Kontaktlose Positionsmessung einer beweglichen Lanze bei der Konverterstahlerzeugung

Die Erfindung betrifft ein System umfassend eine bewegliche Lanze, welche zur Messung oder Beeinflussung physikalischer oder chemischer Größen einer Schmelze in einem Konverter vorgesehen ist, und eine Vorrichtung, welche zur kontaktlosen Positionsmessung der beweglichen Lanze vorgesehen ist.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Konvertersystem mit einem derartigen System und ein Verfahren zur kontaktlosen Positionsmessung der beweglichen Lanze.

Ein derartiges System und Konvertersystem sowie ein derartiges Verfahren kommen beispielsweise bei der Konverterstahlerzeugung zum Einsatz. Bei einem Konverter handelt es sich im Zusammenhang mit der Stahlherstellung um ein Behältnis, in welchem beispielsweise durch Zuführung von Sauerstoff in verflüssigtes Roheisen überschüssiger Kohlenstoff herausoxidiert wird .

Bei der Konverterstahlerzeugung werden verschiedene bewegli- che Lanzensysteme eingesetzt, wie zum Beispiel Sauerstoffbla- selanzen oder Lanzeneinrichtungen zur Probennahme oder zur Bestimmung von Stahlbadtemperatur, des Kohlenstoffgehalts oder der Sauerstoffaktivität, wobei die letztgenannten Lan ^¬ zeneinrichtungen Sublanzeneinrichtungen genannt werden.

Insbesondere wenn es sich um wassergekühlte Lanzen handelt, ist die sichere Positionsbestimmung der Lanze von großer Wichtigkeit, da bei einer Kollision der wassergekühlten Lanzeneinrichtung mit dem Konvertergefäß Kühlwasser aus der Lan- ze austreten kann. Ist eine gefährliche Menge Wasser ausge ^¬ treten, so kann dies im Konverter zu explosionsartiger Verdampfung (Spontanverdampfung) , Dissoziation (Wasseraufspaltung) sowie Oxydationseffekten (chemischer Bindung der Sauer- stoffatome) führen. Das dadurch entstehende Gefahrenpotential ist nicht zu vernachlässigen.

Bisher wurde die Positionsmessung der beweglichen Lanze wie folgt durchgeführt. Die Lanze hängt an dem einem Ende eines Seils, welches am anderen Ende auf einer Seiltrommel aufgewi ^¬ ckelt ist. Mit der Seiltrommel ist ein Antriebsmotor verbun ^¬ den, so dass der Antriebsmotor nach Vorgabe einer verbundenen Steuerung mittels des Seils die Lanze vertikal bewegen kann. Die Positionsmessung wird dabei mittels eines am drehenden Teil der Seiltrommel befestigten Absolutwertencoders reali ^¬ siert, wobei erst durch entsprechende Berechnung durch die Steuerung die exakte Lanzenposition zugänglich ist. Somit liegt also eine indirekte sowie eine kontaktbehaftete Messung vor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst ein ^¬ fache und gleichzeitig möglichst sichere Positionsmessung ei ^¬ ner beweglichen Lanze bei der Konverterstahlerzeugung zu er- möglichen.

Diese Aufgabe wird durch ein System der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das System stationäre Sendemittel zum Aussenden von elektromagnetischen Wellen, stationäre Emp- fangsmittel zum Empfangen der ausgesendeten elektromagneti ^¬ schen Wellen, einen Reflektor, welcher mit der beweglichen Lanze verbunden ist und an welchem die elektromagnetischen Wellen reflektierbar sind, und Berechnungsmittel zum Berechnen der absoluten Position der Lanze aus der Laufzeit der von den Sendemitteln in Richtung des Reflektors ausgesendeten, von dem Reflektor in Richtung der Empfangsmittel reflektierten und von den Empfangsmitteln empfangenen elektromagnetischen Wellen aufweist. Weiterhin wird diese Aufgabe durch ein Konvertersystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Konvertersys ^¬ tem einen Konverter, ein Seil, an welchem die Lanze hängend befestigt ist, und eine Antriebseinheit, mittels welcher das Seil und die Lanze bewegt werden können, aufweist.

Schließlich wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der ein- gangs genannten Art durch die folgenden Verfahrensschritte gelöst :

- Aussenden von elektromagnetischen Wellen mittels stationären Sendemitteln,

- Empfangen der ausgesendeten elektromagnetischen Wellen mit- tels stationären Empfangsmitteln,

- Berechnen der absoluten Position der Lanze mittels Berechnungsmitteln aus der Laufzeit der von den Sendemitteln in Richtung eines mit der beweglichen Lanze verbundenen und die elektromagnetischen Wellen reflektierenden Reflektors ausge- sendeten, von dem Reflektor in Richtung der Empfangsmittel reflektierten und von den Empfangsmitteln empfangenen elektromagnetischen Wellen.

Das erfindungsgemäße System erlaubt sowohl eine diskrete als auch eine kontinuierliche Lanzenpositionserfassung mit hoher Präzision, so dass auch sicher verhindert werden kann. Dabei ist die Positionsmessung unempfindlich gegen Staub, Rauch und Flammen und kann unabhängig von Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit durchgeführt werden, wobei im Stahlwerksum- feld der Staub insbesondere graphithaltig, elektrisch leitend und lichtreflektierend sein kann. Besonders im Umfeld der Stahlerzeugung bieten diese Eigenschaften somit große Vorteile. Gegenüber der bisher im Einsatz befindlichen Einrichtungen zur Lanzenpositionserfassung mit einem an der Seiltrommel angebrachten Absolutwertgeber, welcher lediglich eine indirekte Lanzenpositionserfassung ermöglicht, weist das erfindungsge ^¬ mäße System den Vorteil der direkten Positionsmessung der Lanze auf. Daran ist besonders vorteilhaft, dass oftmals un ^¬ genaue und nur aufwändig oder umständlich zu beschaffende Zu- satzinformationen, die für die indirekte Messung mittels des Absolutwertgebers benötigt werden, nicht mehr erforderlich sind. Zu diesen bisher benötigten Zusatzinformationen gehören beispielsweise die Information, wie viele Lagen des Seils schon auf der Seiltrommel aufgewickelt sind sowie die Dicke des Seils, sowie mechanische Eigenschaften des Seils. Zu letztgenannten Eigenschaften zählt die Dehnung des Seils in Abhängigkeit der mechanischen Spannung des Seils, welche wie ^¬ derum von der Masse der Lanze abhängt.

Erfindungsgemäß ist die Lanze hängend an einem Seil befes- tigt, wobei das Seil und die Lanze mittels einer Antriebsein ^¬ heit bewegt werden können. Dabei ist es möglich, dass die An ^¬ triebseinheit eine Seiltrommel antreibt, auf welcher das Seil aufgewickelt ist. Das Seil kann dann über eine Umlenkrolle die Lanze in vertikaler Richtung bewegen. Alternativ ist auch denkbar, dass die Antriebseinheit mit einer Treibscheibe ver ^¬ bunden ist, womit die Lanze in vertikaler Richtung, gegebenenfalls auch über eine Umlenkrolle, bewegt werden kann.

Weiterhin kann gegenüber bisher im Einsatz befindlichen Sys- temen zur Lanzenpositionserfassung eine Vielzahl von Endschaltern entlang der Lanzenführung eingespart werden. Die Endschalter, beispielsweise in Form von Kontaktschaltern oder induktiven Näherungschaltern, dienen bisher zur Detektion, ob die Lanze eine bestimmte Position erreicht hat, und sind des- halb in größerer Anzahl entlang der Lanzenführung angebracht. Zur erfindungsgemäßen, kontaktlosen Positionsbestimmung der Lanze wird die bisher verwendete Vielzahl von Endschaltern nicht mehr benötigt. Das erfindungsgemäße System ist dank der direkten Positions ^¬ messung der beweglichen Lanze besonders vorteilhaft, weil die oben genannten, schwierig zu beschaffenden und immer mit Fehlern und Toleranzen behafteten Informationen für die bisherige Positionsmessung nicht mehr benötigt werden und eine Viel- zahl von Endschaltern entfallen kann. Außerdem ist von Vorteil, dass die Messung kontaktlos durchgeführt wird, da somit beispielsweise kein Verschleiß auftreten kann. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die elektromagnetischen Wellen Mikrowellen. Die Verwendung von Mikrowellen erlaubt eine besonders zuverlässige Positionsmes ^¬ sung im Umfeld der Stahlerzeugung, da sie besonders unemp- findlich gegen Beeinträchtigungen aufgrund von Schmutz und Staub sowie Vibrationen sind. Insbesondere Vibrationen sind bei der Stahlerzeugung unvermeidlich, so dass eine zuverlässige Positionsmessung der Lanze auch bei Auftreten von Vibrationen besonders vorteilhaft ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Lanze wassergekühlt. Derartige Lanzen werden zum Bei ^¬ spiel als Sauerstoffblaselanzen oder Lanzeneinrichtungen zur Probennahme oder zur Bestimmung von Stahlbadtemperatur, des Kohlenstoffgehalts oder der Sauerstoffaktivität eingesetzt. Die Kollision der wassergekühlten Lanze mit dem Konverter stellt ein besonders großes Gefahrenpotential dar, so dass die zuverlässige Positionsmessung für derartige Lanzen besonders wichtig ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfüllen die Sendemittel, die Empfangsmittel und die Berech ^¬ nungsmittel zumindest Sicherheits-Integritätslevel 2 (SIL2). Im Zusammenhang mit der funktionalen Sicherheit ist das Si- cherheits-Integritätslevel in der internationalen Normung auch als IEC 61508/IEC61511 bekannt. Das Level an Sicherheit dient der Beurteilung elektrischer, elektronischer bzw. programmierbar elektronischer Systeme in Bezug auf die Zuverläs ^¬ sigkeit von Sicherheitsfunktionen. Aus dem angestrebten Level ergeben sich die sicherheitsgerichteten Konstruktionsprinzipien, die eingehalten werden müssen, damit das Risiko einer Fehlfunktion minimiert werden kann. Wenn zumindest SIL2 erfüllt sein soll, so ist dies so zu verstehen, dass die Anfor ^¬ derungen von SIL2 oder sicherheitstechnisch höherwertigeren Anforderungen erfüllt sein sollen.

Dank des Verwendens von Sendemitteln, Empfangsmitteln und Berechnungsmitteln, welche zumindest SIL2 erfüllen, erfolgt die Positionsmessung der Lanze gemäß zumindest SIL2. Dies kann mittels einer durch IEC 61508/IEC61511 verlangte Risikoanaly ^¬ se bestätigt werden. Um IEC 61508/IEC61511 zu erfüllen, ist zusätzliche eine zyklische Überprüfung der Vorrichtung zur kontaktlosen Positionsmessung notwendig, wobei die Überprüfung auch manuell durchgeführt werden kann, da die einzuhal ^¬ tende Zykluszeit ein Jahr beträgt. Die absolute Lanzenpositi ^¬ on, beispielsweise einer Sauerstoffblaselanze und von Sublan- zen, wird somit mittels eines sicherheitszertifizierten Posi- tionsmesssystems detektiert. Dadurch sind sicherheitstechni ^¬ sche Standards erfüllt, was die gesamte Stahlerzeugungsanlage zuverlässiger macht und im Fall von Störungen zu kürzeren Betriebsausfällen und weniger schlimmen Unfällen führt.

Weiterhin können auch die Antriebseinheit, die Steuerung und gegebenenfalls Kommunikationsbusse derart ausgelegt werden, dass sie zumindest SIL2 erfüllen. Auch weitere Teile des Kon ^¬ vertersystems können nach zumindest SIL2 ausgelegt werden, wie zum Beispiel das Seil oder Trommeln, über welche das Seil umgelenkt wird oder auf welchen das Seil aufgewickelt wird. Somit erhält man ein Konvertersystem, welches insgesamt auch den sicherheitstechnischen Anforderungen von zumindest SIL2 entspricht. Somit sind das System sowie das Konvertersystem auch für den Konverterkippantrieb zum Schwenken des Konvertergefäßes geeignet und die bewegliche Lanze kann mit der Konverterbewegung sicherheitstechnisch verriegelt werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Referenzpunkt vorgesehen, wobei mittels eines zumin- dest Sicherheits-Integritätslevel 2 (SIL2) erfüllenden Mess ^¬ geräts eine Kalibrierung der berechneten absoluten Position anhand des Referenzpunkts vornehmbar ist. Das Messgerät ist mit den Berechnungsmitteln verbunden, so dass die durch das Messgerät gemessene Position der Lanze an die Berechnungsmit- tel übertragen werden kann. Der Referenzpunkt befindet sich vorteilhafterweise entlang der Bewegungsbahn der Lanze, bei ^¬ spielsweise am oberen Ende der Lanzenführung, und ist statio ^¬ när in Bezug auf das Konvertergefäß und die Lanze, so dass er einen festen Bezugspunkt zu den Sendemitteln und den Empfangsmitteln darstellt.

Durch das Messgerät, welches die Anforderungen von zumindest SIL2 erfüllt, kann dank des Referenzpunkts eine Kalibrierung oder Referenzierung des Positionssignals erfolgen, welche ebenfalls die Anforderungen von zumindest SIL2 erfüllt. Durch die Kalibrierung oder Referenzierung des Positionssignals ist eine zyklische Überprüfung der Vorrichtung zur kontaktlosen Positionsmessung möglich. Dabei ist von Vorteil, dass die

Zykluszeit sehr kurz gehalten werden kann, so dass eine automatisierte beispielsweise mehrmals am Tag bzw. mehrmals pro Stunde durchgeführte Referenzierung ermöglicht wird. Dadurch ist keine manuelle Vermessung der Lanze mehr nötig, bei der die gemessene Position den Berechnungsmitteln manuell zugeführt werden müssten.

Somit erfolgt die Positionsbestimmung der beweglichen Lanze zweikanalig, wodurch zusätzlich die Kategorie 3 nach der Norm EN ISO 13849-1 erfüllt wird. In Bezug auf die Positionsbe ^¬ stimmung bedeutet dies, dass ein einzelner Fehler nicht zum Ausfall der Sicherheitsfunktionen führt und dass bei vorlie ^¬ gen eines Fehlers der Fehler vor der nächsten Anforderung der Sicherheitsfunktionen erkannt wird. Durch erfüllen der beiden zuvor genannten Normen wird somit das Erreichen eines besonders hohen Sicherheitsstandards ermöglicht.

Das Messgerät kann insbesondere als Sensor oder Endschalter, beispielsweise in Form eines Kontaktschalters oder eines in- duktiven Näherungschalters, ausgeführt sein.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläu ^¬ tert. Es zeigt:

FIG 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sys ^¬ tems und eines erfindungsgemäßen Konvertersystems. Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems und eines erfindungsgemäßen Konvertersystems. In ei ^¬ nem Konverter 3 befindet sich eine Schmelze 2. Physikalische oder chemische Eigenschaften der Schmelze 2 können durch eine in den Konverter 3 ragende Lanze 1 gemessen und / oder beein- flusst werden. Die Lanze 1 weist im Rahmen des Ausführungs ^¬ beispiels eine Kühlwasserversorgung 9 auf, so dass es sich um eine wassergekühlte Lanze 1 handelt.

An der Lanze 1 ist ein Reflektor 6 in Form einer metallischen Platte angebracht, welche elektromagnetische Wellen 7 reflek ^¬ tieren kann, welche von Sendemitteln 4 in Richtung des Reflektors 6 ausgesandt werden. Die reflektierten elektromagne ^¬ tischen Wellen 7 können von Empfangsmitteln 5 empfangen werden, wobei sowohl die Sendemittel 4 als auch die Empfangsmit ^¬ tel 5 mit Berechnungsmitteln 8 verbunden sind, welche die absoluten Position der Lanze 1 aus der Laufzeit der von den Sendemitteln 4 in Richtung des Reflektors 6 ausgesendeten, von dem Reflektor 6 in Richtung der Empfangsmittel 5 reflektierten und von den Empfangsmitteln 5 empfangenen elektromagnetischen Wellen 7 berechnen können.

Die Lanze 1 hängt an zwei Seilen 10, welche beispielsweise über eine Umlenkrolle mit einer Seiltrommel 12 verbunden und auf dieser aufgewickelt sind. Die Seiltrommel 12 und damit die Seile 10 sowie die Lanze 1 können mittels einer Antriebs ^¬ einheit 11 bewegt werden, welche wiederum mit einer Steuerung 13 verbunden ist. Alternativ für die Seiltrommel 12 kann auch beispielsweise eine Treibscheibe verwendet werden.

Nicht dargestellt sind ein Referenzpunkt sowie ein zusätzli ^¬ ches Messgerät, mittels derer eine Kalibrierung der berechne ^¬ ten absoluten Position der Lanze 1 vornehmbar ist. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels befindet sich der Referenzpunkt in- nerhalb des Bewegungsintervalls der beweglichen Lanze am obe ^¬ ren Ende der Lanzenführung, in unmittelbarer Nähe der Umlenktrommel. Das Messgerät ist mit den Berechnungsmitteln 8 ver ^¬ bunden, so dass die gemessene Position des Messgeräts an die Berechnungsmittel 8 übertragen werden kann. Eine manuelle Vermessung der Lanze 1 würde manuell eingetragen werden müssen . Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein System umfassend eine bewegliche Lanze, welche zur Messung oder Beeinflussung physikalischer oder chemischer Größen einer Schmelze in einem Konverter vorgesehen ist, und eine Vorrichtung, welche zur kontaktlosen Positionsmessung der beweglichen Lanze vorgese- hen ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Konvertersystem mit einem derartigen System und ein Verfahren zur kontaktlosen Positionsmessung der beweglichen Lanze. Um eine möglichst einfache und gleichzeitig möglichst sichere Positionsmessung einer beweglichen Lanze bei der Konverterstahlerzeugung zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass das System stationäre Sendemittel zum Aussenden von elektromagnetischen Wellen, stationäre Empfangsmittel zum Empfangen der ausgesendeten elektromagnetischen Wellen, einen Reflektor, welcher mit der beweglichen Lanze verbunden ist und an welchem die elektro- magnetischen Wellen reflektierbar sind, und Berechnungsmittel zum Berechnen der absoluten Position der Lanze aus der Laufzeit der von den Sendemitteln in Richtung des Reflektors ausgesendeten, von dem Reflektor in Richtung der Empfangsmittel reflektierten und von den Empfangsmitteln empfangenen elekt- romagnetischen Wellen aufweist.