DE102005040330A1

DE102005040330A1 - Vorrichtung zum Messen des Korrosionsverlustes

Info

Publication number: DE102005040330A1
Application number: DE102005040330A
Authority: DE
Inventors: Tohru Yokosuka Hisamatsu; Isao Yokosuka Yuri
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2006-03-23
Also published as: US20060045166A1; JP4007610B2; JP2006071504A; US8105533B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung umfasst eine Korrosionsverlust-Messvorrichtung, mit der der Korrosionsverlust eines keramischen Materials oder eines metallischen Materials quantitativ bestimmt werden kann. Bei der beschriebenen Korrosionsverlust-Messvorrichtung kann ein atmosphärisches Gas mit einer bestimmten Zusammensetzung und einer vorgegebenen Temperatur aus einem Gasaufheizabschnitt (1) kontinuierlich einem Teststückaufnahmeabschnitt (3) zugeführt werden. Der Gasaufheizabschnitt (1) und der Teststückaufnahmeabschnitt (3) befinden sich in einem einteiligen Keramikrohr, das in einen Heizofen eingesetzt wird. Die vom Gas durchströmte Querschnittsfläche ist im Gasaufheizabschnitt (1) größer als im Teststückaufnahmeabschnitt (3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Korrosionsverlustes. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Messen des Korrosionsverlustes an Teststücken aus hitzebeständigen Materialien wie Keramiken und hitzefesten Metallen unter dem Einfluss einer heißen Gasströmung.
Es ist bekannt, dass viele an sich hitzebeständige Materialien unter dem Einfluss von heißem Verbrennungsgas mit einer Temperatur von über 1000 °C (wie es zum Beispiel bei Gasturbinen vorkommt) von Komponenten des Verbrennungsgases angegriffen werden. Neuere Studien haben gezeigt, dass sogar keramische Materialien (die an sich eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit aufweisen) unter dem Einfluss von vorbeiströmendem Verbrennungsgas allmählich korrodieren und dabei Gewicht und Volumen verlieren. Eine mögliche Ursache für den Korrosionsverlust ist, dass der im Verbrennungsgas befindliche Dampf mit dem keramischen Material unter Bildung von Hydroxid chemisch reagiert, und dass das Verdampfen des entstandenen Hydroxids durch die Gasströmung beschleunigt wird, wodurch das keramische Material nach und nach abgetragen wird.
Ein keramisches Material, das mit heißem (T > 1000 °C) Verbrennungsgas in Kontakt kommt, muss daher hinsichtlich des Korrosionsverlustes nach dem Gebrauch für eine bestimmte Zeitspanne quantitativ bewertet werden, wofür eine einfache Technik zum Voraussagen des Ausmaßes des Korrosionsverlustes gesucht wird.

Um den Korrosionsverlust eines keramischen Materials experimentell bestimmen zu können, müssen gleichzeitig die folgenden drei Bedingungen erfüllt sein. Das Material muss auf einer hohen Temperatur von über 1000 °C gehalten werden; das das Material umgebende atmosphärische Gas muss Dampf enthalten; und das Material muss sich in einer Strömung des atmosphärischen Gases befinden. Es ist bekannt, dass das Ausmaß des Korrosionsverlustes eines Materials mit der Temperatur des Materials, dem Partialdruck des Dampfes im atmosphärischen Gas und der Strömungsgeschwindigkeit des Gases zunimmt.

Zum Bestimmen des Korrosionsverlustes eines keramischen Materials und zum quantitative Bewerten der Korrosionseigenschaften wird herkömmlich eine Messvorrichtung vom Verbrennungsgas-Strömungstyp verwendet. Die Vorrichtung wird zusammen mit einem Verbrennungsgasgenerator wie einem Brenner oder einer Gasturbine verwendet, und das jeweilige Teststück wird in die Strömung des Verbrennungsgases eingebracht. Einige Arten von solchen Vorrichtun gen zum Bestimmen des Korrosionsverlustes vom Verbrennungsgas-Strömungstyp ermöglichen eine unabhängige Kontrolle der Temperatur, der Gaszusammensetzung, der Strömungsgeschwindigkeit des Gases und des Gasdrucks. Diese Messvorrichtungen haben jedoch auch ihre Nachteile; z.B. ist die Sicherheit aufgrund der Verbrennung einer großen Menge an Brennstoff nicht immer besonders hoch; die Vorrichtungen sind groß und haben einen komplizierten Aufbau, was hohe Kosten und eine schwierige Bedienung zur Folge hat; und auf dem Teststück werden Verunreinigungen aus dem Verbrennungsgas (Oxide aus Metallen, die der hohen Temperatur ausgesetzt sind, korrodiertes Material aus Leitungen usw.) abgeschieden. Die Messgenauigkeit ist bei diesen Messvorrichtungen daher nicht besonders hoch. Auch lässt sich die Zusammensetzung des Gases nur innerhalb von engen Grenzen verändern, und die maximale Gastemperatur ist im allgemeinen auf etwa 1500 °C beschränkt.

Andere, herkömmlich verwendete Messvorrichtungen zum Messen des Korrosionsverlustes beinhalten elektrische Öfen, in die das Teststück gesetzt wird. Der Ofen wird elektrisch auf eine hohe Temperatur aufgeheizt. In den Ofen wird ein atmosphärisches Gas eingeleitet, das Dampf und simuliertes Verbrennungsgas enthält. Im Vergleich mit einer Messvorrichtung vom Verbrennungsgas-Strömungstyp ist die Messvorrichtung mit einem elektrischen Ofen kleiner, kostet weniger, ist leichter zu betreiben und bietet mehr Sicherheit. Außerdem kann die Gaszusammensetzung über einen größeren Bereich variiert werden, und die Gastemperatur kann auf über 1700 °C angehoben werden, was von Vorteil ist. Das atmosphärische Gas mit der gewünschten Zusammensetzung wird jedoch direkt in den Ofen eingeführt, in dem sich das Teststück befindet, so dass bei einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit die Temperatur im Inneren des elektrischen Ofens abnimmt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases ist daher auf einige cm/s oder weniger beschränkt. Unter solchen Strömungsbedingungen kann ein Korrosionsverlust am Teststück nur sehr schwer bestimmt werden, denn auch wenn eine Korrosion auftritt, ist das Ausmaß davon sehr gering. Es ist deshalb schwierig, den Korrosionsverlust mit einer Korrosionsverlust-Messvorrichtung mit einem elektrischen Ofen quantitativ zu bewerten.

Bei der Halbleiterherstellung werden Heizvorrichtungen verwendet, um das einem Hochtemperaturofen zuzuführende Gas aufzuheizen und Halbleiter entsprechend zu bearbeiten. Die Heizvorrichtungen werden dabei an den Zuleitungen zum Zuführen des Gases zum Ofen angeordnet. Solche Heizvorrichtungen sind zum Beispiel in den japanischen Offenlegungsschriften 6-151414, 2001-345314, 2002-277054 usw. beschrieben. Da diese Heizvorrichtungen getrennt vom Hochtemperaturofen vorgesehen sind, wird das aufgeheizte Gas dem Ofen durch eine Leitung zugeführt, die mit dem Ofen verbunden ist. Da bei der Halbleiterproduktion das Gas auf etwa 1000 °C aufgeheizt werden muss, sind das Heizrohr und die Leitung zum Zuführen des Gases vom Heizrohr bzw. von der Heizvorrichtung zum Ofen oft aus Quarzglas oder einem ähnlichen Material.

Zum Bestimmen des Korrosionsverlustes eines keramischen Materials und zum quantitativen und effektiven Bewerten der Korrosionseigenschaften des Materials sollte das atmosphärische Gas auf etwa 1700 °C aufgeheizt werden können. Das Heizrohr und der Füllstoff für die Heizvorrichtung sowie die Leitung zum Zuführen des erhitzten Gases können daher nicht aus Quarzglas gebildet werden, das sich bei etwa 1400 °C erweicht. Ein transluzentes keramisches Material wie transluzentes polykristallines Aluminiumoxid ist eine Alternative, dieses transluzente polykristalline Aluminiumoxid ist jedoch sehr teuer. Als Material für Heizvorrichtungen und Zuleitungen zum Zuführen des erhitzten Gases wird daher ein nicht-transluzentes keramisches Material wie Aluminiumoxid oder Zirkonoxid verwendet.

Wenn ein Heizrohr und ein Füllstoff aus einem nicht-transluzenten keramischen Material verwendet werden, wird die vom Heizmedium erzeugte Wärme auf die Innenwand des Heizrohrs übertragen und in Strahlung umgewandelt. Das atmosphärische Gas wird beim Durchlaufen des bestrahlten Füllstoffs wirkungsvoll aufgeheizt. Der Abschnitt, in dem das Gas wirkungsvoll aufgeheizt wird, ist jedoch auf den Bereich in der Nähe der Innenwand des Heizrohrs beschränkt. Wenn dem Heizrohr eine große Menge an Gas zugeleitet wird, wird über die Querschnittsfläche, die das Gas durchströmt, eine breite Temperaturverteilung (d.h. ein großer Temperaturunterschied zwischen einzelnen Bereichen) erhalten. Mit einem solchen Temperaturverteilungsprofil ist jedoch die Zuverlässigkeit der Messdaten eingeschränkt, und die mittlere Gastemperatur am Auslass des Heizrohrs ist niedrig. Um diesen Nachteil zu überwinden, muss die Heizvorrichtung vergrößert werden, was problematisch ist. Außerdem wird es schwierig, den Messofen mit dem darin befindlichen Teststück mit der Heizvorrichtung über eine keramische Gasleitung zu verbinden, da die Verbindung zwischen keramischen Teilen und das gasdichte Ausbilden dieser Verbindungen einen großen Aufwand erfordert.

Es gibt daher bisher keine vernünftige Lösung zum Bestimmen des Korrosionsverlustes eines keramischen Materials und zum quantitativen und effektiven Bewerten der Korrosionseigenschaften eines solchen Materials mittels einer elektrischen Heizung.

Bisher wurden daher die Korrosionseigenschaften von keramischen Materialien und hitzebeständigen metallischen Materialien nur mittels Korrosionsverlust-Messvorrichtungen vom Verbrennungsgas-Strömungstyp in Verbindung mit einem Verbrennungsgasgenerator bestimmt, mit den oben angeführten Nachteilen.

Ein möglicher Kandidat zum Lösen der genannten Probleme ist eine Messvorrichtung für elektrische Heizmaterialien. Die Temperatur zum Ausführen einer Korrosionsverlustmessung liegt bei keramischen Materialien zwischen etwa 1000 °C und 1700 °C und für hitzebeständige metallische Materialien zwischen etwa 800 °C und 1200 °C. In den Hochtemperaturabschnitten muss die Messvorrichtung daher keramische Elemente enthalten. Mit einer Messvorrichtung für elektrische Heizmaterialien kann daher keine große Gasmenge wirkungsvoll und gleichmäßig auf etwa 1700 °C aufgeheizt werden, wobei außerdem das Abdichten der keramischen Elemente zum Verhindern von Gasverlusten schwierig ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Korrosionsverlust-Messvorrichtung zu schaffen, mit der quantitativ die Korrosionseigenschaften von keramischen Materialien und hitzebeständigen metallischen Materialien (Legierungsmaterialien) bestimmt werden können, und die hinsichtlich der Sicherheit, der Kosten, des leichten Betreibens und ihrer Größe ausgezeichnet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit der im Patentanspruch 1 beschriebenen Vorrichtung gelöst.

Die Erfinder haben, um die Aufgabe zu lösen, ausführliche Studien durchgeführt und dabei festgestellt, dass diese Aufgabe durch ein einteiliges Keramikrohr mit einem Gasaufheizabschnitt und einem Teststückaufnahmeabschnitt für die Verwendung in einem Heizofen gelöst werden kann, wobei die Querschnittsfläche des Gasaufheizabschnitts, die das zu erhitzende Gas durchströmt, größer ist als die Querschnittsfläche des Teststückaufnahmeabschnitts, in dem sich das Teststück befindet. Die vorliegende Erfindung beruht auf diesen Feststellungen.

Die vorliegende Erfindung umfasst somit eine Korrosionsverlust-Messvorrichtung, bei der im Gebrauch einem Teststückaufnahmeabschnitt, der für die Aufnahme eines Teststücks vorgesehen ist, kontinuierlich ein atmosphärisches Gas zugeführt wird, wobei das atmosphärische Gas eine bestimmte Zusammensetzung aufweist und auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt wurde, wobei
die Messvorrichtung einen Gasaufheizabschnitt und den Teststückaufnahmeabschnitt umfasst,
sich der Gasaufheizabschnitt und der Teststückaufnahmeabschnitt in einem einteiligen Keramikrohr befinden, das für die Verwendung in einem Heizofen vorgesehen ist, und wobei
die Querschnittsfläche des Gasaufheizabschnitts, die das Gas durchströmt, größer ist als die Querschnittsfläche des Teststückaufnahmeabschnitts.

Der Gasaufheizabschnitt und der Teststückaufnahmeabschnitt bestehen vorzugsweise in den Bereichen, in denen sie mit dem heißen atmosphärischen Gas in Kontakt kommen, aus einem keramischen Material, das frei ist von Komponenten und Elementen, die sich auch im Material des Teststücks befinden (Sauerstoff ausgenommen).

Im Gebrauch kann bei der erfindungsgemäßen Korrosionsverlust-Messvorrichtung ein atmosphärisches Gas kontinuierlich in den Teststückaufnahmeabschnitt eingeleitet werden, in dem ein Teststück untergebracht ist, wobei das atmosphärische Gas eine vorgegebene Zusammensetzung aufweist und auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt ist. Die Vorrichtung umfasst dazu den Gasaufheizabschnitt und den Teststückaufnahmeabschnitt, wobei sich sowohl der Gasaufheizabschnitt als auch der Teststückaufnahmeabschnitt in einem einteiligen Keramikrohr befinden, das für die Verwendung in einem Heizofen vorgesehen ist. Es wird daher kein Gasströmungsweg in einer Leitung für die Verbindung des Gasaufheizabschnitts mit dem Teststückaufnahmeabschnitt benötigt, wodurch keine Wärmeverluste in der Leitung auftreten können und keine Probleme mit Abdichtungen gegen Gasverluste entstehen können.

Die erfindungsgemäße Korrosionsverlust-Messvorrichtung besteht vorzugsweise aus einem an beiden Enden geschlossenen Innenrohr aus Keramik, das längs der Mittelachse des Gasströmungsweges im Gasaufheizabschnitt und parallel zur Richtung der Gasströmung derart in einem Außenrohr aus Keramik angeordnet ist, dass ein doppelwandiger rohrförmiger Gasaufheizabschnitt entsteht. Der Raum zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr dient als Gasströmungsweg; in diesem Gasströmungsweg befindet sich als Füllstoff ein gasdurchlässiges keramisches Wärmeübertragungsmittel, das den Wärmeübergang beschleunigt. Mit diesem Aufbau wird die Gasströmung auf den Bereich in der Nähe der Innenseite des äußeren Rohrs beschränkt oder ausgerichtet, in dem die Strahlung vom erhitzten äußeren Rohr mittels des Wärmeübertragungsmittels durch Wärmeleitung wirkungsvoll auf das durchströmende Gas übertragen wird. Innerhalb des vom Gas durchströmten Querschnitts wird dadurch eine gleichmäßige Temperaturverteilung erhalten (d.h. die Temperaturunterschiede sind minimal). Zum Aufheizen des doppelwandigen Keramikrohrs kann eine Heizvorrich tung entweder außerhalb des äußeren Rohrs oder innerhalb des inneren Rohrs angeordnet werden. Alternativ können Heizvorrichtungen sowohl außerhalb des äußeren Rohrs als auch innerhalb des inneren Rohrs angeordnet werden. Durch das Innenrohr kann auch ein Heizmedium geleitet werden.

Bei der erfindungsgemäßen Korrosionsverlust-Messvorrichtung kann im Außenrohr parallel zur Gasströmungsrichtung im Gasströmungsweg des Gasaufheizabschnitts eine Anzahl von Innenrohren aus Keramik angeordnet sein, durch die ein Heizmedium geführt wird. Im Zwischenraum zwischen dem Außenrohr und den Innenrohren befindet sich das gasdurchlässige keramische Wärmeübertragungsmittel, durch das das atmosphärische Gas strömt und sich dabei erhitzt. Außerhalb des Außenrohrs und/oder innerhalb wenigstens eines der Innenrohre können Heizvorrichtungen installiert sein. Die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung innerhalb des vom Gas durchströmten Querschnitts wird mit diesem Aufbau weiter erhöht.

Erfindungsgemäß ist die Querschnittsfläche, die das Gas im Gasaufheizabschnitt durchströmt, größer als die Querschnittsfläche des Teststückaufnahmeabschnitts. Es kann damit eine große Gasmenge wirkungsvoll aufgeheizt werden, und die Strömungsgeschwindigkeit im Teststückaufnahmeabschnitt erhöht sich, so dass am Teststück ein nennenswerter Korrosionsverlust auftritt. Zwischen dem Auslass des Gasaufheizabschnitts mit großem Querschnitt und dem Einlass des Teststückaufnahmeabschnitts mit kleinerem Querschnitt kann ein Strömungsbegrenzungsabschnitt vorgesehen sein, in dem sich die Querschnittsfläche, durch die das Gas strömt, allmählich verringert. Alternativ kann der Auslass des Gasaufheizabschnitts aus einer Wand (Platte) mit einer Öffnung darin bestehen, und der Einlass des Teststückaufnahmeabschnitts, der im wesentlichen den gleichen Querschnitt wie die Öffnung aufweist, ist direkt an die Öffnung angesetzt. Wegen der gleichmäßigeren Zuführung des aufgeheizten Gases zum Teststückaufnahmeabschnitt ist ein Aufbau mit dem genannten Strömungsbegrenzungsabschnitt vorzuziehen, mit dem das Gas aus den Gasströmungswegen im Gasaufheizabschnitt besser auf den Teststückaufnahmeabschnitt konzentriert wird.

Bei der erfindungsgemäßen Korrosionsverlust-Messvorrichtung gibt es keine Beschränkung hinsichtlich der Form und der Art des Teststückaufnahmeabschnitts, der Form und der Art und anderer Eigenschaften des Teststücks, das in den Teststückaufnahmeabschnitt verbracht wird, und der Art des Festhaltens oder Anordnens des Teststücks, solange sich das Teststück nur in der Strömung des aufgeheizten atmosphärischen Gases befindet. Zum Beispiel kann das gesamte Teststück (mit der Ausnahme eines Halteabschnitts) in die Gasströmung einge bracht werden. Alternativ kann ein Teststück (in Zylinderform, Ringform, Plattenform usw.) auf der gesamten oder einem Teil der Innenwand des Gasströmungsweges im Teststückaufnahmeabschnitt angeordnet werden, so dass das Gas über eine Oberfläche des Teststücks strömt. Zwei oder mehr Teststücke aus verschiedenen Materialien können gleichzeitig in den Teststückaufnahmeabschnitt eingebracht werden. Die Art, wie das Teststück festgehalten wird, ist in keiner Weise beschränkt. Zum Beispiel können in der Wand des Teststückaufnahmeabschnitts Löcher zum Einführen des Teststücks vorgesehen sein, die einander gegenüberliegen und in denen das Teststück gehalten wird. Das Teststück kann auch durch Stifte in oder an der Wand des Teststückaufnahmeabschnitts gehalten werden. In einem zylinderförmigen Teststückaufnahmeabschnitt kann ein Abschnitt einen größeren Durchmesser aufweisen, in den ein ringförmiges Teststück so eingesetzt wird, dass seine Oberfläche zur Oberfläche des übrigen Teststückaufnahmeabschnitts bündig ist.

Bei der erfindungsgemäßen Korrosionsverlust-Messvorrichtung ist vorzugsweise die Querschnittsfläche an der Abgabeseite des Gasauslasses des Teststückaufnahmeabschnitts, durch die das Gas beim Verlassen des Teststückaufnahmeabschnitts strömt, größer als die Querschnittsfläche des Teststückaufnahmeabschnitts; und im Gasströmungsweg ist an der Abgabeseite des Gasauslasses des Teststückaufnahmeabschnitts ein keramischer Strahlenschild vorgesehen; und der Gasaufheizabschnitt, der Teststückaufnahmeabschnitts und der keramische Strahlenschild werden in einen Heizofen gebracht. Durch das Vergrößern der Querschnittsfläche, die das Gas an der Abgabeseite des Gasauslasses des Teststückaufnahmeabschnitts durchströmt, gegenüber dem Querschnitt des Teststückaufnahmeabschnitts verringert sich die Strömungsgeschwindigkeit des Gases an der Abgabeseite des Gasauslasses des Teststückaufnahmeabschnitts, wodurch der Druckverlust kleiner wird. Ein Anstieg des Drucks im Gasströmungsweg der Korrosionsverlust-Messvorrichtung wird damit verhindert. Das dichte Verschließen des Keramikrohrs wird dadurch erleichtert. Durch das Vorsehen des keramischen Strahlenschilds im Gasströmungsweg an der Abgabeseite des Gasauslasses des Teststückaufnahmeabschnitts wird auch die Temperatur an der Gasauslassöffnung des Teststückaufnahmeabschnitts hoch gehalten, so dass an dieser Stelle keine Abkühlung erfolgt. Darüberhinaus wird ein Temperaturabfall am Teststück durch Wärmeabstrahlung verhindert.

Die erfindungsgemäße Korrosionsverlust-Messvorrichtung umfasst ein Keramikrohr und außerdem gegebenenfalls ein keramisches Wärmeübertragungsmittel und einen keramischen Strahlenschild. Diese keramischen Elemente kön nen aus keramischen Oxiden bestehen, die relativ korrosionsbeständig sind (z.B. aus ZrO₂, HfO₂ oder einer Mischung davon), oder aus keramischen Oxidkomplexen, die ebenfalls relativ korrosionsbeständig sind (z.B. Y₂SiO₅, Yb₂Si₂O₇ oder Lu₂Si₂O₇). Bevorzugt werden keramische Oxide wie ZrO₂, HfO₂ oder eine Mischung davon verwendet (Gesamtmenge an SiO₂- und Al₂O₃-Verunreinigungen: Ein Prozent oder weniger). Das Keramikrohr, das keramische Wärmeübertragungsmittel und der keramische Strahlenschild können in ihrer Gesamtheit aus einem keramischen Material bestehen. Alternativ besteht zumindest der Oberflächenbereich jedes Elements, der mit dem atmosphärischen Gas in Kontakt kommt, aus einem keramischen Material. Insbesondere kann ein hitzefestes Substrat verwendet werden, das mit dem keramischen Material beschichtet ist. Es kann die ganze Oberfläche des Substrats mit dem keramischen Material beschichtet sein oder nur der Abschnitt, der mit dem atmosphärischen Gas in Kontakt kommt. Durch die Verwendung von solchen keramischen Elementen wird ein Korrosionsverlust der Elemente vermieden, die im Weg der Gasströmung liegen.

Bei der erfindungsgemäßen Korrosionsverlust-Messvorrichtung besteht der Abschnitt der Vorrichtung, der sich vom Gasaufheizabschnitt zum Teststückaufnahmeabschnitt erstreckt und der mit dem heißen atmosphärischen Gas in Kontakt kommt, vorzugsweise aus einem keramischen Material, das frei von Komponenten ist, die auch im Teststück vorkommen (Sauerstoff ausgenommen). Wenn das Teststück zum Beispiel aus Al₂O₃ ist, besteht der mit dem heißen atmosphärischen Gas in Kontakt kommende Bereich der Messvorrichtung aus einem keramischen Oxid oder einem keramischen Komplex, das oder der kein Al enthält (z. B. aus ZrO₂ oder HfO₂), während, wenn das Teststück aus ZrO₂ ist, der entsprechende Bereich aus einem Material besteht, das kein Zr enthält (z.B. aus Al₂O₃). Damit kann der Korrosionsverlust des Teststücks mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, da auch dann, wenn die keramischen Elemente der Messvorrichtung im Gasströmungsweg einer Korrosion durch eine Reaktion mit dem Dampf im heißen Gas unterliegen, das Reaktionsprodukt sich von dem Reaktionsprodukt unterscheidet, das am Teststück entsteht, so dass die Messung des Korrosionsverlustes am Teststück davon nicht beeinflusst wird.

Bei der Messung des Korrosionsverlustes mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung liegt die mittlere Temperatur des atmosphärischen Gases im Gasströmungsweg der Vorrichtung vorzugsweise im Bereich von 1000 °C bis 1700 °C.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung für den Korrosionsverlust wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1A bis 1D schematisch eine Ausführungsform der Korrosionsverlust-Messvorrichtung;
2 das Temperaturprofil für das Gas in der Richtung der Gasströmung im Gasaufheizabschnitt der Messvorrichtung; und
3 graphisch die Abnahme der Masse eines Aluminiumoxid-Teststücks in Abhängigkeit von der Zeit im Verlauf der Messung des Korrosionsverlustes.
1A zeigt den Gesamtaufbau einer Ausführungsform der Korrosionsverlust-Messvorrichtung. In der 1A bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Gasaufheizabschnitt, 2 einen Strömungsbegrenzungsabschnitt, 3 einen Teststückaufnahmeabschnitt und 4 einen Gasabgabeabschnitt. Die Vorrichtung hat eine Gesamtlänge von etwa 400 mm. 1B zeigt die Form und die Abmessungen (in Millimeter) eines Teststücks. 1C zeigt einen Querschnitt durch die Vorrichtung längs der Linie A-A in der 1A, das heißt in Höhe der Teststückaufnahme, und 1D einen Querschnitt durch die Vorrichtung längs der Linie B-B in der 1A, das heißt in Höhe des Gasaufheizabschnitts.
Der Gasaufheizabschnitt 1 besteht aus einem doppelwandigen keramischen ZrO₂-Rohr, wobei das Außenrohr einen Innendurchmesser von 70 mm und das Innenrohr einen Außendurchmesser 20 mm hat. Der Gasaufheizabschnitt 1 hat eine Länge von 200 mm. Der Gasströmungsweg, der durch den Raum zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr führt, ist mit ZrO₂-Keramikkügelchen gefüllt, die als Strahlungsumwandlungs- und Wärmeübertragungsmittel dienen. Die Heizbedingungen in einem elektrischen Ofen werden so eingestellt, dass die Temperatur des atmosphärischen Gases am Auslass des Gasaufheizabschnitts etwa 1500 °C beträgt. Im Gasströmungsweg sind in der radialen Mitte des Gasströmungsweges in bestimmten Abständen vom Einlass des Gasaufheizabschnitts fünf Thermoelemente angeordnet, mit denen das Temperaturprofil im Gasaufheizabschnitt in der Richtung der Gasströmung bestimmt wird. 2 zeigt das Ergebnis einer Temperaturmessung mit diesen Thermoelementen.
Am Auslass des Gasaufheizabschnitts 1 ist der keramische Strömungsbegrenzungsabschnitt 2 aus ZrO₂ angeordnet, mit dem die Querschnittsfläche verringert wird, durch die das Gas strömt. Der Innendurchmesser am Einlass des Strömungsbegrenzungsabschnitts 2 ist mit 70 mm gleich groß wie der Innendurchmesser des Außenrohrs des Gasaufheizabschnitts 1. Der Auslass des Strömungsbegrenzungsabschnitts 2 hat einen Innendurchmesser von 16 mm.
Der Teststückaufnahmeabschnitt 3 für die Aufnahme eines Teststücks besteht aus einem keramischen kreisförmigen Rohr aus ZrO₂ mit einem Innendurchmesser von 16 mm, was dem Innendurchmesser des Auslasses des Strö mungsbegrenzungsabschnitts 2 entspricht. In der Wand des kreisförmigen Rohrs sind zwei Schlitze (Breite etwa 1 mm, Länge etwa 5 mm) vorgesehen, die einander in radialer Richtung gegenüberliegen. In die Schlitze wird ein plattenförmiges Teststück 5 (Größe 5 mm × 20 mm × 1 mm) aus Aluminiumoxid so eingesetzt, dass es vom dem keramischen ZrO₂-Rohr gehalten wird. Die Fläche des Teststücks, die senkrecht zur Gasströmungs in diesem liegt, beträgt dabei etwa 16 mm² (1 mm × 16 mm). Demgegenüber weist der Querschnitt des Gasströmungsweges im Teststückaufnahmeabschnitt 3 an dieser Stelle eine Fläche von etwa 185 mm² auf (3,14 × 8² mm² – 1 × 16 mm²). Mit anderen Worten beträgt, um eine Änderung in der Strömungsgeschwindigkeit der Gasströmung zu vermeiden, das Verhältnis der Querschnittsfläche des Teststücks zur Querschnittsfläche das Gasströmungsweges im Teststückaufnahmeabschnitt 3 etwa 10 oder mehr.
Der Gasabgabeabschnitt 4 besteht aus einem keramischen kreisförmigen Rohr mit einen Innendurchmesser von 60 mm. Ähnlich wie im Gasaufheizabschnitt befinden sich im Gasströmungsweg des Gasabgabeabschnitts 4 mit einer Schichtdicke von etwa 30 mm ZrO₂-Keramikkügelchen, die als Strahlungsumwandlungs- und Wärmeübertragungsmittel dienen.
Das atmosphärische Gas, das dieser Korrosionsverlust-Messvorrichtung zugeführt wird, ist eine Stickstoff-Dampf-Mischung aus gesättigtem Dampf (etwa 90 °C, etwa 53 %) und Stickstoff (etwa 47 %). Diese Mischung wird erhalten, wenn Stickstoff durch heißes Wasser (etwa 90 °C) strömt. Dieses atmosphärische Gas wurde einer Heizleitung mit 0,16 g/s zugeführt und in der Leitung auf etwa 200 °C aufgeheizt, anschließend dann dem Gasaufheizabschnitt 1 zugeführt. Im Ergebnis wurden damit am Einlass des Teststückaufnahmeabschnitts 3 bei 1500 °C die folgenden Bedingungen erhalten: Strömungsgeschwindigkeit etwa 5,4 m/s, Druck etwa 0,1 MPa, Dampf-Partialdruck etwa 58 kPa.
Bei dieser Korrosionsverlust-Messung wurde die zeitabhängige Änderung der Masse des Aluminiumoxid-Teststücks bestimmt. Das Ergebnis ist in der 3 gezeigt. Wie in der 3 zu sehen, nimmt die Masse des Teststücks mit der Zeit deutlich ab, was anzeigt, dass das Teststück einem merklichen Korrosionsverlust unterlag.

Claims

Korrosionsverlust-Messvorrichtung, bei der ein atmosphärisches Gas kontinuierlich über ein Teststück (5) geführt wird, wobei das atmosphärische Gas eine bestimmte Zusammensetzung hat und auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Gasaufheizabschnitt (1) zum Aufheizen des atmosphärischen Gases und einen Teststückaufnahmeabschnitt (3) zur Aufnahme des Teststücks (5) umfasst, wobei sich der Gasaufheizabschnitt (1) und der Teststückaufnahmeabschnitt (3) in einem einteiligen Keramikrohr befinden, das für die Verwendung in einem Heizofen vorgesehen ist, und wobei die Querschnittsfläche des Gasaufheizabschnitts (1), die das atmosphärische Gas durchströmt, größer ist als die Querschnittsfläche des Teststückaufnahmeabschnitts (3).
Korrosionsverlust-Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Gasaufheizabschnitt (1) aus einem Außenrohr und einem darin längs der Mittelachse des Gasströmungsweges parallel zur Gasströmungsrichtung derart eingesetzten Innenrohr besteht, dass ein doppelwandiges Rohrs entsteht, wobei der Raum zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr als Gasströmungsweg dient, und wobei in den Gasströmungsweg ein gasdurchlässiges keramisches Wärmeübertragungsmittel eingebracht ist.
Korrosionsverlust-Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Gasaufheizabschnitt (1) eine Anzahl von Innenrohren mit geschlossenen Enden enthält, die ein Heizmedium enthalten, wobei die Innenrohre parallel zur Gasströmungsrichtung im Gasströmungsweg angeordnet sind und der Gasströmungsweg zwischen dem Außenrohr und der Anzahl Innenrohre ein gasdurchlässiges keramisches Wärmeübertragungsmittel enthält.
Korrosionsverlust-Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Querschnittsfläche, die das Gas an der Abgabeseite des Gasauslasses des Teststückaufnahmeabschnitts (3) durchströmt, größer ist als die Querschnittsfläche des Teststückaufnahmeabschnitts (3); dass der Gasströmungsweg an der Abgabeseite des Gasauslasses des Teststückaufnahmeabschnitts (3) einen keramischen Strahlenschild enthält; und dass der Gasaufheizabschnitt (1), der Teststückaufnahmeabschnitt (3) und der keramische Strahlenschild im Heizofen angeordnet sind.
Korrosionsverlust-Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das keramische Material dafür Zirkoniumoxid, Hafniumoxid oder eine Mischung davon umfasst, wobei die Gesamtmenge an Siliziumdioxid- und Aluminiumoxidverunreinigungen 1 % oder weniger beträgt.
Korrosionsverlust-Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Gasaufheizabschnitt (1) und der Teststückaufnahmeabschnitt (3) jeweils in den Bereichen, die mit dem atmosphärischen Gas in Kontakt kommen, aus einem keramischen Material bestehen, das frei ist von Komponenten, die im Teststück (5) vorkommen (Sauerstoff ausgenommen).