Anlage hat sich jedoch gezeigt, dass die Messung des Differenzdruckes für die Lanzeneintauchtiefe so schnell erfolgt, dass die oben beschriebene Störwertaufschaltung nicht erforderlich ist. In den Fig. 4, 5 sind daher die entsprechenden Geräte nicht mehr mit eingezeichnet.
Zur 02-Drucküberwachlng in der Hauptleitung 101 und damit in der Lanze 1 dient des Messgerät 42.
Bei Unterschreiten eines bestimmten Druckes schliesst es seinen Kontakt 48 und die Lampe 421 leuchtet auf.
Ein räumliches Anordnungsbeispiel für das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 ist in den Fig. 4, 5 dargestellt. Gleiche Positionszeichen bezeichnen in den Fig. 4,5 die gleichen Geräte wie in Fig. 3. Die für die Lanzentiefenregulierung erforderlichen Geräte sind auf einem Wagen 500 angeordnet, wobei die Messgeräte, Regler sowie Hilfsgeräte an einer Tafel 501 befestigt sind. Die Lanze 1 gleitet in einer Führung 502. Im folgenden soll an einem Betriebsbeispiel die Funktion der Lanzentiefenregulierung näher erläutert werden.
Der auf Rollen 44 gelagerte, über einen Zahnkranz 503 von einem nicht dargestellten Antrieb in Rotation (etwa 1 Umdr/min) versetzte Rotor 22 sei mit Roheisen sowie Zuschlägen beschickt. Die Lanze 1 ist angehoben (nicht dargestellt) und befindet sich ausserhalb des Rotors. Der von der Sauerstoffanlage des Hüttenwerkes gelieferte Sauerstoff wird durch eine flexible, nicht gezeigte Leitung dem Stutzen 504 zugeführt. Am Regler 33 wird der gewünschte 0-Druck, beispielsweise 3,5 atü, eingestellt. Dann wird die
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10überwachung 40 wird der Maximalkontakt 41 auf einen, etwa 50,,/0 über dem Druck im Rotor liegenden Wert (beispielsweise 1, 4 atü) eingestellt. Die Warnlampe 401 darf jetzt nicht aufleuchten.
Nun wird der Sollwert des Mengenreglers 31 auf einen Wert von einigen Hundert m3/h eingestellt, so dass der Druck vor der Lanze 1 den am Druckmesser 42 eingestellten Minimalwert überschreitet und damit die Lampe 421 er-
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aufleuchten. Die Lanze kann. nun in den Rotor eingefahren werden. Der Wagen 500 wird bis in die in Fig. 4 gezeigte Stellung vorgefahren. Jetzt wird am Regler 31 der volle Wert der gewünschten 0.-Menge, bei- spielsweise 1000 m3/h, eingestellt. Danach wird das Grobventil 38 und das Feinventil 39 solange verstellt bis der am Regler 73 angezeigte Differenzdruck Null wird.
Nun wird am Regler 73 der Sollwert für die Eintauchtiefe der Lanze eingestellt und die Lanze, bei- spielsweise von Hand, auf die gewünschte Tiefe gefahren und dann die Regelung (Umschalter 71 wird auf Automatik geschaltet) eingeschaltet. Nach Ablauf der vorgesehenen Blaszeit wird dann die Lanze in dem
Einfahren entsprechend rückläufiger Reihenfolge wieder ausgefahren.
Es versteht sich, dass die vorstehend dargestellte Tiefenregulierung noch in vieler Weise modifiziert werden kann. So ist es beispielsweise möglich, den Blasvorgang zu überwachen und ihn danach entsprechend zu steuern beziehungsweise zu regeln. Da derartige Messungen mit der Lanzentiefeuregulierung selbst nichts direkt zu tun haben, wurden entsprechende Mess-und Regelgeräte in dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3,4, 5 der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum Messen und Regeln der Eintauchtiefe eines Rohres, z. B. einer sogenannten Lanze, in einem flüssigen Medium, vorzugsweise einer Metallschmelze in einem Rotorofen, wobei durch die Lanze ein Gas oder ein Gasgemisch geblasen wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei gegebener, die Lanze durchströmender Gasmenge als Mass für die Eintauchtiefe bzw. als Mass für die Regelung der Eintauchtiefe der Gasdruck in dem Rohr dient.