Verfahren zum Betreiben einer Vakuumschmelzanlage und nach diesem Verfahren betriebene Vakuumschmelzanlage

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Vakuumschmelzanlage. Außerdem bezieht sich die Erfin ^¬ dung auf eine mit diesem Verfahren betriebene Vakuumschmelzanlage .

In einer Vakuumschmelzanlage wird eine beispielsweise in ei ^¬ nem vorangegangenen Schritt in einem Elektrolichtbogenofen erzeugte Stahlschmelze einer Nachbehandlung unterzogen, um in der Stahlschmelze noch enthaltene unerwünschte Begleitelemen- te zu eliminieren. Derartige Vakuumschmelzanlagen werden je nachdem, ob als Prozessgas ausschließlich ein Inertgas oder zusätzlich Sauerstoff eingesetzt wird, als VD- bzw. VOD- Anlagen bezeichnet (Vacuum Decarburisation bzw. Vacuum Oxygen Decarburisation) . Die Prozessdauer, d.h. die Zeitdauer bis zum Erreichen des angestrebten Gehaltes an störenden Begleitelementen, hängt wesentlich von der Rate ab, mit der die Prozessgase in die Stahlschmelze eingeblasen werden. Eine zu ge ^¬ ringe Zufuhrrate kann dazu führen, dass die Temperatur der Stahlschmelze noch vor dem Erreichen des angestrebten Gehal- tes an störenden Begleitelementen so weit absinkt, dass ein Nachheizen der Stahlschmelze in der Pfanne oder ein komplet ^¬ tes Nachbehandeln der Schmelze erforderlich ist. Eine hohe Zufuhrrate, kann jedoch insbesondere beim Vakuumfrischen mit Sauerstoff zu einem Überkochen bzw. Überschäumen der Schmelze führen, das mit einem erheblichen und zeitraubenden nachträglichen Reinigungsaufwand verbunden ist.

Die Einstellung der Rate, mit der Prozessgas der Stahlschmel ^¬ ze zugeführt wird, erfolgt dabei manuell, indem die Bedien- person mittels einer Kamera das Oberflächenbild der Schmelze und damit die Höhe der Schaumschlacke in der Pfanne beobach ^¬ tet und dementsprechend die Zufuhrrate steuert. Die Prozess ^¬ führung ist dementsprechend abhängig von der Erfahrung und der Aufmerksamkeit einer Bedienperson, so dass fehlerhafte oder ineffiziente Prozessführungen nicht sicher vermieden werden können. Darüber hinaus können fehlerhafte Betriebszu- stände, wie sie beispielsweise durch Undichtigkeiten der Va- kuumanlage hervorgerufen werden nur sehr schwer oder sehr spät erkannt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Vakuumschmelzanlage zur metallurgi- sehen Behandlung einer Stahlschmelze anzugeben, mit dem die Prozesssicherheit verbessert ist. Außerdem liegt der Erfin ^¬ dung die Aufgabe zu Grunde, eine mit diesem Verfahren betrie ^¬ bene Vakuumschmelzanlage anzugeben. Hinsichtlich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen werden mit zumindest einem mittelbar oder unmittelbar an eine die Stahlschmelze aufnehmende Pfanne akustisch gekoppelten Körperschallaufnehmer die in der Pfanne erzeugten akustischen Signale aufgenommen und zur Ermittlung der Höhe oder der Dicke der in der Pfanne über dem Schmelzbad der Stahlschmelze befindlichen Schaumschlacke herangezogen.

Durch diese Maßnahme kann die Gefahr eines Überkochens der Schmelze rechtzeitig erkannt und es können dementsprechend

Gegenmaßnahmen, beispielsweise Reduktion oder Abbruch der Zufuhr von Prozessgas, eingeleitet werden, die ein Überkochen verhindern . Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, dass die beim Betreiben der Vakuumschmelzanlage, insbesondere beim Einbla- sen von Prozessgas in der Pfanne entstehenden akustischen Signale je nach Entstehungsort der Schallerzeugung und der damit einhergehenden Ausbreitungswege bis zu einem Schallauf- nehmer charakteristische Eigenschaften aufweisen, die es ermöglichen, aus den akustischen Signalen Information über den Betriebszustand der Vakuumschmelzanlage abzuleiten. Unter Höhe der Schaumschlacke ist im Folgenden die Lage des oberen Pegels der Schaumschlacke relativ zu einem festen Bezugspunkt der Vakuumschmelzanlage zu verstehen. Dies kann beispielsweise der Abstand zwischen dem Boden der Pfanne und dem oberen Pegel sein. Die Höhe der Schaumschlacke ist dabei wesentlich bestimmt durch deren Dicke, da die Höhe der ei ^¬ gentlichen Stahlschmelze praktisch konstant ist.

Ein solches Überkochen oder Überschäumen kann insbesondere dann sicher verhindert werden, wenn der zeitliche Differentialquotient der Höhe oder der Dicke der Schaumschlacke er ^¬ mittelt wird. Auf diese Weise wird ein schnelles Ansteigen der Höhe der Schaumschlacke rechtzeitig erkannt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die ermittelte Höhe bzw. Dicke und/oder deren zeitlicher Differentialquotient zur Regelung der Höhe der Schaumschlacke durch Steuerung der Zufuhr eines Prozessgases in die Pfanne herangezogen werden. Auf diese Weise kann der gesamte in der Vakuumanlage ablaufende Nachbehandlungsprozess entsprechend stabilisiert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die akustischen Signale auch zu einer Detektion einer Undichtig- keit in der Vakuumschmelzanlage herangezogen.

Hinsichtlich der Vakuumschmelzanlage wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einer Vakuumschmelzanlage mit den Merkmalen des Patentanspruches 5. Gemäß diesen Merkmalen um- fasst die Vakuumschmelzanlage zumindest einen mittelbar oder unmittelbar an die Pfanne akustisch gekoppelten Körperschallaufnehmer zum Aufnehmen der in der Pfanne erzeugten akustischen Signale sowie eine Steuer- und Auswerteeinrichtung mit einem darin implementierten Algorithmus zum Er- mittein der Höhe oder der Dicke und/oder des zeitlichen Differentialquotienten dieser Höhe bzw. Dicke der in der Pfanne über dem Schmelzbad befindlichen Schaumschlacke aus den von dem oder den Körperschallaufnehmern aufgenommenen akustischen Signalen .

Wenn der zumindest eine Körperschallaufnehmer an der Pfanne fixiert ist, können die innerhalb der Pfanne entstehenden Schallsignale mit hoher Empfindlichkeit registriert werden.

Eine besonders genaue Bestimmung der Höhe bzw. Dicke der Schlacke kann dann erfolgen, wenn der zumindest eine Körper- schallaufnehmer in einem oberen Bereich der Pfanne angeordnet ist .

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vakuumschmelzanlage sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei- spiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.

Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf das in einer schematischen Prinzipskizze dargestellte Ausführungs- beispiel der Figur verwiesen.

Gemäß der Figur umfasst eine Vakuumschmelzanlage einen Unter ^¬ druckkessel 2, der mit einem Deckel 4 verschlossen ist. In diesen Unterdruckkessel 2 ist eine mit einer Stahlschmelze befüllte Pfanne 6 eingebracht, an deren Unterseite eine Mehr ^¬ zahl von Gaszufuhrleitungen 8 zum Zuführen von Prozessgas PI angeschlossen sind, von denen in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine dargestellt ist. Unterdruckkessel 2 und Deckel 4 bilden dementsprechend ein die Pfanne 6 umge- bendes Anlagenteil.

Gestrichelt eingezeichnet ist die Ausführungsform einer soge ^¬ nannten VOD-Vakuumschmelzanlage, bei der in die Pfanne 6 über eine weitere Gaszufuhrleitung 10 als weiteres Prozessgas P2 Sauerstoff eingeleitet werden kann. In dieser Ausführungsform ist die Pfanne 6 zusätzlich mit einem Schutzdeckel 12 abge ^¬ deckt, mit dem der Schlackenauswurf durch Überschäumen redu- ziert werden kann.

In der Pfanne 6 befindet sich Stahlschmelze, die sich aus ei ^¬ nem flüssigen Schmelzbad 14, dessen Badspiegel 16 sich im Abstand h vom Boden der Pfanne 6 befindet, und einer darüber befindlichen Schaumschlacke 18 zusammensetzt, deren Dicke d beträgt, so dass sich deren oberer Pegel 20 in der Höhe H=h+d über dem Boden der Pfanne 6 befindet.

Sowohl an der Außenwand der Pfanne 6 als auch an der Wand des Unterdruckkessels 2 sowie auf dem Deckel 4 des Unterdruckkes ^¬ sels 2 sind Körperschallaufnehmer 30-1, 30-2, 30-3 und 30-4 angeordnet, mit denen die im Inneren und in der Umgebung der Pfanne 6, beispielsweise durch eine Vakuumpumpe, erzeugten akustischen Signale aufgenommen werden.

Die von den Körperschallaufnehmern 30-1, 30-2, 30-3 und 30-4 jeweils bereit gestellten Messsignale Ml, M2, M3 bzw. M4 wer ^¬ den an eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 weitergeleitet, in der sie ausgewertet und zur Ermittlung der Höhe H bzw. Dicke d der Schaumschlacke 18 herangezogen werden.

Die am Unterdruckkessel 2 oder am Deckel 4 vorzugsweise fest installierten Körperschallaufnehmer 30-3, 30-4 können auch innerhalb des Unterdruckkessels 2 angeordnet sein. Sie sind akustisch nicht unmittelbar mit der Wand der Pfanne 6 gekop ^¬ pelt. Vielmehr werden die in der Pfanne 6 erzeugten akustischen Signale über entsprechende Gerüste auf die Wand des Un ^¬ terdruckkessels 2 bzw. auf den Deckel 4 übertragen. Die an der Außenwand der Pfanne 6 angeordneten und akustisch unmittelbar an die Wand der Pfanne 6 gekoppelten Körperschallaufnehmer 30-1, 30-2 sind abnehmbar, d.h. lösbar an der Pfanne 6 fixiert und werden erst nach Einsetzen der Pfanne 6 in den Unterdruckkessel 2 mit Schnellverschlüssen an die Pfanne 6 angekoppelt.

Der in der Pfanne 6 durch Einblasen von Prozessgas PI, P2 in die Stahlschmelze entstehende Schall breitet sich innerhalb des Schmelzbades 14 und innerhalb der Schaumschlacke 18 zur Wand hin aus, wobei die Schaumschlacke 18 schalldämpfend wirkt. Mit anderen Worten: Die Dicke d der Schaumschlacke 18 und deren Höhe H bzw. Lage innerhalb der Pfanne 6 beeinflusst wesentlich das insbesondere von dem im oberen Bereich der

Pfanne 6 angeordneten Körperschallaufnehmer 30-1 aufgenommene Schallsignal .

Die erzeugten Messsignale Ml, M2, M3 und M4 werden in der Auswerteeinrichtung 40 einer Signalanalyse unterzogen und unter Zuhilfenahme eines selbstlernenden physikalischen Modells wird die Höhe der Schaumschlacke ermittelt. Hierzu werden die Messsignale Ml, M2, M3 und M4 beispielsweise einer schnellen Fouriertransformation unterzogen. Die auf diese Weise erzeug- ten Frequenzspektren werden mit Frequenzspektren verglichen, die in einer vorangehenden Lernphase bei unterschiedlichen Betriebszuständen der Vakuumschmelzanlage, insbesondere bei unterschiedlichem Druck im Unterdruckkessel 2, unterschiedli ^¬ cher Zufuhrrate der Prozessgase PI, P2 sowie unterschiedli- eher durch Aufnahme mit einer Kamera bestimmter Höhen der

Schaumschlacke, gemessen worden sind. Mit Hilfe von Lern- und Mustererkennungsalgorithmen können dann durch Vergleich eines realen gemessenen Frequenzspektrums mit den in der Lernphase gewonnenen Frequenzspektren die Höhe H und insbesondere die Dicke d der Schaumschlacke 18 bzw. deren zeitlicher Differentialquotient dH/dt bzw. dd/dt ermittelt werden, ohne dass hierzu eine Beobachtung mit einer Kamera erforderlich ist.

In der Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 werden in Abhängig- keit von der ermittelten Höhe H bzw. Dicke d und vorzugsweise von den ermittelten Differentialquotienten Steuersignale Sl und S2 erzeugt, mit denen die Zufuhrrate der Prozessgase PI, P2 gesteuert wird, um die Höhe der Schaumschlacke 18 auf ei- nen konstanten Wert zu regeln oder aber zumindest ein Überschäumen von Schaumschlacke 18 zu verhindern.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind sowohl an der Pfan- ne 6 als auch am Unterdruckkessel 2 eine Mehrzahl von Körper ^¬ schallaufnehmern vorgesehen. Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch mit einem einzigen, vorzugsweise im oberen Bereich der Pfanne angeordneten Körperschallaufnehmer 30-1 erfolgen.

Durch Analyse der akustischen Signale können außerdem das Auftreten von durch Undichtigkeiten, beispielsweise nicht korrekt verschlossener Deckel 4, verursachten Betriebszustän- den rechtzeitig erkannt und der entsprechende Mangel dement- sprechend zügig behoben werden. Auch in diesem Fall werden in einer Lernphase vor der eigentlichen Inbetriebnahme unterschiedliche Betriebszustände eingestellt, beispielsweise Be ^¬ trieb der Vakuumanlage mit korrekt und nicht korrekt ver ^¬ schlossenen Deckel, bewusste Einstellung von Leckagen, und die entsprechenden Körperschallsignale aufgenommen. Die Fre ^¬ quenzspektren der in dieser Lernphase gewonnenen Messsignale Ml, M2, M3, M4 werden als typische Muster hinterlegt, so dass durch Vergleich eines im realen Betrieb gemessenen Frequenzspektrums mit den hinterlegten Mustern das Auftreten und die Ursache, d.h. der Ort einer Undichtigkeit festgestellt werden kann .

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge ^¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .