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Kohlenstoff-Meßgerät für Stahlsnh.melzenproben
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Die Erfindung betrifft ein Kohlenstoff-Meßgerät für Stahlschmelzenproben
mit zumindest einem Meßaufnehmer für die Temperatur der Probe, einer Uberwachungseinrichtung
für die vom Meßaufnehmer ausgegebene Temperatur-Zeit-Kurve der ab kühlenden Probe
zur Ausgabe eines Meßbefehls beim Eintritt eines charakteristischen Kurvenverlaufs
und einer Auswerteinrichtung für die Verarbeitung zumindest eines charakteristischen
Meßwerts zur Ausgabe eines Werts für den Kohlenstoffgehalt.
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Die Bestimmung des Kohlenstoffgehalts von Stanlscnmelzen anhand der
Abkühlungskurve einer Probe findet insbesondere bei der Stahlherstellung und in
der Gießereitechnik Anwendung, um in einem relativ rasch durchführbaren Verfahren
diesbezüglich die Zusammensetzung der Schnelze zu ermitteln und ggf. ein Maß zu
einer noch erforderlichen Xorrektur des Kohlenstoffgehalts vor dem Abguh zu erhalten.
Bei der Abkühlungskurve einer entsprechenden Probe entstehen charakteristische Werte
durch eine auffällige Verlangsamung, einen Stillstand oder sogar eine vorübergehende
Umkehr im
zeitlichen Gefhlle der Abkühlungskurve, wenn die Probe
bei ihrer Abkühlung eine Phasengrenze erreicht, wie sie z. B. aus dem bekannten
Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ersichtlich ist. Da die entsprechenden Temperaturwerte
von dem Kohlenstoffgehalt der Schmelze abhängig sind, eignen sie sich zu einem Rückschluß
auf den Kohlenstoffgehalt' beispielsweise mit Hilfe des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms
oder geeigneter Rechenformeln bzw. Tabellen. Aus Zeit-und Kostengründen besteht
dabei selbstverstRndlicherweise das Bedürfnis, diese Ermittlung weitgehend durch
entsprechende Meßgeräte zu erledigen.
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Ein Meßgerät der eingangs bezeichneten Art ist bereits in der Weise
bekannt, daß es mit Hilfe der Uberwachungseinrichtung den Eintritt eines stationären
Werta der AbkUhlungskurve überwacht und diesen stationären Wert als Liquidus-Meßwert
einer Auswerteinrichtung zuführt, die daraus einen Wert für den Kohlenstoffgehalt
der Schmelze ermittelt. Neben der Unsicherheit, ob die Abkühlungskurve tatsächlich
den dort vorauszusetzenden stationären Wert einnimmt, ist insbesondere die Verschiebung
des Liquidus-Meßwerts durch Legierungsbeimengungen wie Silizium oder Phosphor Ursachc
für bisweilen beträchtliche Verfälschungen des Meßergebnisses bei dem bekannten
Meßgerät.
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Autgabe der Erfindung ist es, ein Meßgerät zur selbsttätigen Bestimmung
des Kohlenstoffgehalts einer Stahlschmelzenprobe zu schaffen, welches in einer zuverlässigen
Arbeitsweise sowohl für den Stahischmelzenbereich mit niedrigem Kohlenstoffgehalt
wie auch für den Gußeisenschmelzenbereich mit hohem Kohlenstoffgehalt anwendbar
ist, bei letzterem jedoch die sich durch Legierungsbeimengungen ergebenden Fehler
vermeidet.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Kohlenstoff-Meßgerät
der eingangs bezeichneten Art gelost durch einen der Auswerteinrichtung vorgeschalteten
Vergleicher, der den sich als Liquidus-Temperaturwert der Schmelze ergebenden charakteristischen
Temperaturwert mit einem vorgegebenen Grenzwert zur Unterscheidung von Stahl- und
Gußeisenschmelzen vergleicht und einen Steuer befehl für eine jeweils spezifische
Auswertung ausgibt.
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Diese Lösung macht sich den aus dem bekannten Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
erkennbaren Abfall der Liquidus-Linie im Bereich höherer, für Gußeisenschmelzen
in Betracht zu ziehender Kohlenstoffgehalte zu eigen, um anhand eines zuvor bestimmten
Liquidus-Meßwerts selbsttätig eine ggf. vorliegende Gußeisenschmelze festzustellen
und dementsprechend eine spezifische Auswertung vorzusehen. Der Zuverlässigkeit
einer solchen Unterscheidung kommt dabei zugute, daß in der Praxis der Grenzbereich
zwischen
Stahl und Gußeisen kaum benutzt wird, vie -mehr üblicherweise zu ersterem Kohlenstoffgehalte
bis zu etwa einem Gewichtsprozent, zu letzterem Kohlenstoffgehalte ab 2,5 Gewichtsprozenten
typisch sind. Man kann hier also von dem aus dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm entnehmbaren
Grenzwert von 2 % ausgehen, um hierzu einen Temperatur-Grenzwert nach der Liquidus-Linie
von 13920 anzusetzen, und hält auf diese Weise eine brauchbare Ein stellung des
Vergleichers.
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Mit besonderem Vorteil kann vorgesehen werden, daß mit dem Steuerbefehl
des Vergleichers eine Schalteinrichtung zur Steuerung der Aufnahme eines zweiten,
sich als Soliduspunkt der Schmelze ergebenden Temperaturwerts bet!-tigbar ist und
ferner, daß der Auswerteinrichtung auf den Steuerbefehl des Vergleichers hin der
Liquidus-Tempe raturwert zugeführt wird, wenn dieser oberhalb des vorgegebenen Grenzwerts
liegt, und anderenfalls der Liquidus- und der Solidus-Temperaturwert zugeführt wird.
Die Aufnahme des gleichfalls von Legierungszusätzen verlagerten Solidus-Temperaturwerts
neben dem Liquidus-Temperaturwert ermöglicht zumindest in hinreichender Näherung
bei der Bestimmung des Kohlenstoffgehalts den Einfluß weiterer Legierungsbestandteile
zu eliminieren. Insbesondere soll hier vorgesehen werden, daß der Solidus-Tem peraturwert
der Auswerteinrichtung dann zugeführt wird,
wenn nach Feststellung
des Vergleichers eine Gußeisenschmelze vorliegt. In diesem Fall ergibt sich eine
einfache Korrektur für den Kohlenstoffgehalt in Abhängigkeit von der durch zusätzliche
Legierungsbestandteile bedingten Veränderung des gemessenen Solidus-Punkts gegenüber
dem nach dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm. Derartige Korrekt turen können beispielsweise
mit hinreichender Näherung durch eine lineare Wertekorrekturgleichung berücksichtigt
werden, die gerätetechnisch in an sich bekannter Weise etwa durch eine analoge Sumierschaltung
oder aber durch eine digitale Rechenschaltung ausführbar ist.
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Das vorstehend beschriebene Meßgerät kann grundsätzlich insgesamt
oder im wesentlichen aus analogen Bauelementen zusammengesetzt sein, vorzugsweise
finden jedoch mit dem Vorteil einer besseren Genauigkeit, der Speicherbarkeit und
Reproduzierbarkeit der Meßwerte wie auch des Bedienungs- und Auswertungskomforts
digitale Meßschaltungen Anwendung.
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Weitere Merkmale und Vcrteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands
der Erfin dung anhand einer Zeichnung näher erläutert ist. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1, 2 Temperatur-Zeit-Verläufe der Abküh-und 3 lung von Stahlschmelzenproben,
Fig. 4 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm und Fig. 5 Blockschaltbild des Kohlenstoff-Meßgeräts.
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Die nur zum meßtechnischen Hintergrund wiedergegebenen Fig. 1 bis
3 zeigen zunächst in Fig. 1 den "Musterverlauf" einer Abktlhlungskurve 1 im Bereich
eines charakteristischen Werts, etwa des Liquidus-Temperaturwerts 2 mit einer horizontalen
Tangente 3, d. h. mit einem Zeitbereich konstanter Temperatur, in dem die der Probe
laufend entzogene Wärme durch Kristallisationswärme aufgefangen wird. Abweichend
hiervon gibt Fig. 2 einen mehr verschliffenen Verlauf zu einer Abkühlungskurve 4
wieder bei der der charakteristische Wert zwar anhand der sich ändernden Steigung
erkennbar rost, nicht jedoch eine hori zontale, sondern eine immer noch fallende
Tangente 5 aufweist.
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Andererseits kann auch gemäß Fig. 3 bei einer weiteren
Abkühlungskurve
6 ein Wiederanstieg der Temperaturkurve über der Zeit, etwa bei einer unterkühlten
Schmelze,auftreten, wobei dann erst der als zweiter erreichte Plateauwert mit einer
horizontalen Tangente 7 zur Bestimmung des charakteristiscnen Werts heranzuziehen
ist.
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Die Fig. 4 enthält das bekannte Eisen-Kohlenstoff-Diagramm, aus dem
insbesondere eine Liquiduslinie 8 von Interesse ist, unterhalb der sich Kristalle
in der Schmel ze bilden, und weiterhin eine Soliduslinie mit Abschnitten 9 und 10,
unterhalb ein insgesamt gefestigtes Gefüge auftritt.
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Die Abschnitte 9 und 10 der Soliduslinie treffen sich in einem Punkt
E', der zur Unterscheidung des Stahlbereichs (bis etwa 1% Kohlenstoffgehalt) und
des Gußeisenbereichs (etwa 2,5 bis 4% Kohlenstoffgehalt) geeignet ist. Dieser Punkt
E' findet sich bei einem Kohlenstoffgehalt von 2S, dem auf der Liquiduslinie u ein
Temperaturwert von 13920C bei 11 zuzuordnen ist.
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Die Fig. 5 zeigt nun ein Meßgerät im Blockschaltbild, wel ches die
selbst-tätige Bestimmung des Kohlenstoffgehalts anhand des Temperaturverlaufs einer
Stahlschmelzenprobe durchführt. Es versteht sich, daß die Bezeichnung "Stahlschmelzenprobe"
bzw. "Stahlschmelze" sowohl auf Schmelzen
von Stahl, welcher üblicherweise
bis zu einem Gewichts prozent Kohlenstoff enthält, wie auch auf Schmelzen von "Gußeisen"
verwandt wird, dessen Kohlenstoffgehalte sich üblicherweise in einem Bereich von
etwa 2,5 bis 4 Gewichtsprozenten hält.
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Im Blockschaltbild ist ein Thermoelement 12 dazu vorgesehen, die Temperatur
einer Stahlschmelzenprobe in einem Probetiegel aufzunehmen und eine der Temperatur
entsprechende Spannung abzugeben, die nachfolgend in einer Kom-l pensationsschaltung
13 einem Klemmentemperaturausgleich unterworfen und in einem weiterhin nachgeschalteten
Verstärker 14 verstärkt wird, wie dieses bei derartigen Meßaufnehmern üblich und
in der Regel auch notwendig ist.
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Der vom Verstärker 14 ausgegebene, der Temperatur der Probe analoge
elektrische Meßwert geht in einen Analog-Digital-Wandler 15 ein, welcher in einem
vorgegebenen festen Arbeitstakt arbeitet. Das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers
15 besteht aus einer Folge digitalisierter Abtastwerte des Temperatur-Meßwerts,
die zunächst einen Durchlaufspeicher 16 für drei oder mehrere aufeinanderfolgende
Meßwerte durchlaufen. Das jeweils vodetzt eingespeicherte digitale Signal wird vom
Durchlau -speicher 16 über Leitungszweige 17, 1S einerseits einem Meßwertspeicher
19 für einen Liquidus-Temperaturwert und andererseits einem Meßwertspeicher 20 für
einen
Solidus-Temperaturwert zugeführt. Die Einspeicherung der
maßgeblichen Werte in die MEßwertspeicher 19, 20 erfolgt jedoch erst auf einen entsprechenden
Speicherbefehl hin, wie nachstehend beschrieben wird.
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Der Durchlaufspeicher 16 enthält, wie gesagt, die drei letzten aufeinanderfolgenden
Meßwerte, die vom Analog-Digital-Wandler 15 ausgegeben wurden und deren Reihenfolge
durch die Nummern n-2, n-1 und n gekennzeichnet sei, wobei die Nummer n dem zuletzt
ausgegebenen Meßwert zugeordnet sein soll. Während also der vorletzte Meßwert (n-1
zur bedarfsweisen Einspeicherung an die Meßwertspeicher 19, 20 weitergegeben wird,
stehen die beiden letzten Meßwerte (n, n-1) an einem digitalen Differenzbildner
21 an, der beispielsweise aus einer digitalen Schaltung bestehen kann, welche von
einem digitalen Eingangssignal das Komplement bildet und dieses zu dem anderen hinzu
addiert, um die Differenz der Signale auszugeben. Die so gebildete digitale Differenz
wird an einen Differenzspeicher 22 weitergegeben, der zumindest zwei aufeinanderfolgende
Differenzen enthält. Dieses seien hier die Differenzen der Meßwerte mit der Numerierung
n-1 und n-2 einerseits und der Meßwerte mit der Numerierung n und n-1 andererseits.
Die beiden Differenzwerte werden einem Komparator 23 zugeführt, der vergleicht,
ob die jüngere Differenz (n, n-1) kleiner ist als die ältere Differenz ( -1,
n-2).
Sobald dieser Fall eintritt, gibt der Komparator 23 über eine Leitung 24 einen Speicherbefehl
aus.
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Der Speicherbefehl auf der Leitung 24 ergeht also, sobald die Differenzen
aufeinanderfolgender Meßwerte kleiner werden oder, mathematisch ausgedrückt, wenn
die zweite Differenz der in der Folge fallenden aufeinanderfolgenden Meßwerte (an
einem Wendepunkt der Abkühlungskurven gemäß Fig. 1 bis 3) negativ wird. Ersichtlich
kommt es bei dieser Art der Überwachung der Kurve nicht darauf an, daß die Abkühlungskurve
im Bereich des Liquidus-Temperaturwerts (bzw. des Solidus-Temperaturwerts) eine
horizontale Tangente aufweist - eine zuverlässige Auswertung ist auch etwa bei einer
verschliffenen Abkühlungskurve gemäß Fig. 2 möglich.
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Der dann Uber die Leitung 24 ausgegebene Speicherbefehl gelangt in
der in Fig. 5 dargestellten Ausgangsstellung eines Umschalters 25 über diesen zum
Meßwertspeicher 19, mit der Folge, daß der zuerst aufgenommene charakteristische
Wert als Liquidus-Temperaturwert im Meßwertspeicher 19 festgehalten wird. Der Meßwertspeicher
19 ist mit einer Anzeigeeinrichtung 26 verbunden, die den Meßwert zur bedarfsweisen
Beobachtung oder Überwachung anzeigt. Damit diese Anzeige erst bei der Einspeicherung
des Meßwerts in den Meßwertspeicher 19 erregt wird, ist
vorgesehen,
daß der Speicherbefehl auch der Anzeigeeinr richtung 26 zugeführt wird. Eine Leitung
27 zwischen dem Umschalter 25 und dem Meßwertspeicher 19 zur Zuleitung des Speicherbefehls
weist hierzu eine Abzweigung 28 zum Anzeigegerät 26 hin auf.
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Der Meßwertspeicher 19 gibt das in ihm enthaltene Signal außer zum
Anzeigegerät 2b noch zu einem Vergleicher 29 und zu einem Rechner 30 hin weiter.
Der Vergleicher 29 führt einen Vergleich mit einem vorgegebenen Grenzwert durch.
Dieser Grenzwert entspricht beispielsweise einer Temperatur von 13920C und ist vorzugsweise
von außen eingebbar. Hierzu können bekannte Einrichtungen vorgeseh n werden: die
Zeichnung berücksichtigt die Möglichkeit einer solchen Eingabe durch einen Pfeil
ii. Als Ausgangs signal des Vergleichers ist ein spezifischer Steuerbefehl für zwei
unterscheidbare Fälle in Betracht zu ziehen, je nachdem, ob der dem Vergleicher
zugeführte Liquidus-Temperaturwert oberhalb oder unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts
liegt (der grundsätzlich noch möglicne Fall der Gleichheit von Liquidus-Temperaturwert
un Grenzwert wird dem letzteren Fall zugeschlagen). Nach Fig. 4 sind hier zwei Ausgangsleitungen
des Vergleichers 29 vorgesehen, und zwar eine Ausgangsleitung 32, die zu einem Steuerspeicher
33 führt und eine Ausgangsleitung 34, die zu einem Steuerspeicher Sb führt.
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Auf der Ausgangsleitung 32 tritt ein Steuerbefehl dann auf, wenn !der
Liquidus-Temperaturwert oberhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegt. Dieser Fall
ist, wie aus dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm gemäß Fig. 3 ersichtlich, dann gegeben,
wenn ein geringerer Kohlenstoffgehalt (entsprechend der Zusammensetzung von Stahl)
vorliegt. Dieser Steuerbefehl wird in dem Steuerspeicher 33 gespeiehert und stent
als dessen Ausgangssignal an einem Programmgeber 36 an, der dem Rechner 30 einen
für eie Auswertung von Stahlzusammensetzungen spezifischen Rechengang vorschreibt.
Die entsprechende Verknüpfung von Programmgebe 36 und Rechner 30 ist durch eine
Leitung 3Y angedeutet.
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Der alternative Fall eines unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegenden
Liquidus-Temperaturwerts führt zu einem Steuerbefehl auf der Leitung 54, der im
Steuerspeicher 35 gehalten wird und, insofern ganz entsprechend dem zuvor betrachteten
Fall, an einem Programmgeber 5d ansteht, der über eine Leitung 59 einen spezifischen
Rechengang im Rechner 30 steuert. Bei diesem Rechengang soll jedoch auch der Solidus-Temperaturwert
der Schmelzenprobe berücksichtigt werden.
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Zur Aufnahme des Solidus-Temperaturwerts wird der am Ausgang des Steuerspeichers
35 anstehende Steuerbefehl über eine Leitung 40 einem Relais 41 zugeführt, das den
Umschalter
25 betätigt. Diese hat zur Folge, daß die Leitung 24 vom Komparator 23 auf eine
Leitung 42 umgeschaltet wird, so daß der Meßwertspeicher 20 einen Speicherbefehl
erhalten kann.
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Zur Erzeugung eines solchen Speioherbefehls arbeitet die Überwachungseinrichtung
aus Durchlaufspeicher 1b, Difrerenzenbildner 21, Differenzspeicher 22 und Komparator
23 in der grundsätzlich gleichen Weise wie bei der tJberwachung des Liquidus-Temperaturwerts.
Nachdem der Liquidus-Temperaturwert zuvor ermittelt wurde und der Vergleicher 29
dabei das Vorhandensein einer Gußeisen-Zusammensetzung aufgrund des niedrigen Liquidus-Temperaturwerts
feststellte, ist nunmehr die Überwachungseinrichtung auf die Bestimmung des Solidus-Temperaturwerts
ausgerichtet. Sobald nunmehr die Abkühlungskurve die von der Uberwachungs einrichtung
wahrgenommene charakteristische Signalfolge durchläuft, ergeht ein Speicherbefehl
an den Meßwertspeicher 20. Der eingespeicherte Solidus-Temperaturwert wird über
eine Leitung 43 zumsRechner 30 weitergegeben, dem bereits der Liquidus-Temperaturwert
vom Meßwertspeicher 19 zur Verfügung steht und der spezifische Rechengang vom Programmgeber
jo eingegeben ist.
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Ein solcherRechengang kann beispielsweise anhand des gemessenen Solidus-Temperaturwerts
eine Verlagerung der
Soliduslinie 10 in Fig. 3 aufgrund von Legierungszusätzen
ermitteln und hiernach einen Korrekturwert dem Liquidus-Temperaturwert zufügen,
um mit dem korrigierten Liquidus-Temperaturwert den genauen Kohlenstoffgehalt zu
bestimmen. Das erzielte Ergebnis zum Kohlenstoffgehalt wird dann in einen Ergebnis-Speicher
44 eingegeben und unverzüglich auf einem Anzeigegerät 45 angezeigt. Es versteht
sich, daß bedarfsweise sonstige Auswerte- oder Übermittlungsgerätean den Rechner
30 bzw. den Meßwertspeicher 411 angeschlossen sein können.
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Das vorstehend beschriebene Meßgerät arbeitet in einer überaus schnellen
und zuverlässigen Weise. Die Verwendung digitaler Bauelemente kommt dabei der Meßsicherheit
der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Meßwerte zugute und ermöglicht die Verwendung
gerade in Jüngerer Zeit hochentwickelter Bausteine. Grundsätzlich ist ein solches
Meßgerät Jedoch nicht auf die Verwendung digitaler Bauglieder beschränkt, vielmehr
lassen sich deren Funktionen in bekannter Weise auch durch analoge Vergleichs- und
Rechenbausteine ausführen. Vorzugsweise jedoch finden digitale Meßschaltungen Anwendung,
die nicht etwa entsprechend den Schaltbildblöcken nach Fig. 5 in Form separater
Baugruppen ausgeführt zu sein brauchen, sondern durch die Funktion eines entsprechend
programme ten Rechners reålisiert werden können.
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