Sensoren messen den Füllstand von flüssigem Eisen

Wenn es heiß her geht

Es gibt Messorte, die sind wirklich ungemütlich. Bestes Beispiel dafür ist die Stahlproduktion, in der höllische Temperaturen herrschen. Nur aufgrund eines speziellen Gehäuses können Sensoren den heißen Temperaturen trotzen und dennoch zuverlässige Füllstandmesswerte liefern.
 Die Bedingungen für Messgeräte in der Stahlherstellung 
sind hart: Der flüssige Stahl besitzt eine Temperatur von 1.600°C.
Die Bedingungen für Messgeräte in der Stahlherstellung sind hart: Der flüssige Stahl besitzt eine Temperatur von 1.600°C.Bild: VEGA Grieshaber KG

Es geht wahrlich heiß her in der Stahlproduktion von JSW Steel, Indiens größtem Stahlexporteur. Das Unternehmen beliefert nicht nur über 100 Kunden auf fünf Kontinenten, sondern verfügt auch über eine breite Palette von Stahlprodukten, darunter warmgewalzte, kaltgewalzte, blanke und vorlackierte verzinkte und galvanisierte Stahlteile, Walzdraht und diverse Spezialstähle. Das ist angesichts des herausfordernden Umfeldes nicht immer einfach. So liegen die Temperaturen des heißen Stahls im Abfüllprozess bei 1.600°C – für die dort eingesetzten Komponenten ist dies ein echter Härtetest. Mit Vega arbeitet das Unternehmen bereits seit mehr als zehn Jahren in verschiedenen Anwendungen zusammen.

 Der Vegapuls 64 arbeitet aus 80GHz-Basis und eigent sich so für anspruchsvolle Anwendungen.
Der Vegapuls 64 arbeitet aus 80GHz-Basis und eigent sich so für anspruchsvolle Anwendungen.Bild: VEGA Grieshaber KG

Schwieriges Umfeld

Der Herstellprozess von Eisen beginnt mit dessen drei Hauptbestandteilen in Form von Eisenerz, Koks und Kalk, die einem Hochofen zur Herstellung der Eisenschmelze zugeführt werden. Das geschmolzene Eisen wird mit recyceltem Stahlschrott gemischt und im Ofen zu Stahl weiterverarbeitet. Das heiße Metall wird nach dem Abstich in flüssiger Form in sogenannten Torpedo-Wagen gesammelt und darin vom Hochofen zum Stahlwerk zur weiteren Behandlung gebracht. In diesem Torpedo-Wagen, einem langgestreckten Behälter mit rundem Querschnitt, der sich zwischen zwei Drehgestellen befindet, können zwischen 60 und 320t flüssiges Eisen gelagert werden. Im Hochofen wird das flüssige heiße Metall in vier verschiedenen Achsen abgezogen. Jeder dieser Abstiche besitzt zwei Abfüllstellen, innen und außen, um den Fluss des heißen Metalls zu steuern. Es wird jedoch immer nur an zwei gegenüberliegenden Abstichen gearbeitet, um ein gleichmäßiges Profil im Hochofen sicher zu stellen. Die Torpedo-Wagen stehen bereit, um das flüssige Metall aufzunehmen. Sobald die Befüllung aus der Innenseite abgeschlossen ist, kommt die nächste Befüllungsstelle (Außenseite) an die Reihe. Anschließend wird der gefüllte Torpedo-Wagen gegen einen leeren getauscht. Der gleiche Vorgang findet auf der gegenüberliegenden Seite des Abstichlochs statt.

Bild: VEGA Grieshaber KG

Messung von flüssigem Metall

Genau an diesem heißen Abfüllort sollten die Füllstand-sensoren zum Einsatz kommen, um den tatsächlichen Füllstand von heißem Metall im Torpedo-Wagen zu messen. Jeder Torpedo-Wagen hat ein bestimmtes Fassungsvermögen. Basierend auf der Füllstandmessung lässt sich berechnen, wie viel heißes Metall im Hochofen erzeugt wird. Gleichzeitig lassen sich dank der kontinuierlichen Messung des Füllstands im Torpedo-Wagen Überfüllungen vermeiden. Eine manuelle Überprüfung des Füllstands wäre aufgrund der Umgebungsbedingungen schlicht nicht möglich, zumal es während der Befüllung zu erheblichen Rauch- und Dampfschwaden kommt. Die Unsicherheit bei den Verantwortlichen war angesichts des rauen Umfeldes groß. Immerhin liegt die Temperatur des flüssigen Metalls bei etwa 1.600°C. Für empfindliche und hochgenaue Messgeräte ist dies eigentlich eine No-go-Area. Und noch ein Umstand kam bei der Messung erschwerend dazu. Der Torpedo-Wagen hat zum Befüllen eine Öffnung von weniger als 2m. Das heiße Metall sammelt sich in der Mitte des Torpedos während der Befüllung. Dies bedeutet, dass lediglich eine Öffnung von 80cm bleibt, um den Füllstand zu messen.

Bild: VEGA Grieshaber KG

Kleiner Abstrahlwinkel für hochgenaue Messung

Gemeinsam mit Vega suchte man nach einer Möglichkeit, um dennoch den Inhalt in den Torpedo-Wagen genau zu erfassen. Mit dem Radarfüllstandmessgerät Vegapuls 64 auf 80GHz-Basis konnte schließlich eine Lösung für dieses herausfordernde Umfeld gefunden werden. Radarfüllstandmessgeräte, die mit 80GHz messen, zeichnen sich durch eine bessere Fokussierung und eine hohe Dynamik aus, selbst in Behältern mit Einbauten oder bei Anhaftungen an der Behälterwand. Der Messstrahl gleitet an solchen Hindernissen einfach vorbei. Zudem hat das Radarfüllstandmessgerät einen Abstrahlwinkel von lediglich 3°. Damit kann das Signal perfekt fokussiert und der Füllstand in der kleinen Öffnung des Torpedo-Wagens gemessen werden. Eine weitere Maßnahme lautete, auf zu Abstand gehen. Daher wurden die Füllstandsensoren 6m oberhalb des eigentlichen Geschehens installiert. Selbst an dieser Stelle liegen die Temperaturen immerhin noch zwischen 250 und 400°C. Doch auch hier fand sich eine Lösung: In der ersten Augustwoche 2018 wurde der Sensor im Stahlwerk installiert, zunächst nur an einer Abfüllstelle. Dabei wurde das Messgerät quasi in eine Isolierbox eingepackt, um kein Risiko einzugehen. Einen Monat wurde diese Anwendung intensiv getestet – die Messung lief sicher und zuverlässig.

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