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Einrichtung zur kontinuierlichen Temperaturmessung von Eisen- und Stahlschmelzen, insbesondere beim Frischen von Roheisen in Konvertern
Beim Frischen von Roheisen im bodenblasenden Konverter sowie durch technisch reinen Sauerstoff von der Oberfläche der Charge her laufen die Reaktionen mit grosser Geschwindigkeit ab. Es bedarf daher erheblicher Geschicklichkeit und Erfahrung, die Charge in dem Augenblick abzufangen, in dem sie die angestrebte Zusammensetzung und Qualität aufweist. Man hat diese Schwierigkeit mit einer Reihe von Mess- und Beobachtungsmethoden zu beherrschen versucht. So wollte man z. B. durch spektrale Betrachtung der Konverterflamme bzw. durch deren Absorptionswirkung gegenüber monochromatischem Licht bestimmter Wellenlänge einen Hinweis für den richtigen Zeitpunkt der Beendigung des Blasvorganges erhalten.
Wegen der wechselnden Blasbedingungen und der sich verändernden Eigenschaften der Flamme konnten solche Verfahren nicht zum Erfolg führen. Das gleiche ergab sich bei der akustischen Analyse der beim Blasen auftretenden Geräusche.
Aus der Vielzahl der Bemühungen, den Ablauf der Frischreaktionen und deren Beendigung zu überwachen, schälte sich das kontinuierliche Messen der Temperatur der Charge während des Blasverlaufes
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Die langzeitige Messung des Temperaturverlaufes der Charge während des Frischens mit Hilfe von Thermoelementen scheiterte zunächst an der ungenügenden Haltbarkeit der keramischen Schutzrohre. Es gelang lediglich eine kurzzeitige Tauchtemperaturmessung unter Verwendung von Schutzrohren aus Quarz, die aber nur möglich ist, wenn das Blasen unterbrochen und der Konverter für die Messung umgelegt wird. Nachdem es dann in systematischer Forschung gelungen war, Thermoelementschutzrohre erheblich besserer Haltbarkeit zu entwickeln, d. h.
Schutzrohre, die die temperaturmässige Überwachung des Reaktionsverlaufes einer Mehrzahl von Chargen gestatteten, ergab sich für die praktische Anwendung dieser Messmethode ein weiteres und noch ungleich schwierigeres Problem, nämlich das Problem des Einführens des Thermoelementes in die im Konverter befindliche Schmelze dergestalt, dass sie den Betrieb des Frischgefässes nicht stört und betrieblich sicher und einfach möglich ist. Versuche, das Thermoelementschutzrohr in das feuerfeste Mauerwerk z. B. eines Konverters fest und so einzubauen, dass seine Erneuerung möglich war, führten zu ständigen Beschädigungen der Konverterauskleidung und erhöhten den Futterverschleiss in untragbarer Weise. Die Einführung des Schutzrohres durch die Konvertermündung, z.
B. mit Hilfe einer Lanze, würde die Handhabung und den Ablauf des metallurgischen Verfahrens erschweren. Ausserdem ergab sich dabei ein zusätzlicher Angriff der Schutzrohre durch Schlacke, wie er insbesondere bei den Aufblaseverfahren mit reinem Sauerstoff zu beobachten ist.
Nun wurde eine Einrichtung zur kontinuierlichen Temperaturmessung von Eisen-und Stahlschmelzen, insbesondere beim Frischen von Roheisen in Konvertern gefunden, die alle diese Schwierigkeiten durch einen erfindungsgemäss in eine in Arbeitsstellung unter und in Kippstellung über dem Badspiegel des zu frischenden Metalls mündende rohrförmige Ausnehmung des Mauerwerkes des Schmelzenbehälters einzusetzenden Messkopf beseitigt, der an seinem vorderen, in die Schmelze eintauchenden Ende ein ein Thermoelement ummantelndes, feuerfestes, keramisches Schutzrohr aufweist, wobei zwischen letzterem und dem Behältermauerwerk ein Tragkörper oder Stopfen aus feuerfestem Werkstoff sowie Mittel vorgesehen sind, die ein Versintern des Tragkörpers bzw. Stopfens am Behältermauerwerk verhindern.
Dabei kann der am Messkopf befindliche Tragkörper aus feuerfestem Werkstoff einen die rohrförmige Ausnehmung gegen das Innere des Frischgefässes verschliessenden, zylindrischen Abschnitt und Mittel aufweisen, die es gestatten, inertes Druckgas mindestens am Umfang des Tragkörpers entlang in das Frischgefäss einzublasen. In den Tragkörper eingesetzt und damit fest verbunden ist ein die Verlängerung
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des Schutzrohres bildendes, druckfestes und gasdichtes Rohr, z. B. ein Stahlrohr, das zur Aufnahme und Weiterleitung der Thermoelementdrähte dient.
Weiters ist eine Kappe als gasdichter Verschluss des äusseren Endes der rohrförmigen Ausnehmung in dem Mauerwerk bzw. der Zustellung des Frischgefässes vorgesehen, an welcher das Stahlrohr angeschlossen oder durch die es hindurchgeführt ist und an der sich ein Stutzen für die Zufuhr eines gasförmigen Mediums unter Druck und ein Anschluss für einen Gasdruckmesser befindet. Auf diese Weise kann mindestens über dem Umfang des die rohrförmige Ausnehmung in der Zustellung des Frischgefässes nach innen verschliessenden Tragkörperteiles ein gasförmiges Medium strömen, das ein Versintern des feuerfesten Tragkörpers mit der Zustellung des Frischgefässes unterbindet und ein Eindringen des flüssigen Metalls in die Ausnehmung der feuerfesten Zustellung des Frischgefässes verhindert.
Obigem Zweck kann z. B. ein Messkopf dienen, bei dem der Durchmesser des zylindrischen Teiles des Tragkörpers um so viel kleiner ist als der Durchmesser der Ausnehmung in der feuerfesten Zustellung des Frischgefässes, dass zwischen dieser und dem zylindrischen Teil des Tragkörpers ein schmaler Ringspalt für den Durchgang des gasförmigen Mediums entsteht. Die Bespülung des das ThermoelementSchutzrohr umgebenden Tragkörpers durch ein gasförmiges Medium kann auch dadurch bewerkstelligt werden, dass der Tragkörper selbst, u. zw. in seiner Gesamtheit oder nur nach seinem Umfang, aus porösem, gasdurchlässigem, feuerfestem Material besteht. Alsdann kann der äussere Durchmesser des Tragkörpers dem Innendurchmesser der Ausnehmung der Zustellung des Frischgefässes entsprechen.
Weiters können sich auf dem Umfang des Tragkörpers, dessen Durchmesser dann wiederum dem Innendurchmesser der Ausnehmung in der Zustellung des Frischgefässes entspricht, auch Längsrippen für den Durchgang des gasförmigen Mediums befinden.
Das mit dem Tragkörper fest verbundene Stahlrohrende kann für die Aufnahme und ein keramisches Einkitten des offenen Endes des Schutzrohres muffenartig ausgebildet sein. Tragkörper und Schutzrohr können aber auch aus einem Stück bestehen.
Zu einer noch wesentlich vorteilhafteren Ausbildung des Temperaturmesskopfes nach der Erfindung kommt man, wenn der zwischen dem Messkopf und dem Behältermauerwerk vorhandene Stopfen aus einem porösen Gemisch eines hochfeuerfesten Materials mit einem bei der Betriebstemperatur der Zustellung schmelzenden Kitt- und Bindemittel sowie einem in dem heissen Mauerwerk Gas oder Dampf abgebenden Stoff besteht. Diese Stopfenmasse wird in den Zwischenraum zwischen dem Thermoelementschutzrohr bzw. einem anschliessenden Verlängerungsrohr und dem Mauerwerk eingeführt, u. zw. durch Giessen, Pressen oder Stampfen.
Dabei hat es sich als zweckmässig erwiesen, den Zwischenraum nicht in der ganzen Tiefe des Mauerwerks auszufüllen ; es genügt ein etwa 5-10 cm langer Stopfen. Überraschenderweise ist ein solcher kurzer poröser Stopfen von genügender Festigkeit, um dem Druck der Eisenschmelze und auch den chemischen Angriffen der Eisen- und Schlackenschmelze zu widerstehen.
Dennoch lässt er sich überaus leicht aus dem Mauerwerk entfernen, ohne dass letzteres dabei beschädigt wird.
Der hochfeuerfeste Bestandteil des Stopfengemisches kann aus gesinterter oder geschmolzener Magne-
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Form von wässerigen Lösungen zu, dann verdampft das Wasser bei der Mauerwerkstemperatur und erzeugt so die gewünschte Porosität des Stopfens. Es wird vorzugsweise eine 50-70%ige wässerige Lösung von Wasserglas, Borsäure oder Phosphorsäure benützt und davon -, vorzugsweise -/g des Volumens des feuerfesten Stoffes zugesetzt. Bei geringem Zusatz an wässeriger Lösung wird das Gemisch als Stampfmasse, bei einem etwas grösseren Anteil als Pressmasse und bei einem noch grösseren Zusatz als Giessmasse verwendet. Als bei der Temperatur des Mauerwerkes Gas oder Dampf abgebende Zusatzstoffe können Holzspäne, gekörnte Kunststoffmassen oder auch andere sich zersetzende, anorganische oder organische Verbindungen, wie z. B.
Kalkstein, Soda, Zellulose oder Zucker verwendet werden.
Wenn das Mauerwerk des Schmelzbehälters nicht in der ganzen Tiefe fest ist, also die Gefahr besteht, dass es sich im Laufe der Zeit verschiebt, wie das z. B. bei Ausmauerungen aus Teerdolomit der Fall ist, dann ist es erforderlich, die den Temperaturmesskopf und den porösen feuerfesten Stopfen aufnehmende Ausnehmung im Mauerwerk durch ein hochfeuerfestes keramisches Rohr abzustützen bzw. zu bilden. Die Ausnehmung im Mauerwerk kann auch durch vermauerte, z. B. aus Magnesit bestehende Lochsteine hergestellt werden. In diesen Fällen wird also der Messkopf durch das vorerwähnte Rohr bzw. durch die Lochsteine hindurchgeführt und der zwischen letzteren und dem Schutzrohr verbleibende Zwischenraum mit dem hochfeuerfesten keramischen Stopfen nach der Erfindung verschlossen.
Es ist weiter von Vorteil, auf dem Schutzrohr des Temperaturmesskopfes, bevor er in die Ausnehmung im Behältermauerwerk eingeführt wird, in etwa 1-5 cm Abstand vom vorderen Ende des Schutzrohres eine metallische oder keramische Scheibe anzubringen, deren Aussendurchmesser dem lichten Durchmesser der Mauerwerksausnehmung angepasst ist, wobei dann nach dem Einführen des Messkopfes der hinter dieser Scheibe gelegene Raum durch den porösen hochfeuerfesten keramischen Stopfen ausgefüllt wird.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäss ausgebildeten Einrichtung zum thermoelektrischen Messen des Temperaturverlaufes von Eisen- und Stahlschmelzen, insbesondere beim Frischen von Roheisen
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im Konverter, sind in der Zeichnung dargestellt, wobei die Fig. 1-5 jeweils Längsschnitte durch in die feuerfeste Ausmauerung bzw. Zustellung eines Frischgefässes eingesetzte Messköpfe darstellen.
Gemäss Fig. 1 befindet sich in der Zustellung 1 des Konverters eine in Arbeitsstellung unter und in
Kippstellung über der Oberfläche des zu frischenden Metalls mündende Ausnehmung 2. In sie ist der
Messkopf nach der Erfindung eingesetzt. Er besteht aus dem das Thermoelement 3 enthaltenden Schutzrohr 4, dessen in der rohrförmigen Ausnehmung 2 der Zustellung 1 verbleibender Abschnitt von einem feuerfesten Tragkörper 7 umgeben ist, der im gezeichneten Fall kegelförmige Gestalt hat und die Ausnehmung 2 gegen das Innere des Frischgefässes mit einem zylindrischen Teil 7'abschliesst. Der Aussendurchmesser des zylindrischen Teiles 7'ist um so viel kleiner als der Innendurchmesser der Ausnehmung 2, dass zwischen beiden ein schmaler Ringschlitz 11 frei bleibt, durch den unter Druck ein inertes Gas, z. B. Argon, hindurchgeblasen werden kann.
Als Sicherung bei einer etwaigen Beschädigung kann der Tragkörper 7 mit gekörntem hochfeuerfestem Material 13, z. B. aus Magnesit oder Aluminiumoxyd, hinterfüllt sein.
Mit dem Tragkörper 7 fest verbunden ist ein z. B. aus Stahl bestehendes Rohr 6, in dessen muffenartig erweitertem Ende 6'das offene Ende des Schutzkörpers 4 keramisch eingekittet ist. Durch das mit Radialstegen 8 versehene und in der Ausnehmung 2 der Zustellung des Frischgefässes zentrierte Stahlrohr 6 führen die Drähte des Thermoelementes 3. Die rohrförmige Ausnehmung 2 ist aussen durch eine Kappe 9 luftdicht verschlossen. An der Kappe befindet sich ein Stutzen 10 für die Zuführung des inerten Gases, dessen Druck von dem Druckmesser 12 gemessen wird. Das Stahlrohr 6 kann in der Kappe enden und mit dieser fest verbunden, aber auch durch die Kappe hindurchgeführt sein. Die Drähte des Thermoelementes 3 sind an ein nicht dargestelltes Millivoltmeter angeschlossen. Es registriert die Badtemperatur über dem gesamten Frischverlauf.
Der Tragkörper 7 kann, wie das Fig. 2 veranschaulicht, auch aus porösem und gasdurchlässigem feuerfestem Werkstoff bestehen. In diesem Falle entspricht der Durchmesser seines zylindrischen Teiles 7' dem Durchmesser der Ausnehmung 2.
Mit gutem Erfolg hat der in Fig. 3 dargestellte Messkopf gearbeitet, bei dem mit einem dichten keramischen Kern 7 a ein Ringkörper 7 b aus porösem, gasdurchlässigem feuerfestem Werkstoff verbunden ist und der Durchmesser des zylindrischen Teiles 7'wiederum dem Durchmesser der Ausnehmung 2 entspricht.
Fig. 4 zeigt schliesslich einen Messkopf, bei dem sich auf dem Umfang des zylindrischen, im Durchmesser dem Durchmesser der Ausnehmung 2 entsprechenden Teiles 7'des Tragkörpers 7 Längsschlitze 7 c für den Durchgang des gasförmigen Mediums befinden.
Die vorbeschriebenen Messköpfe nach der Erfindung können zwischen zwei Chargen bequem und ohne Beschädigung der Zustellung der Frischgeräte ausgewechselt werden. Das Auswechseln kann z. B. dadurch geschehen, dass der Tragkörper 7 über das Stahlrohr 6 und mit der Kappe 9 zusammen aus der Ausnehmung 2 der Behälterzustellung herausgezogen oder nach Abnahme der Kappe 9 und Herausnahme des Thermoelementes mit dem Schutzrohr 3 zusammen in das Frischgefäss eingestossen wird.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die rohrförmige Ausnehmung 2 im Mauerwerk 1 durch Einmauern eines ummantelten, hochfeuerfesten, keramischen Rohres 2'hergestellt worden.
Das Rohr ist aus einer hochfeuerfesten Masse, beispielsweise aus Magnesia mit einem geringen Zusatz von Wasserglas, gestampft und gesintert. Es kann auch durch einen oder mehrere entsprechend geformte Lochsteine ersetzt werden. In die so gebildete Ausnehmung 2 ist der Temperaturmesskopf eingesetzt. Er besteht auch hier aus dem das Thermoelement 3 umgebenden Schutzrohr 4, das an seinem rückwärtigen Teil von einem Eisenrohr 25 umschlossen ist, das durch die Ausnehmung 2 nach aussen führt und an seinem aus dem Konverter herausragenden Ende die Anschlüsse 26 für die Thermoelementausgleichsleitung tragen kann. Auf dem Thermoelementschutzrohr 4 ist in etwa 1-5 cm Abstand von seinem vorderen, verschlossenen Ende eine keramische Scheibe 27 angebracht, die sich bis über das Eisen- bzw.
Verlängerungsrohr 25 erstrecken kann. Diese Scheibe 27, die aus dem erfindungsgemäss zu verwendenden, hochfeuerfesten, porösen Gemisch bestehen kann, wird vor dem Einsetzen des Messkopfes auf letzteren aufgestampft.
Nach Einführen des Messkopfes mit der aufgestampften Scheibe 27 in die Ausnehmung 2 des Mauerwerkes wird der noch verbliebene Spalt zwischen dem Rohr 2 und der Scheibe 27 sowie der dahinterliegende Zwischenraum auf eine Länge von etwa 5 cm mit der erfindungsgemäss zu verwendenden Stopfenmasse 28 ausgefüllt. Bei der Temperatur des Mauerwerkes verdampft das Wasser der Stopfenmasse, während das Wasserglas, die Phosphorsäure oder Borsäure schmelzen und ein Versintern des hochfeuerfesten Bestandteiles des Gemisches bewirken. Dadurch wird insgesamt ein poröser, hochfeuerfester Stopfen gebildet, der aus den Teilen 27 und 28 besteht. Es hat sich gezeigt, dass man bei einem 50 Tonnen-Konverter und einem Durchmesser der Ausnehmung 2 von 40 mm mit etwa 100-200 cm3 Stopfenmasse auskommt.
Statt einer aufgestampften hochfeuerfesten Scheibe 27 kann auch eine dünne Metallscheibe auf dem Schutzrohr 4 benützt werden. Da letztere beim Aufrichten des Konverters durch die Schmelze zerstört wird, ist die nach Einführung des Messkopfes in die Mauerwerksausnehmung einzufüllende Menge an Stopfenmasse entsprechend grösser zu wählen.
Das Auswechseln des Messkopfes geschieht in der Weise, dass nach Herausnahme des Thermoelementes 3 aus dem Schutzrohr 4 das Eisenrohr 25 aus der Ausnehmung 2 herausgezogen oder in den Konverter
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geschlagen und dann mit einem Bohrer die restliche Stopfenmasse 27, 28 aus dem Rohr 2'entfernt wird. Das gelingt selbst nach 10-20 Chargen noch leicht und in kürzester Zeit. Die Ausnehmung 2 ist dann für die Aufnahme eines neuen Messkopfes bereit. Für den gesamten Wechsel werden nur wenige Minuten benötigt, so dass der Betriebsablauf dadurch nicht gestört wird.
Sofern ein grosser Teil des Stopfens aus Stampfmasse besteht, ist es wegen des geringen Wassergehaltes dieser Masse zweckmässig, vergasende Stoffe der oben beschriebenen Art, wie insbesondere Kunststoffe oder Holzspäne, zuzusetzen, um eine ausreichende Porosität des Stopfens und damit dessen leichte Auswechselbarkeit zu erreichen. Die gewünschte Porosität des Stopfens kann statt durch einen Zusatz von Gas oder Dampf abgebenden Stoffen auch dadurch geschaffen werden, dass das hochfeuerfeste Körnungsgemisch nur einen geringen Anteil an Feinem enthält, so dass der Raum zwischen den groben Körnern nicht vollständig von Feinkorn und Sintermittel ausgefüllt ist. Das Sintermittel wird in diesem Fall in fester Form zugesetzt.
Wie Versuche gezeigt haben, kann die erfindungsgemässe Einrichtung bzw. Messkopfanordnung nicht nur zur Temperaturmessung beim Blasstahlverfahren, sondern auch bei allen andern Stahlerzeugungsverfahren sowie auch zur kontinuierlichen Messung der Temperatur von in Giesspfannen befindlichen Schmelzen mit Erfolg verwendet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur kontinuierlichen Temperaturmessung von Eisen- und Stahlschmelzen, insbesondere beim Frischen von Roheisen in Konvertern, gekennzeichnet durch einen in eine rohrförmige Ausnehmung (2) des Mauerwerks (1) des Schmelzenbehälters einzusetzenden Messkopf, der an seinem vorderen, in die
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Stopfen (27) aus feuerfestem Werkstoff sowie Mittel vorgesehen sind, die ein Versintern des Tragkörpers bzw. Stopfens am Behältermauerwerk verhindern.
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