Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen des Schmelze- und/oder Schlackenniveaus in einem Ofengefäß.

Zur sicheren Prozessführung eines Schmelzprozesses in einem Schmelzofen ist es notwendig, das Schlackenniveau bzw. das Niveau des flüssigen Metalls (Schmelze) zu ermitteln. Hierzu stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung.

Zunächst sind Verfahren bekannt, bei denen mit Hilfe einer Stahlstange oder mit Hilfe von Temperatursensoren das Badniveau ermittelt wird.

Im erstgenannten Fall wird von der Ofendecke aus eine Stahlstange in das Bad definiert eingetaucht. Über die Anhaftungen der Schlacke an der Stange werden dann nach dem Herausziehen der Stange aus dem Ofengefäß die beiden Niveaus der Schlacke und der flüssigen Schmelze durch optische Begutachtung ermittelt. Dieses Verfahren hat allerdings folgende Nachteile: Bei einer zu niedrigen Ofentemperatur oder zu viel Calcine auf der Schlacke kann die Stange nicht in das Bad eintauchen. Aus Sicherheitsgründen kann diese Messung mitunter nicht während des Ofenbetriebs durchgeführt werden. Es ist keine kontinuierliche Erfassung der Höhe von Metall und Schlacke möglich. Die manuell erfassten Daten können nicht zur Prozessregelung genutzt werden, wodurch die Gefahr besteht, dass das Metall- und Schlackenbad zu hoch gefahren wird und damit der Schmelzofen geschädigt wird. Die Messung erfolgt meist nur an einer Stelle. Das Niveau der flüssigen Schmelze ist allerdings nur parallel, wenn kein Material abgestochen wird. Bei einem Abstich sinkt der Badspiegel in Richtung des Abstichlochs ab. Da das Calcine meist kegelförmig auf der Schmelze bzw. Schlacke aufliegt, ist eine Ermittlung der Höhenniveaus in verschiedenen Bereichen des Ofens nicht möglich.

Des weiteren ist ein anderes Verfahren bekannt, bei dem punktuell messende elektrische Thermofühler zum Einsatz kommen, die sich an der Außenverkleidung des Ofengefäßes befinden. Die Außenwand der Schmelzöfen besteht aus einer Ausmauerung, die durch Kühlelemente aus einem stark wärmeleitenden Material gekühlt wird. In die Ausmauerung oder auch in die Kühlelemente werden die Thermofühler waagerecht eingebracht. Ihre Messspitze ist in Richtung der Schmelze ausgerichtet. Mehrere Thermoelemente sind spaltenweise von oben nach unten angeordnet. Dieses Verfahren hat folgende Nachteile: Die konstruktive Bauart des Ofens definiert meist den Abstand der Kühlelemente untereinander. Zur Abdeckung der gesamten Höhe ist in Abhängigkeit der erforderlichen Messgenauigkeit eine große Zahl an Thermofühlern notwendig, die untereinander angeordnet sind. Mit diesem Verfahren ist eine Temperaturmessung nur an der Außenwandung des Ofens möglich. Die Thermofühler verursachen einen großen Verdrahtungsaufwand, der störanfällig ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass eine genaue Erfassung des Temperaturverlaufs des sich im Ofengefäß befindlichen Materials (Schlacke und Schmelze) möglich ist, wobei die oben genannten Nachteile vermieden werden sollen. Insbesondere soll die Schlackenhöhe im Ofengefäß in einfacher und genauer Weise erfasst werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen einer Messsonde, wobei diese eine sich längserstreckende Struktur aufweist und wobei sich in der Messsonde ein in Richtung der Längsachse der Messsonde erstreckender Hohlraum befindet;

Platzieren eines Lichtwellenleiters im Hohlraum der Messsonde, wobei der Lichtwellenleiter in der Messsonde wieder zerstörungsfrei entfernbar platziert wird;

Eintauchen der Messsonde samt Lichtwellenleiter in das sich im Ofengefäß befindliche schmelzflüssige Gut oder Einführen der Messsonde samt Lichtwellenleiter in einen Teil der Ofenwandung des Ofengefäßes oder Einführen der Messsonde samt Lichtwellenleiter in wärmeisolierendes Material, das sich zwischen der Schmelze und der Ofenwandung des Ofengefäßes befindet oder Einführen der Messsonde samt Lichtwellenleiter in wärmeabführendes Material, das sich ganz oder teilweise in wärmeisolierendem Material des Ofengefäßes befindet;

Ermittlung des Temperaturverlaufs zumindest über einen Teil der Längserstreckung der Messsonde durch faseroptische Temperaturmessung.

Demgemäß kann also vorgesehen werden, dass die Messsonde samt Lichtwellenleiter in verschiedener Weise in das zu messende Gut eingebracht wird; dies kann direkt ein Eintauchen in das schmelzflüssige Gut sein oder auch ein Einführen der Messsonde in den tragenden Teil der Ofenwandung des Ofengefäßes bzw. das Einführen der Messsonde in das wärmeisolierende Material, das sich zwischen der Schmelze und der Ofenwandung befindet.

Vorzugsweise erfolgt das Eintauchen oder Einführen der Messsonde samt Lichtwellenleiter gemäß obigem Schritt c) vertikal. Es ist aber auch möglich, dass das Eintauchen oder Einführen der Messsonde samt Lichtwellenleiter unter einem Winkel größer als 0° zur vertikalen Richtung erfolgt; schließlich kann das Eintauchen oder Einführen der Messsonde samt Lichtwellenleiter auch horizontal erfolgen. Als Material für die Messsonde wird bevorzugt ein gut wärmeleitendes Material verwendet. Hierbei kommt insbesondere Kupfer zum Einsatz.

Die Ermittlung des Temperaturverlaufs gemäß obigem Schritt d) erfolgt bevorzugt durch das Raman-Verfahren oder durch das Faser-Bragg-Verfahren (Detail hierzu s. unten).

Das Verfahren umfasst ferner gemäß einer bevorzugten Ausführungsform den Austausch der Messsonde nach einer vorgegebenen Zeit oder nach einem vorgegebenen Verschleißzustand der Messsonde, wobei der Lichtwellenleiter in einer neuen Messsonde platziert wird.

Vorzugsweise wird zumindest während der obigen Schritte c) und d) ein Kühlmedium durch die Messsonde geleitet. Das Kühlmedium kann ein flüssiges oder ein gasförmiges Kühlmedium sein.

Die eingangs genannten Nachteile bei der Schlackenniveaumessung werden also erfindungsgemäß dadurch vermieden, dass statt der bekannten Verfahren eine Messsonde eingesetzt wird, die ein faseroptisches Temperaturmessverfahren per Lichtwellenleiter zur Erfassung des Temperaturverlaufs und insbesondere des Badniveaus nutzt. Dazu wird ein stark wärmeleitendes Material eingesetzt, in das ein Lichtwellenleiter eingebracht wird, der an mehreren Punkten die Temperatur mit einem faseroptischen Messverfahren ermittelt.

So ist es möglich, kontinuierlich genaue Messwerte zu erfassen, die direkt von der Prozessautomatisierung genutzt werden können. Lichtwellenleiter haben den Vorteil, dass eine Faser mit Hilfe des Faser-Bragg- Verfahrens oder des Raman-Verfahrens an mehreren Stellen die Temperatur messen kann. Die Auswahl des zum Einsatz kommenden Verfahrens hängt von der benötigten Messfrequenz, dem erforderlichen Abstand der Messpunkte und der gewünschten Anzahl der Messstellen ab. Es hat sich dabei gezeigt, dass für Messungen mit niedriger Frequenz und großem Messabstand das Raman- Verfahren und für Messungen mit hoher Frequenz und engem Abstand der Messpunkte auf der Glasfaser das Faser-Bragg-Verfahren von Vorteil ist. Der Temperatursensor (Lichtleitfaser) wird in der Messsonde platziert und diese über die Ofendecke in die Stahlschmelze eingeführt. Sie misst kontinuierlich über die hohe Anzahl der sich auf dem Sensor befindlichen Messpunkte des Lichtwellenleiters die Temperatur der Schmelze auf verschiedenen Ebenen bzw. Höhenniveaus. Entsprechend dem Abstand der Messpunkte auf dem Lichtwellenleiter kann die Messsonde die Temperatur auf unterschiedlichen Niveaus messen.

Der erfindungsgemäße Vorschlag bietet eine bessere Erfassung des Metall- und Schlackenniveaus als mit den vorbekannten Maßnahmen.

Zur faseroptischen Temperaturmessung seinen folgende generelle Anmerkungen gemacht: Es geht hierbei um den Einsatz von optoelektronischen Geräten zur Messung der Temperatur, wobei Glasfasern als lineare Sensoren benutzt werden. Faseroptische Systeme eignen sich nicht nur für die Informationsübertragung, sondern auch als örtlich verteilte Mess-Sensoren. Physikalische Messgrößen wie Temperatur oder Druck- und Zugkräfte können auf die Glasfaser einwirken und die Eigenschaften der Lichtleitungen in der Faser lokal ändern. Infolge der Dämpfung des Lichtes in den Quarzglasfasern durch Streuung kann der Ort einer äußeren physikalischen Einwirkung festgestellt werden, sodass der Lichtwellenleiter als linearer Sensor eingesetzt werden kann. Zur Temperaturmessung mittels der erfindungsgemäß vorgesehenen Lichtwellenleitern aus Quarzglas eignet sich besonders der oben genannte Ra man -Effekt. Das Licht in der Glasfaser streut hierbei an mikroskopisch kleinen Dichteschwankungen, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind. In der Rückstreuung findet man neben dem elastischen Streuanteil (Rayleigh-Streuung) auf der gleichen Wellenlänge wie das eingestrahlte Licht auch zusätzliche Komponenten auf anderen Wellenlängen, die mit der Molekülschwingung und somit mit der lokalen Temperatur gekoppelt sind (sog. Raman-Streuung). Das faseroptische Temperaturmess-System basiert auf einem faseroptischen Raman- Rückstreuverfahren. Der eigentliche Temperatursensor ist der Lichtwellenleiter. Mit Hilfe eines Auswertegerätes, dem sog. optischen Raman-Reflektometer, können die Temperaturwerte in der Glasfaser des ortsaufgelöst bestimmt werden.

Das bekannteste Rückstreuverfahren ist das OTDR-Verfahren (OTDR: Optical Time Domain Reflectometry). Es arbeitet nach einem Puls-Echo-Verfahren, aus der Laufzeitdifferenz zwischen Aussenden und Detektion der Lichtpulse werden Streupegel und Streuort bestimmt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Ofengefäß, in dem sich eine Metallschmelze und

Schlacke befindet, und

Fig. 2 schematisch eine in die Schmelze und die Schlacke eingetauchte

Messsonde sowie der sich durch die Messung ergebende Verlauf der

Temperatur über der Eintauchhöhe der Messsonde in die Schmelze bzw. Schlacke.

In Fig. 1 ist ein Ofengefäß 1 zu sehen, in dem schmelzflüssiges Gut 5 enthalten ist. Dieses Gut 5 ist eine Schichtung aus Schlacke 7 und Schmelze 8. Es geht vorliegend insbesondere darum, die Höhe der Schlacke 7 im Ofengefäß 1 zu bestimmen.

Hierfür wird eine Messsonde 2 eingesetzt, die im wesentlichen als Rohr ausgebildet ist, das an einem Ende verschlossen ist. Es hat eine Erstreckung in eine Längsachse L. In der Messsonde 2 ist ein Hohlraum 3 enthalten, der zur Aufnahme eines Lichtwellenleiters 4 ausgebildet ist.

Zur Bestimmung der Höhe der Schlacke 7 im Ofengefäß 1 wird der Lichtwellenleiter 4 in die Messsonde 2 eingeschoben, was in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Die Messsonde 2 samt Lichtwellenleiter 4 wird dann in vertikale Richtung V in das schmelzflüssige Material 5 im Ofengefäß 1 eingeschoben.

Dieser Zustand ist in der linken Figurenhälfte in Fig. 2 dargestellt. Die vom Lichtwellenleiter 4 kommenden Signale werden in einem Auswertegerät 6 ausgewertet, wofür das Raman-Verfahren oder das Faser-Bragg-Verfahren - wie oben erläutert - zum Einsatz kommt.

Demgemäß wird es möglich, den Verlauf der Temperatur T über der Höhenkoordinate x zu erfassen, wie es im Diagramm in der rechten Figurenhälfte von Fig. 2 dargestellt ist. Zu erkennen ist der Temperaturverlauf, der markante Änderungen des Verlaufs an den Stellen nimmt, an der die Messsonde 2 in die Schlacke 7 eintaucht und an der die Schlacke 7 in die Schmelze 8 übergeht. Daher kann aus dem aufgenommenen Verlauf der Temperatur über der Höhenkoordinate x relativ genau auf die Höhe der Schlacke 7 im Ofengefäß 1 geschlossen werden.

Wie erläutert kann die Auswertung nach dem Faser-Bragg-Gitter-Verfahren (FBG- Verfahren) erfolgen. Hierbei werden geeignete Lichtwellenleiter verwendet, die Messstellen mit einer periodischen Variation des Brechungsindexes bzw. Gitters mit solchen Variationen eingeprägt bekommen. Diese periodische Variation des Brechungsindexes führt dazu, dass der Lichtwellenleiter in Abhängigkeit der Periodizität für bestimmte Wellenlängen an den Messstellen einen dielektrischen Spiegel darstellt. Durch eine Temperaturänderung an einem Punkt wird die Bragg- Wellenlänge verändert, wobei genau diese reflektiert wird. Licht, das die Bragg- Bedingung nicht erfüllt, wird durch das Bragg-Gitter nicht wesentlich beeinflusst.

Die verschiedenen Signale der unterschiedlichen Messstellen können dann aufgrund von Laufzeitunterschieden voneinander unterschieden werden. Der detaillierte Aufbau solcher Faser-Bragg-Gitter sowie die entsprechenden Auswerteeinheiten sind allgemein bekannt. Die Genauigkeit der Ortsauflösung ist durch die Anzahl der eingeprägten Messstellen gegeben. Die Größe einer Messstelle kann beispielsweise im Bereich von 1 mm bis 5 mm liegen. Wie ebenfalls schon erwähnt, kann alternativ zur Messung der Temperatur auch das„Optical-Frequency-Domain-Reflectometry"-Verfahren (OFDR-Verfahren) oder das„Optical-Time-Domain-Reflectometry"-Verfahren (OTDR-Verfahren) eingesetzt werden. Diese Verfahren basieren auf dem Prinzip der faseroptischen Ramanrückstreuung, wobei ausgenutzt wird, dass eine Temperaturveränderung am Punkt eines Lichtleiters eine Veränderung der Ramanrückstreuung des Lichtwellenleitermaterials verursacht. Mittels der Auswerteeinheit (z. B. einem Raman-Reflektometer) können dann die Temperaturwerte entlang einer Faser ortsaufgelöst bestimmt werden, wobei bei diesem Verfahren über eine bestimmte Länge des Leiters gemittelt wird. Diese Länge beträgt ca. einige Zentimeter.

Die verschiedenen Messstellen werden wiederum durch Laufzeitunterschiede voneinander getrennt. Der Aufbau solcher Systeme zur Auswertung nach den genannten Verfahren ist allgemein bekannt, ebenso wie die nötigen Laser, die das Laserlicht innerhalb des Lichtwellenleiters 4 erzeugen. Somit wird es möglich, den Füllstand der Schmelze im Ofengefäß 1 mit Hilfe einer Vielzahl von Messpunkten genau zu bestimmen. Gleichermaßen kann die Höhe der Schlacke im Ofengefäß genau bestimmt werden; insbesondere kann die Dicke der Schlackenschicht oberhalb der Schmelze im Ofengefäß gemessen werden.

Die Messsonde 2 ist bevorzugt aus einem Material gefertigt, das einerseits wärmeleitend ist, andererseits aber dem chemischen Angriff der Schlacke bzw. der Schmelze gut standhalten kann. Ein Austausch der Messsonde erlaubt die Wieder- bzw. Weiterverwendung des Lichtwellenleiters, nachdem die Messsonde einen entsprechenden Verschleiß erlitten hat und durch eine neue Sonde ersetzt wird.

Bezugszeichenliste:

1 Ofengefäß

2 Messsonde

3 Hohlraum

4 Lichtwellenleiter

5 schmelzflüssiges Gut 6 Auswertegerät

7 Schlacke

8 Schmelze

T Temperatur x Höhenkoordinate

L Längsachse

V Vertikale