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. h _E iektrode, ,(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 h _A iarmLevei, übersteigt:

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, h _Se itenwand, 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