AT394447B - Tauchpyrometer - Google Patents

Description

AT 394 447 B

Die Erfindung betrifft ein Tauchpyrometer zum Messen hoher Temperaturen, insbesondere für flüssige Metalle, das ein äußeres, zum Schutz dienendes Gehäuse für eine Temperaturmeßeinrichtung aufweist, weiches Seitenwände und eine Stirnwand besitzt, deren äußere Oberflächen in Kontakt mit flüssigen, in hohen Temperaturen vorliegenden Medien bringbar sind, wobei im Inneren des Gehäuses eine Ausnehmung mit Innenwänden vorgesehen ist und die Ausnehmung einseitig offen zum Einsetzen und Entfernen der Temperaturmeßeinrichtung ausgebildet ist, wobei das Gehäuse die Temperaturmeßeinrichtung vollständig von dem zu messenden Medium trennt.

Derartige Tauchpyrometer werden insbesondere für das Messen der Temperaturen flüssiger Metalle verwendet. Bei vielen industriellen und wissenschaftlichen Verfahren ist eine Messung und Kontrolle extrem hoher Temperaturen nötig. So ist beispielsweise die Messung der Temperatur geschmolzener Metalle für eine geeignete Verfehrensführung bei der Metallherstellung wesentlich.

Aus da1 US-PS 3 647 559 ist eine Temperaturmeßvorrichtung für Metallbäder bekannt, die eine äußere Schutzschicht aus einem metallkeramischen Material aufweist. Es wird jedoch keinerlei Hinweis auf die spezielle Zusammensetzung dieses metallkeramischen Materials gegeben. In jedem Fall jedoch hat ein solches Material eine relativ schlechte Temperaturleitfähigkeit, sodaß das Temperaturmeßelement entsprechend träge reagiert und die Messung ungenau ist. Weiters hat sich die relativ spröde Keramik als nicht ausreichend beständig gegen Temperaturwechselbeanspruchungen herausgestellt.

Weitere häufig für die Bestimmung der Temperaturen flüssiger Metalle verwendete Geräte sind das optische Pyrometer und die entfembare Thermoelement-Lanze. Das optische Pyrometer arbeitet nicht so genau, wie dies wünschenswert ist und kann lediglich die Oberflächentemperatur des flüssigen Metalls messen. Die bewegliche Thermoelement-Lanze ist ungenau. Sie erlaubt nicht die kontinuierliche Messung der Temperatur des flüssigen Materials und ihr Gebrauch wirft verschiedene Sicherheitsprobleme für die Bedienungsperson, welche sie benutzt, auf.

Als Folge der Nachteile sowohl des optischen Pyrometers als auch der jeweils einsetzbaren Thermoelement-Lanze sind erhebliche Anstrengungen zur Entwicklung eines Tauchpyrometers gemacht worden, das langzeitig ständig Meßwerte liefern soll. Bei einem Tauchpyrometer ist ein Thermoelement in einem Rohr aus Metall mit hohem Schmelzpunkt eingeschlossen, welches mit einem keramischen Material, beispielsweise Aluminiumoxid AI2O3 oder einer Mischung aus Aluminiumoxid und Chromoxid (CrjOj) beschichtet ist. Die Schichten schützen das Metallrohr gegenüber der flüssigen Metallumgebung. Die Verwendung einer oder mehrerer keramischer Schichten ist jedoch nicht befriedigend, da eine einfach oder mehrfach vorgesehene Keramikschicht zum Absplittem neigt mit der Folge, daß das flüssige Metall die Metallhülse erreichen und angreifen kann. Die innere Metallhülse kann dem Angriff durch die Schlacke und/oder das flüssige Metall nicht standhalten und wird zusammen mit dem eingeschlossenen Thermoelement schnell zerstört Das Meßelement üblicherweise ein Edelmetall-Thermoelement, ist teuer und es ist wünschenswert, dieses vielfach benutzen zu können. Umhüllungen, welche für einen Schutz der Thermoelemente entwickelt sind, haben zu einem langsamen thermischen Meßverhalten geführt und dies macht die Entwicklungen für zahlreiche Anwendungszwecke ungeeignet

In der GB-A 21 80 398 wird eine Schutzhülle für ein Thermoelement beschrieben, welche schweren thermischen Schocks widerstehen kann und welche eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion und Erosion durch geschmolzene Metalle aufweist Obwohl die Standzeit dieser Schutzhülle bereits relativ lang ist ist es wünschenswert, die Standzeit noch weiter zu verbessern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Tauchpyrometer mit einer Umhüllung für ein Thermoelement zu schaffen, welches für eine möglichst lange Zeitdauer in einer Umgebung aus flüssigem Metall eingesetzt werden kann. Außerdem soll das Tauchpyrometer so ausgebildet sein, daß voneinander zu trennende innere und äußere Gehäuse für das Temperaturmeßelement vorgesehen sind. Das Tauchpyrometer soll eine Mehrzahl von Schutzschichten aufweisen und eine gute Ansprechempfindlichkeit besitzen. Das Tauchpyrometer soll schnell und genau möglichen Änderungen in der Temperatur der flüssigen Metallbäder folgen können.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das Gehäuse feuerfestes Metalloxid und Graphit enthält und Graphit in einer Konzentration von 10 bis 35 Gew.%, vorzugsweise von 25 bis 30 Gew.%, vorgesehen ist, sodaß eine gute Wärmeleitung zwischen der äußeren Oberfläche des Gehäuses und den Innenwänden der Ausnehmung gewährleistet ist.

Das erfindungsgemäße Tauchpyrometer kombiniert angemessene mechanische Dauerhaftigkeit mit einer guten Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion und Erosion in Anwesenheit von Schlacke und/oder flüssigen Metallen bei einer schnellen thermischen Ansprechempfindlichkeit. So kann beispielsweise eine Lebensdauer in flüssigem Metall von über 100 Stunden erzielt werden bei der Fähigkeit, innerhalb von 8 Minuten von Raumtemperatur auf 1565 °C zu gehen. Diese Eigenschaften werden zudem noch mit vergleichsweise niedrigen Kosten erzielt Dies hat seine Ursache darin, daß zwar das Temperaturelement selbst sehr teuer ist, insbesondere wenn ein Thermoelement aus Edelmetall verwendet wird, daß aber das äußere Gehäuse die Metallröhre gegen einer Korrosion der Umgebung mit hoher Temperatur schützt Als zusätzlicher Vorteil ist es anzusehen, daß für den Fall, daß das äußere Gehäuse ausfällt die innere Hälfte für eine lange Zeit einen Schutz für das darin befindliche Temperaturmeßelement gibt

Das äußere Gehäuse kann in einen Bottich oder anderen Behälter für flüssiges Material eingebaut werden. Die -2-

AT 394 447 B innere Umhüllung, welche das Temperaturmeßelement enthält, kann bei Bedarf durch einen Bedienungsmann in das Gehäuse eingesetzt oder daraus entfernt werden. Wenn es nötig ist, das Thermoelement zu entfernen, während sich flüssiges Metall im Behälter befindet, können das Thermoelement und die innere Umhüllung sicher entfernt werden, da diese Teile nicht mit der Schmelze in Berührung stehen. Am Ende des Schmelzvorgangs kann beispielsweise die innere Umhüllung entfernt und in einen anderen Behälter eingesetzt werden. Ein besonders schnelles Ansprechverhalten bei langer Lebensdauer ergibt sich, wenn das Temperaturmeßelement eine Umhüllung aufweist, die ein Thermoelement umschließt, und diese Umhüllung ein einseitig geschlossenes, feuerfestes Metallrohr aufweist, wobei das Thermoelement in der Nähe des geschlossenen Endes der Umhüllung angeordnet ist

In ein«- besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ausnehmung und die Umhüllung runde Querschnitte aufweisen und daß die Ausnehmung eine kleinere Querschnittfläche an dem inneren geschlossenen Ende als am äußeren offenen Ende aufweist, wobei der Querschnitt am inneren geschlossen«! Ende annähernd gleich ist dem Querschnitt in der Nähe des geschlossenen Endes der Umhüllung. Auf diese Weise wird eine besonders lange Lebensdauer des Temperaturmeßelementes erreicht.

Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung an der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch die innere Umhüllung und das äußere Gehäuse mit einer Zwischenschicht aus keramischem Material,

Figur 2 einen Längsschnitt durch eine innere Umhüllung mit einem darin angeordneten Thermoelement,

Figur 3 das teilweise geschlossene Ende, welches Details der Schutzschichten der inneren Umhüllung zeigt

Figur 1 zeigt, daß das Tauchpyrometer (1) eine innere Umhüllung (11) aufweist, welche ein nicht dargestelltes Temperaturmeßelement enthält. Die innere Umhüllung (11) befindet sich im Zentrum eines äußeren Gehäuses (2). Eine Zwischenlage aus keramischem Vergußmaterial (6) ist zwischen der inneren Umhüllung (11) und dem äußeren Gehäuse (2) vorgesehen. Das Tauchpyrometer (1) ist zum Einsatz in eine Öffnung in den Wänden oder an der Oberseite eines Behälters geeignet, der flüssiges Metall enthält. Es kann mittels eines Flansches (4) am Behälter befestigt werden.

Die innere Umhüllung (11) muß hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen besitzen. Hierzu dient die Verwendung entweder eines Metallrohrs oder eines mit Keramik oder Keramik-Metall-Gemisch (Cermet) beschichteten Metallrohrs. Als geeignete Metallrohre werden unter anderem solche aus Molybdän und Nickel-Chrom-Stahl wie rostfreie Stähle vorgeschlagen. Molybdän ist das bevorzugte Metall für unbeschichtete Rohre, da es vergleichsweise gering mit dem Material des äußeren Gehäuses reagiert.

Obwohl unbeschichtete Metallrohre verwendet werden können, wird vorzugsweise für die innere Umhüllung (11) ein mit Cermet beschichtetes Rohr verwendet. Der bevorzugte Aufbau ist in der GB-A 2 180 398 beschrieben. Wie dies dort beschrieb«! und in den anliegenden Figuren 2 und 3 dargestellt ist, ist ein Metallrohr (12) , vorzugsweise aus Molybdän, mit einer Mehrzahl von porösen, einzelnen Schichten (14) aus Keramik-Metall-Gemisch beschichtet und mit ein«- äußeren Schicht aus einer K«amik. Die einzelnen Cermetschichten sind dünne Schichten und enthalten Aluminiumoxid-Chromoxid (AI2O3-G2O3) und Molybdän in einer von innen nach außen abnehmenden Konzentration.

Das einseitig geschlossene Rohr (12) bildet einen Innenraum (13), welcher die Thermoelementverbindung bzw. Lötstelle (54) enthält. Die Th«moelementdrähte (50) und (52) verbinden den Anschlußkopf (62) mit der Meßstelle (54) und sind durch eine nicht dargestellte, zwei Bohrungen aufweisende Isolierung in der Umhüllung (11) gehalten. Der Anschlußkopf (62) kann nicht dargestellte Dichtungen aufweisen.

Das Metallrohr (12) wird durch bekannte V«fahren aus einem Metall oder einer Metallegierung hergestellt, welche die erforderlichen Eigenschaften aufweist, nämlich einen hohen Schmelzpunkt und hohe Festigkeit gegenüber hohen Temperaturen. Molybdän ist das Metall der Wahl zur Verwendung bei sehr hohen Temperaturen, und zwar wegen seiner exzellenten mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen. Die thermische Leitfähigkeit und die spezifische Wärme des Metalls des Metallrohrs steuern die Temperaturerhöhung im Inneren des Metallrohrs und das Ergebnis sind milde Umgebungsbedingungen für das Thermoelement. Es kann auch Molybdän verwendet werden, welches geringe Anteile von Titan und Zirkon enthält Die entsprechende Legierung hat den Vorteil, daß ein stärkeres Metallrohr entsteht als wenn es ausschließlich aus Molybdän besteht, weil die Legierung eine Rekristallisation bei den interessierenden Temperaturen verhindert.

Auch Metallrohre aus rostfreiem Stahl sind relativ befriedigend zur Verwendung als innere Schutzhülle oder als Bestandteil der inneren Schutzhülle, wenn Temperaturen von niedrigerschmelzenden Materialien gemessen werden sollen, beispielsweise Aluminium oder Messing. Rostfreier Stahl hat einen Kostenvorteil gegenüber Molybdän und aus diesem Grund kann er in einigen Anwendungsfällen das Metall der Wahl für das Metallrohr sein. Obwohl auch andere Metalle als Molybdän oder Molybdän-Legierung für das Metallrohr verwendet werden können, wie dies vorstehend erläutert wurde, wird das Metallrohr (12) nachstehend zur Vereinfachung als Molybdänrohr angesprochen. Es ist selbstverständlich möglich, auch and«e geeignete Materialien anstelle von Molybdän vorzusehen.

Obwohl Molybdän einen sehr hohen Schmelzpunkt aufweist, oxidiert es bei hohen Temperaturen sehr rasch.

Molybdän wird auch durch chemisch aggressive Gase angegriffen, die in der Umgebung einer Metallschmelze vorhanden sind. Aus diesem Grund muß eine Schutzschicht verwendet werden, um das Molybdän-Rohr gegenüber -3-

AT 394 447 B der Umgebung zu schützen, wenn es entweder innerhalb oder außerhalb des äußeren Gehäuses (2) liegt.

Das Molybdän-Rohr wird vorzugsweise durch eine Beschichtung geschützt, welche eine Mehrzahl von porösen Lagen aus einem Keramik-Metall-Gemisch, nämlich Alummiumoxid-Chromoxid-Molybdän aufweist, welche auf die äußere Oberfläche des Metallrohrs mit Hilfe eines Lichtbogen-Plasma-Sprühverfahrens aufgebracht weiden.

Es ist übliche Praxis beim Auf bringen keramischer Beschichtungen auf Träger, die aus Keramik oder Metall bestehen, die thermischen Ausdehungskoeffizienten des Auftragsmaterials und des Trägers zur Deckung zu bringen, um die thermischen Beanspruchungen, welche aus Temperaturänderungen resultieren und welche die Beschichtungen erweich«! und schließlich zerstören weiden, möglichst gering zu halten.

Damit die thermischen Expansionskoeffizienten der Beschichtungen mit den Trägermaterialien zusammenpassen, ergeben sich jedoch scharfe Beschränkungen in der Wahl des Materials, welches effektiv für Beschichtungen benutzt werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird aus den Abweichung«! in der thermischen Expansion zwischen dem keramischen Material und dem Molybdän ein Vorteil in der Weise gezogen, daß man gesteuerte thermisch-mechanische Belastungen erzeugt, welche feine, gut steuerbare Mikrorisse in der Beschichtung eizeugen. Solche Haarrisse sind in Figur 3 mit Bezugszeichen (15) bezeichnet Das Entstehen solcher Haarrisse oder Feinrisse führt mit ein« geeignet großen Porosität in den Schutzschichten zu einem Schutzschild, welches einen sehr guten Widerstand gegen Thermoschocks ebenso wie eine exzellente chemische Dauerhaftigkeit in aggressiv«! Umgebungen hat

Die porösen Schichten aus Cermet, insbesondere Aluminiumoxid-Chromoxid, Molybdän, können direkt auf die äuß«e Oberfläche des Metallrohrs (12) aufgebracht werden. Dieses Metallrohr ist vorzugsweise aufgerauht, beispielsweise durch Sandstrahlen, um die Adhäsion der Schutzschicht zu verbess«n. Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung des Tauchpyrometers wird jedoch die äußere Oberfläche des Metallrohrs (12) zunächst mit einer porösen Schicht aus Molybdän (16) gebildet, welche aus Molybdän-Pulver gebildet ist Das Molybdän-Pulv« wird mit dem Lichtbog«i-Plasma-Sprühverfahren auf die Oberfläche des Metallrohrs (12) aufgesprüht

Figur 3 zeigt die aus Einzelschichten ausgebildete Schutzschicht (14). Sie besteht aus einer porösen Verbindungsschicht (16) aus Molybdän, auf die poröse Cermet-Schichten (18, 20) und (22) aufgebracht sind und eine Mischung aus Aluminiumoxid-Chromoxid-Molybdän enthalten. Das Molybdän ist in von innen nach außen abnehmenden Konzentrationen in den verschiedenen Schichten enthalten. Die äußere Schicht (24) besteht nahezu vollständig aus Aluminiumoxid-Chromoxid.

Das Aluminiumoxid-Chromoxid kann Chrom in einer Konzentration von ca. 10 Mol% bis ca. 30 Mol% enthalten. Vorzugsweise enthält das Aluminiumoxid-Chromoxid-Pulv« Chromoxid im Bereich von ca 20 Mol%. Aluminiumoxid-Chromoxid (A^Og-C^Oj), das ca. 20 Mol% Chromoxid enthält, hat einen thermischen Expansionskoeffizienten von ca. 8 Teilen pro Million pro °C.

Das Molybdän hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von annähernd 5,4 Teilen pro Million und °C. Dies führt zu einem Unterschied in den thermischen Expansionskoeffizienten von 45 % zwischen der Keramik und dem Molybdän.

Das Aluminiumoxid und das Chromoxid können durch mechanisches Mischen von Aluminiumoxid-Pulver und Chromoxid-Pulver zubereitet werden. Das bevorzugte Material ist jedoch ein Pulver, das vollständig durch sekundäre Erhitzung reagiert hat.

Bei ein« bevorzugten Ausführungsform d« inneren Schutzhülle wird die erste Schicht auf dem Molybdän-Träger aus Molybdän-Pulver gebildet Nachfolgende Schichten haben eine abnehmende Konzentration an Molybdän und eine zunehmende Konzentration an Keramik. Die Außenschicht besteht zu 100 % aus K«amik. Da das Ausmaß der Veiänderungen in den Zusammensetzungen von Schicht zu Schicht nicht kritisch ist, «folgt bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung des Tauchpyrometers die Konzentrationsänderung des Molybdäns in einem geradzahligen Volumen/%-Verhältnis von der inneren Schicht zu den äußeren Schichten. Während die Zahl der Schichten aus Keramik-Metall-Gemisch von zwei bis zehn betragen kann und vorzugsweise von drei bis neun, erweist es sich jedoch, daß es nur geringe Vorteile mit sich bringt, wenn man über fünf Schichten verwendet. Auß«dem steigen die Kosten zur Herstellung der inneren Hülle mit der Anzahl d« verwendeten Lagen.

Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung der Umhüllung besteht die Schutzschicht (14) aus fünf Schichten, beginnend mit 100 Vol% Molybdän in der ersten Schicht, gefolgt von 75 bis 25 Vol% K«amik für die zweite Schicht, 50 Vol% Molybdän-50 Vol% K«amik für die dritte Schicht, 25 Vol% Molybdän-75 Vol% Keramik für die vierte Schicht und 100 Vol% Keramik für die fünfte Schicht.

Die Gesamtdicke der aufgebrachten verschieden«! Schichten kann von 0,5 mm bis ca. 1 mm varii«en.

Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung des Tauchpyrometers hat die proröse Molybdän-Schicht, die auf d«n Molybdän-Rohr liegt, ebenso wie jede d« folgenden porösen Keramik-Metall-Gemisch-Schichten eine Dicke von ca. 0,05 mm bis 0,1 mm. Die äußere keramische Schicht hat eine Dicke von ca. 0,4 mm bis ca. 0,6 mm. Eine g«iaue Kontrolle der Dicken der v«schiedenen Schichten ist nicht wesentlich zur Eizeugung einer inneren Hülle, welche k«amischen Schocks widerstehen kann. Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung des Tauchpyrometers hat jedoch jede d« Schichten aus Molybdän und Keramik-Metall-Gemisch annähernd die gleiche Dicke, beispielsweise ca. 0,07 mm. -4-

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Es ist wesentlich, daß die Cermet-Schichten eine Porosität von ca. 4 bis ca. 33 % haben. Der bevorzugte Bereich der Porosität beträgt ca. 15 bis 30 % und das Optimum liegt in der Größenanordnung von 20 bis 25 %. Die Wirkung der Poren ist nicht vollständig geklärt, es ist anzunehmen, daß die Poren die Ausdehnung des Materials in den Schichten begünstigen, wenn diese einer Umgebung mit hoher Temperatur ausgesetzt werden. Die Bestimmung der angegebenen Porosität erfolgt durch optische Mikroskopie mit Hilfe üblicher stereologischer Technik.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Erzeugung der gewünschten Porosität besteht darin, daß man die Molybdän-Schicht, die Keramik-Metall-Gemisch-Schichten und die Keramik-Schichten mittels eines Plasma-Lichtbogen-Sprühverfahrens aufbringt. Dieses Verfahren hat sich als besonders günstig «wiesen, weil es die Kontrolle der kritischen Parameter, nämlich der Oberflächenstruktur und der Porosität der Schichten, erlaubt Der Porositätsgrad ein«* metallischen, keramischen oder Keramik-Metall-Gemisch-Schicht beim Plasmasprühen wird in erster Linie durch die Verfahrensparameter bestimmt Hierzu gehören die eingesetzte Energie für den Lichtbogen, die zugeführte Pulvermenge, der Abstand und der Winkel der Trägeroberfläche von dem Sprühstutzen und die Bewegungsgeschwindigkeit des Sprühstutzens über die Trägeroberfläche.

Der Energieeinsatz liegt üblicherweise im Bereich von ca. 15 bis 45 kW, das bevorzugte Energieniveau der eingesetzten Energie beträgt ca. 30 bis 40 kW. Eine Absenkung der eingesetzten Energiemenge führt zu einer Vergrößerung der Porosität in der aufgebrachten Schutzschicht

Die zugeführte Pulvermenge kann im Bereich von ca. 2,5 bis 4,5 Kilo Pulver pro Stunde betragen. Eine Verminderung der Pulverzuführrate verringert die Porosität der aufgesprühten Schicht

Der Sprühstutzen wird vorzugsweise in einem Abstand von 5 cm bis ca. 16 cm von der Oberfläche des Trägers gehalten. Die Porosität der aufgebrachten Schicht wächst mit einem Anwachsen der Distanz zwischen Sprühstutzen und Träger.

Der Winkel der aufgesprühten Teilchen beträgt, bezogen auf eine senkrecht zu dem zu besprühenden Teil liegende Achse, bis zu 30°, der bevorzugte Winkelbereich liegt zwischen 0° bis ca. 10°. Die Porosität wächst mit dem Auftragswinkel. Die Auftragsgeschwindigkeit des Sprühstutzens auf der Trägeroberfläche kann von ca. 10 cm bis ca. 30 cm pro Sekunde betragen. Die Porosität wächst mit der zunehmenden Auftragsgeschwindigkeit.

Bei einem bevorzugten Verfahren wird der Träger beim Besprühen gedreht. Eine typische Drehgeschwindigkeit beträgt ca. 600 Umdrehungen pro Minute für einen rohrförmigen Träger von ca. 1,25 cm.

Zum Ausführen des Beschichtungsverfahrens sollte der Träger aufgeheizt werden, vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich von ca. 90 °C bis ca. 260 °C. Obwohl eine Änderung der Trägertemperatur den Porositätsgrad verändern kann, erscheint dieser Einfluß eher gering. Auch die Art und Stärke der Plasmagase haben geringe Auswirkungen auf die Steuerung des Porositätsgrades. Übliche Gase sind ein Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff im Volumen-Verhältnis Stickstoff: Wasserstoff von ca. 4 : 1 bis 8 : 1. Typische zweckmäßige Ausströmraten betragen 70 bis 100 ltr pro Minute für Stickstoff und 8,6 bis 17 ltr pro Minute für Wasserstoff.

Wie dies aus Figur 1 ersichtlich ist, dient das äußere Gehäuse (2) zum Schutz der innenliegenden Teile vor flüssigem Metall und Schlackenschicht. Das äußere Gehäuse (2) ist aus einer Mischung aus Graphit und einem Metalloxid hergestellt Typische geeignete Mischungen sind Aluminiumoxid-Graphit-Siliciumoxid, Zirkonoxid-Graphit, Magnesiumoxid-Graphit oder irgendwelche Kombinationen daraus. Die Konzentration des Graphits ist so ausgewählt, daß eine gute Wärmeleitfähigkeit für das Gehäuse erzeugt wird und sie kann im Bereich zwischen ca. 10 bis 35 Gew% liegen. Die Konzentration des Graphit liegt vorzugsweise im Bereich von ca. 25 bis ca. 35 Gew%.

Das äußere Gehäuse (2) ist an einem Ende geschlossen und besitzt eine Höhlung (3) für die innere Umhüllung (11). Die Ausnehmung (3) hat ein unteres engeres Ende und ein oberes weiteres Ende (9). Sie ist so ausgebildet, daß sie dicht um die Spitze der inneren Umhüllung (11) herumpaßt und hat einen Wärmeweg von niedrigem Wärmewiderstand zur inneren Umhüllung (11) und zur Thermoelement-Meßstelle (54).

Die Dimensionen der Wände, welche die Höhlung (3) bilden, sind so ausgewählt, daß sie gutes thermisches Ansprechverhalten mit langer Lebensdauer kombinieren. Wenn die Wände zu dünn sind, ist die Lebensdauer kurz und wenn die Wände zu dick sind, ist das thermische Ansprechverhalten zu schlecht. Eine Wandstärke von weniger als 6 mm ist zu wenig und zu zerbrechlich, während eine Wandstärke am Ende von 25 mm oder darüber zu einem schlechten thermischen Ansprechverhalten führt Die bevorzugte Dicke der Stirnwand beträgt 6 mm bis 12 mm und die optimale Dicke beträgt ca. 12 mm. Die seitliche Wandstärke sollte nicht geringer als 12 mm sein und ist vorzugsweise von 12 bis 25 mm dick.

Die Ausnehmung (3) muß sich weit genug vom Ende des Gehäuses erstrecken, um das Thermoelement (54) zu umgeben. Je größer die Tiefe der Ausnehmung desto besser ist das thermische Ansprechverhalten. Eine Tiefe von ca. 30 cm vom unteren Ende (7) zum oberen Ende (9) wird die praktisch obere Grenze sein, wenn man die Herstellungskosten von langen schlanken Ausnehmungen berücksichtigt und der praktische Bereich reicht von einer Tiefe von ca. 1,25 cm bis zu ca. 30 cm. Die bevorzugte Tiefe beträgt ca. 5 cm. Während die innere Ausnehmung (3) so ausgelegt ist, daß sie eng um die Spitze der Umhüllung paßt, hat bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der äußere Bereich (5) der Ausnehmung im Gehäuse (2) einen Durchmess«’, der größer als der der Umhüllung ist Dieser Bereich (5) hat vorzugsweise einen Durchmesser, der -5-

AT 394 447 B ca. 12 mm bis ca. 25 mm größer ist als der Durchmesser der Umhüllung.

Die innere Umhüllung (11) wird innerhalb des Gehäuses (2) in einem Abstand durch gießbares oder schmelzbares Aluminiumoxid (6) gehalten. Eine Ausnehmung mit geeigneten Abmessungen für die innere Umhüllung wird gebildet, indem man in die Ausnehmung des äußeren Gehäuses einen Gußhilfsköiper einsetzt, welch» die gleiche Größe und Form wie die innere Umhüllung aufweist.

Es wird dann eine schmelzfähige oder gießfähige feuerfeste Masse, beispielsweise Aluminiumoxid, in die verbleibende ringförmige Höhlung gepackt, bis diese vollständig gefüllt ist Danach wird der Füllkörper entfernt und die Thermoelementeinrichtung in die nach Entfernen des Hilfskörpers verbliebene Ausnehmung eingesetzt Für ein angemessenes thermisches Ansprechverhalten muß die Spitze der inneren Hülse in direktem thermischen Kontakt mit dem äußeren Gehäuse stehen. Demzufolge sollte das gießfähige oder schmelzfähige feuerfeste Material aus der Ausnehmung (6) am Boden des äußeren Gehäuses femgehalten werden.

Das Graphit dient zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Gehäuses und seine Anwesenheit in der Mischung führt zu einem guten thermischen Ansprechverhalten. Die Konzentration des Graphits kann in gewisser Weise von der Umgebung abhängen, der das Gehäuse ausgesetzt ist. So ist beispielsweise Zirkonoxid ein ausgezeichnetes Metalloxid zur Verwendung in Verbindung mit Schlacke. Damit die vollen Vorteile aus den Eigenschaften von Zirkonoxid ausgenutzt werden, kann die Konzentration des Graphits relativ gering gehalten werden, beispielsweise von ca. 10 % bis ca. 20 %. Als typisch ist die Konzentration des Graphits in der Metalloxid-Graphit-Mischung im Bereich von ca. 20 % bis ca. 35 % anzusehen und vorzugsweise liegt die Konzentration im Bereich von ca. 25 % bis ca. 30 %.

Die Metalloxide Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Magnesiumoxid oder Mischungen dieser Metalloxide können im wesentlichen die Reste der Mischung bilden oder auch andere Hochtemperaturmaterialien wie beispielsweise SiC und SiC>2 können in Anteilen von ca. 15 bis 20 % vorhanden sein.

Feuerfeste Materialien und Strukturen, welche Zusammensetzungen aufweisen, wie sie vorstehend genannt wurden, sind handelsüblich und einige von diesen können zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung verändert werden. Die nachstehende Tabelle zeigt die chemische Zusammensetzung einiger dieser feuerfesten Materialien:

Zusammensetzung in %

Bestandteil I Π m IV V VI VH Al2°3 42-46 43-47 38-42 49-53 52 _ ZK>2 - 3-5 6-8 4-6 - 65-69 75-79 C(fiei) 27-29 28-30 24-26 27-29 31 16-18 11-13 Si02 19-23 13-17 17-19 3-5 13 - - SiC 4-6 4-6 8-10 8-10 . 9-11 5-7 Andere - - - - 5 - -

Wie vorstehend ausgeführt, kann ein unbeschichtetes Molybdänrohr als innere Umhüllung verwendet werden. Ein unbeschichtetes Molybdänrohr hat den Vorteil gegenüber beschichteten Rohren, daß es preisgünstig» ist und daß der Angriff in der Umgebung des Graphit enthaltend»! äußeren Gehäuses beispielsweise in der Nähe der Spitze, welche in die Ausnehmung (3) eingesetzt ist, beschränkt ist. Ein Kontakt des Molybdänrohrs mit dem feuerfesten Oxid-Graphit-Material des äußeren Gehäuses fuhrt zu ein» gut kontrollierbaren Aufkohlung der Ob»fläche des Molybdänrohrs. Die Bildung ein» Karbid-Oxid-Ob»fläche auf dem Molybdänrohr verringert den weit»»! Abbau des Rohrs und führt zu ein» selbstheilend»i Oberflächenschicht, welche eine lange Lebensdauer der Oberfläche erlaubt, beispielsweise üb» 100 Stunden. Die bevorzugte Methode ist die Verw»idung einer keramischen Schutzschicht, da sogar dann, wenn daß äußere Gehäuse versagt, daß Meßelement selbst durch die keramische Beschichtung gegenüb» dem flüssigen Metall geschützt ist

Nachfolgend ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel d» Erfindung im einzelnen beschrieben:

Beispiel:

Ein Molybdänrohr mit einer Wandstärke von 2,8 mm, einem Durchmesser von ca. 13 mm und einer Länge von ca. 30 cm wird gereinigte, entfettet und seine äußere Oberfläche sandgestrahlt mit feinkörnigem Aluminiumoxid. Das so vorbehandelte Rohr, welches fertig für die Beschichtung ist, wird auf eine Temperatur von ca. 150° gebracht und, während es mit 600 U/min rotiert, im Lichtbogen-Plasma-Sprühverfahren mit Molybdän-Pulver besprüht zur Bildung einer porösen Schicht, die 0,08 mm dick ist. Das Sprühen wird ausgeführt durch Zuführen von Molybdän-Pulver mit einer Menge von 3,5 kg/Std in einem Bogen mit einer -6-

Claims (12)

1. AT 394 447 B Mischung von 85 % Stickstoff und 15 % Wasserstoff und einer Leistung von 35 kW. Der Sprühstutzen wird ca 10 cm von der äußeren Oberfläche des sich drehenden Metallrohrs gehalten und parallel zu der Rohrachse mit einer Geschwindigkeit von ca 20 cm/Sek. bewegt Der Sprühstutzen wird in einem solchen Winkel gehalten, daß die geschmolzenen Partikel des Molybdäns die äußere Oberfläche des Rohrs unter einem Winkel von 10° von einer Linie treffen, die senkrecht zu der Achse verläuft Das mit einer porösen Molybdän-Schicht beschichtete Metallrohr wird auf eine Temperatur von ca. 150 °C erwärmt und besprüht zur Bildung einer porösen Cermetschicht oben auf die poröse Molybdänschicht Hierzu wird ein Pulver benutzt welches aus 75 Vol% von Molybdän und 25 Vol% von Aluminiumoxid-Chromoxid besteht Das Mol-Verhältnis von Aluminiumoxid zu Chromoxid beträgt 4:1. Auf eine Schicht in der Dicke von 0,08 mm, welche aus 50 Vol% Molybdän und 50 Vol% Aluminiumoxid-Chromoxid besteht, folgt eine Schicht in der Dicke von 0,08 mm aus 25 Vol% Molybdän und 75 Vol% Aluminiumoxid-Chromoxid. Danach folgt eine Schicht in einer Dicke von 0,5 mm aus im wesentlichen reinem Aluminiumoxid-Chromoxid. Alle diese Schichten sind unter den gleichen Bedingungen wie sie die vorhergehenden Schichten aufwiesen, im Plasma-Sprühverfahren auf das rotierende Rohr aufgesprüht worden. Jede der porösen Schichten hat eine Porosität im Bereich von 20 bis 25 %. Zwischen jedem Beschichtungsschritt wird das Rohr auf ca. 150 °C aufgeheizt Das äußere Gehäuse für die entstandene innere Umhüllung wird aus einer Pulvermischung gebildet welche aus Aluminiumoxid-Graphit-Siliciumoxid in den Anteilen von 52 Vol% Aluminiumoxid, 32 Vol% Graphit und 13 Vol% Siliciumoxid besteht Die Mischung, welche ein Bindemittel enthält wird isostatisch um einen Dom gepreßt zur Bildung eines Bereichs, der die Gestalt des Elements (2) aufweist wie dies in Figur 1 dargestellt ist Nach dem Pressen wird der resultierende grüne Block gebrannt damit das Material zusammenschmilzt Nach dem anfänglichen Brennen wird das Gehäuse an seiner Außenseite mit einem Gemisch aus Glasmasse oder Porzellanmasse beschichtet und anschließend zur Bildung einer glasigen Deckschicht erneut gebrannt Diese Deckschicht dient dazu, die Oxidation des Graphits zu verhindern. Ein Gußdom, welcher geringfügig größer als die innere Hülle ist wird in die Ausnehmung eingesetzt und ein gießbares oder schmelzbares Aluminiumoxid wird dann in den sich ergebenden Ringraum gefüllt bis dieser vollständig ausgefüllt isL Es wird darauf geachtet daß kein Aluminiumoxid in die Ausnehmung am Boden des äußeren Gehäuses gerät Danach wird der Gußdom, welcher mit einem Entformungsmittel beschichtet ist, entfernt Das Gehäuse wird 24 Stunden gebrannt Anschließend wird die Thermoelementeinrichtung in die Öffnung eingesetzt, die sich durch das Entfernen des Doms ergeben hat PATENTANSPRÜCHE 1. Tauchpyrometer zum Messen hoher Temperaturen, insbesondere für flüssige Metalle, das ein äußeres, zum Schutz dienendes Gehäuse für eine Temperaturmeßeinrichtung aufweist welches Seitenwände und eine Stirnwand besitzt deren äußere Oberflächen in Kontakt mit flüssigen, in hohen Temperaturen vorliegenden Medien bringbar sind, wobei im Inneren des Gehäuses eine Ausnehmung mit Innenwänden vorgesehen ist und die Ausnehmung einseitig offen zum Einsetzen und Entfernen der Temperaturmeßeinrichtung ausgebildet ist wobei das Gehäuse die Temperaturmeßeinrichtung vollständig von dem zu messenden Medium trennt dadurch gekennzeichnet daß das Gehäuse (2) feuerfestes Metalloxid und Graphit enthält und Graphit in einer Konzentration von 10 bis 35 Gew.-%, vorzugsweise von 25 bis 30 Gew.-%, vorgesehen ist sodaß eine gute Wärmeleitung zwischen der äußeren Oberfläche des Gehäuses und den Innenwänden der Ausnehmung (3) gewährleistet ist.
2. 2. Tauchpyrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturmeßelement (11, 54) eine Umhüllung (11) aufweist die ein Thermoelement (54) umschließt, und daß diese Umhüllung (11) ein einseitig geschlossenes, feuerfestes Metallrohr (12) aufweist wobei das Thermoelement (54) in der Nähe des geschlossenen Endes der Umhüllung (11) angeordnet ist
3. 3. Tauchpyrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (11) mit Ausnahme ihres geschlossenen Endes von der inneren Oberfläche der Ausnehmung (3) beabstandet ist, und daß der dazwischenliegende Raum im wesentlichen mit feuerfestem Metalloxid (6) ausgefüllt ist.
4. 4. Tauchpyrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste Metalloxid Aluminiumoxid ist. -7- AT 394 447 B
5. 5. Tauchpyrometer nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (3) und die Umhüllung (11) runde Querschnitte aufweisen und daß die Ausnehmung (3) eine kleinere Querschnittsfläche an dem inneren geschlossenen Ende als am äußeren offenen Ende aufweist, wobei der Querschnitt am inneren geschlossenen Ende annähernd gleich ist dem Querschnitt der Umhüllung (11) in der Nähe des geschlossenen Endes.
6. 6. Tauchpyrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Bereichs der Ausnehmung (3), welcher den kleineren Querschnitt aufweist, ca. 1,2 cm bis ca. 30 cm beträgt
7. 7. Tauchpyrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Bereichs der Ausnehmung (3), welcher den kleineren Querschnitt aufweist ca. 1,2 cm bis 5 cm beträgt
8. 8. Tauchpyrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß der Durchmesser der Ausnehmung (3) an deren äußeren Öffnung ca. 3 mm bis ca. 25 mm größer ist als der Durchmesser der Umhüllung (11).
9. 9. Tauchpyrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das einseitig geschlossene, feuerfeste Metallrohr (12) mit einer Mehrzahl von porösen Keramik-Metall-Gemisch-Schichten (18; 20; 22) bedeckt ist wobei die Keramik-Metall-Gemisch-Schichten im wesentlichen aus Aluminiumoxid-Chromoxid-Molybdän bestehen, die eine Porosität von ca. 5 % bis ca. 33 % aufweisen, wobei eine keramische Beschichtung (24) aus im wesentlichen reinem Aluminiumoxid-Chromoxid die äußere Keramik-Metall-Gemisch-Schicht (22) abdeckt, wobei diese keramische Beschichtung (24) eine Porosität von ca. 4 % bis ca. 33 % aufweist
10. 10. Tauchpyrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallrohr aus Kohlenstoffstahl oder einer Chrom-Nickel-Legierung gefertigt ist.
11. 11. Tauchpyrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet daß die Wanddicke des Gehäuses (2) am geschlossenen Ende desselben im Bereich von ca. 6 mm bis ca. 25 mm liegt
12. 12. Tauchpyrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet daß die Wanddicke des Gehäuses (2) am geschlossenen Ende desselben im Bereich von ca. 6 mm bis ca. 12 mm liegt Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -8-