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In einen Schmelzbehälter mit einer Schutzvorrichtung eingebauter Temperaturfühler
Beim Schmelzen und Gießen von beispielsweise Metallen, Legierungen, Schlacken oder
Glas spielt zur Erzielung einer hochwertigen Qualität die Temperatur der Schmelze
eine entscheidende Rolle. Deshalb sind kontinuierliche Temperaturmessungen von großer
Bedeutung.
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Temperaturdifferenzen, die während des Gießvorganges auftreten und
die Qualität des gegossenen Materials wesentlich beeinflussen, können durch entsprechende
Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit und der Transportzeiten der Schmelze auf
dem ganzen Weg vom Schmelzofen bis zu der Form, in der sie erstarrt, innerhalb gewisser
Grenzen reguliert werden.
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Zur kontinuierlichen Temperaturmessung in Schmelzöfen sind bereits
Konstruktionen bekannt, bei denen von außerhalb durch das Mauerwerk hindurch ein
Temperaturfühler schräg nach unten in die Schmelze, die sich in einem Mauerwerksvorsprung
befindet, eintaucht. Diese Ausführung eignet sich jedoch nur für stationäre Schmelzöfen
mit einem niedrigen Flüssigkeitsstand.
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Da bei der bekannten Konstruktion der obere Teil des Einführungskanals
immer oberhalb des Spiegels der Schmelze liegt, sind besondere Maßnahmen, die ein
Durchbrechen .der Schmelze verhindern, nicht notwendig.
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weiterhin ist es bekannt, den Einführungskanal für den Temperaturfühler
vollständig unterhalb des Spiegels der Schmelze anzuordnen und den Temperaturfühler
mit der Wandung des Behälters keramisch zu verkitten oder zu versintern. Bei dieser
Ausführung ist die Gefahr des Durchbrechens der Schmelze sehr groß, da der Kitt
insbesondere bei großen Schmelzbehältern einem hohen ferrostatischen Druck und Schubkräften
des Mauerwerks ausgesetzt und nicht geeignet ist, die eventuell durchbrechende Schmelze
in der Wandung zum Erstarren zu bringen. Sofern der Temperaturfühler in unmittelbarer
Nähe des Bodens des Schmelzbehälters angeordnet ist, läuft dann die gesamte Schmelze
aus.
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Es ist ferner bekannt, die Meßdrähte eines Thermoelementes in die
Wand eines Graphitschmelztiegels mit einzuformen. Da der Naturgraphit einer Alterung
unterliegt und dadurch die Anzeige des Thermoelementes beeinträchtigt wird, hat
man auch schon die Lötstelle des Thermoelementes in einen hochfeuerfesten, alterungsbeständigen
Werkstoff eingehüllt. Die Hülle der Lötstelle kommt bei der bekannten Ausführung
unmittelbar mit der Schmelze in Berührung. Das Thermoelement ist hier nicht in der
Lage, den Materialbewegungen im Graphit beim Erwärmen und Abkühlen zu folgen, und
ist daher erhöhter Bruchgefahr ausgesetzt. Die Einführung des Thermoelementes liegt
oberhalb des Schmelztiegels. Das Thermoelement selbst berührt nur in Höhe der Innenwand
des Graphittiegels die Schmelze, kann also die wahre Temperatur nur angenähert erfassen.
Eine Durchbruchsicherung kann hier entfallen, da der Thermoelementdraht völlig in
dem Material des Tiegels eingebettet ist.
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Hier knüpft die Erfindung an und stellt sich die Aufgabe, eine vollständig
unter dem Schmelzspiegel liegende Einführung für einen Temperaturfühler zu schaffen,
die eine genügende Sicherheit gegen ein Durchbrechen der Schmelze durch die Behälterwandung
und gleichzeitig eine hohe Lebensdauer des Temperaturfühlers gewährleistet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein in einen Schmelzbehälter mit einer
Schutzvorrichtung eingebauter Temperaturfühler mit Schutzröhrchen, dessen Einführungskanal
vollständig unterhalb des Spiegels der Schmelze liegt, vorgeschlagen, der sich dadurch
auszeichnet, daß der Temperaturfühler hinter einer Schicht feuerfester Masse von
einem gut wärmeleitenden Körper umgeben ist und dieser Körper gleichzeitig eine
Festigkeit besitzt, die der von kohlenstoffarmem Eisen entspricht, welches, ohne
abzuscheren oder wesentlich zu verformen, die Bewegungen der hochfeuerfesten Auskleidung
aufnehmen kann.
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Wird durch die Schmelze das Schutzröhrchen zerstört und kommt die
.einbrechende Schmelze mit dem den Temperaturfühler umgebenden Körper in Berührung,
so erstarrt sie auf Grund der hohen Wärmeleitfähigkeit des Körpers in der Wandung
des Behälters, und zwar innerhalb des Durchführungskanals für die Meßdrähte des
Temperaturfühlers. Es ist vorpeilhaft,
dem Körper hoher Wärmeleitfähigkeit
eine ionische Form zu geben, so daß zu der der Schmelze abgewandten Seite hin die
die Wärme ableitende :NTasse größer wird. Das Erstarren der Schmelze wird dadurch
beschleunigt, daß die im Durchführungskanal nach der Einlegung der Meßdrähte verbleibende
Spaltbreite nur wenige Millimeter beträgt. Hinzu kommt, daß der Durchführungskanal
für die Meßdrähte mit einer geeigneten Füllmasse, z. B. keramischem Kitt, nach außen
luftdicht verschlossen ist. Es bildet sich also innerhalb des Durchführungskanals
ein Luftpolster, durch das der Strömungswiderstand der eindringenden Schmelze erheblich
erhöht wird. Der Temperaturabfall innerhalb des den Temperaturfühler umgebenden
Körpers ist so beträchtlich, daß hei einem Eindringen der Schmelze in den Temperaturfühler
erfahrungsgemäß nur der vordere Teil der lIeßdrähte zerstört wird.
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Der den Temperaturfühler umgebende Körper verhindert jedoch nicht
nur ein Durchbrechen der Schmelze, sondern er nimmt auch die Bewegungen der hochfeuerfesten
Auskleidung des Schmelzbehälters auf. Bei der Einführung der Schmelze in den Schmelzbehälter
wird die Wandung derart stark erbitzt, daß die hochfeuerfeste Auskleidung sich ausdehnt.
Würde man den Temperaturfühler innerhalb eines Schutzröhrchens anordnen, das die
gesamte Wandung des Schutzbehälters durchtritt, so würden in diesem Röhrchen infolge
der Bewegung der hochfeuerfesten Masse Sprünge und Verschiebungen auftreten, so
daß z. B. ein Auswechseln des verklemmten oder abgescherten Thermoelementdralites
unmöglich wird. Der den Temperaturfühler unigebende Körper muß somit neben der hohen
Wärmeleitfähigkeit auch eine so große Festigkeit haben, daß er die Bewegungen der
Innenauskleidung des Schmelzbehälters infolge der hohen Wärmebelastung aufnehmen
kann, ohne Form und Richtung des Durchführungskanals wesentlich zu verändern oder
zu reißen und undicht zu werden. Als Werkstoff für den den Temperaturfühler umgebenden
Körper eignet sich z. B. kohlenstoffarmes Eisen.
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Verwendet man als Temperaturfühler ein Thermoeleinent, z. B. ein Platin-,
Platin-Rhodium-Thermoelement, so wird durch den den Temperaturfühler umgebenden
Körper großer Wärmeleitfähigkeit eine Diffusion des Rhodiums in den Platinschenkel
vermieden. Diese Diffusion stellt sich bei hohen Temperaturen ein und setzt die
Thermokra.ft herab.
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Durch den starken Temperaturabfall innerhalb des Bereiches des gut
wärmeleitenden Körpers wird aber eine derartige Diffusion verhindert, so daß nur
das vordere Stück des Thermoelementes ausgewechselt zu werden braucht. Das Thermoelement
läßt sich leicht auswechseln, da der Körper hoher Wärmeleitfähigkeit Form und Richtung
des Durchführungskanals erhalten hat.
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Gegenüber den bekannten Ausführungen zeichnet sich das Schutzröhrchen
bei der erfindungsgemäßen Konstruktion durch eine geringe Länge aus. Da das Schutzröhrchen
nach einigen Temperaturmessungen von etwa 1700° C ausgewechselt werden muß, sind
die im Betrieb anfallenden Kosten für das Schutzröhrchen ebenfalls sehr gering.
Die Lebensdauer des Schutzröhrchens ist relativ groß, da es vollständig unterhalb
des Spiegels der Schmelze liegt und somit nicht mit den Metalldämpfen und der Schlacke
in Berührung kommt.
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Die erfindungsgemäße Konstruktion kann, da Vakuumdichtigkeit gewährleistet
ist, in die Wandung von Behältern eingebaut werden, in denen die Schmelze einer
Vakuumbehandlung unterzogen wird und die vor dem Einfüllen der Schmelze evakuiert
werden.
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Weitere Kennzeichen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
und der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform, die sich besonders bewährt
hat.
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Fig. 1 zeigt die Gesamtansicht eines Behälters zur Aufnahme der Schmelze
mit einer schwalbennestförmig angebauten Schutzvorrichtung; Fig. 2 zeigt die Einzelheiten
der Konstruktion nach Fig. 1 im Schnitt.
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Auf eine Gieß- oder Zwischenpfanne 1, die mit dem üblichen 'Alauerwerk
3 ausgekleidet ist, wird ein beispielsweise schwalbennestförmiger Aufbau 11 zum
Schutz gegen ein Durchbrechen der Schmelze angeflanscht. Die Schutzvorrichtung ist
nach außen ebenfalls über Flansche 12 abgedichtet. Um zu verhindern, daß zwischen
dem Flansch 10 der Schutzvorrichtung und dem Pfannenpanzer 9 Luft eindringt oder
durchbrechende Schmelze ausströmt, kann der Flansch 10 zusätzlich angeschweißt werden.
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In die Bohrung 2 des Mauerwerks 3 der Pfanne 1 und des Pfannenpanzers
9 wird ein Körper 6 großer Wärmeleitfähigkeit, beipielsweise ein kohlenstoffarmer
Eisenkern, eingeführt, der für die Durchführung des Temperaturfühlers durchbohrt
ist. :eben der großen Wärmeleitfähigkeit muß der Körper 6 eine derart hohe Festigkeit
aufweisen, daß er die Bewegungen der hochfeuerfesten Auskleidung aufnehmen kann.
Der Körper 6 kann z. B. aus kohlenstoffarmem Eisen hergestellt werden, so daß er,
ohne rissig zu werden, den Bewegungen der hochfeuerfesten Auskleidung standhalten
kann. Für den Körper 6 kann, abweichend von der geraden Form, auch eine in Richtung
der Schutzvorrichtung 11 konisch erweiterte Form gewählt werden. Er wird an der
Schutzvorrichtung 11 über den Flansch 10 mit der durchbohrten Schraube 8 festgeschraubt.
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In den Körper 6 wird von der Pfanne aus das Schutzröhrchen 4, das
aus metallkeramischem Werkstoff, beispielsweise aus Molybdän und Aluminiumoxyd,
gefertigt ist, mit dem Temperaturfühler mit Hilfe von ausgeglühtem Asbest eingesetzt,
und zwar vorzugsweise so weit, daß das Schutzröhrchen 4 mit seiner Spitze etwa 25
mm über das Mauerwerk in den Pfannenraum hineinragt. Bei einer Wandstärke des Schutzröhrchens
von etwa 5 mm liegt bei Verwendung eines Thermoelementes damit dessen Lötstelle
20 mm tief im Pfannenraum, so daß der Temperaturabfall infolge der Wärmeableitung
von der Schmelze zur Behälterwand das Meßergebnis nicht beeinflußt.
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Der Raum 7 vor und zwischen Eisenkern 6. Mauerwerk 3 und Schutzröhrchen
4 wird zweckmäßig mit feuerfestem Mörtel ausgestampft.
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Der Temperaturfühler, in dem dargestellten Beispiel das Thermoelement
5, dessen Schenkel beispielsweise aus Platin und Platin-Rhodium bestehen, wird durch
den Eisenkern und eine Verschraubung 8 herausgeführt und der Draht beim Austritt
aus der Verschraubung mit widerstandsfähigem Kitt so verkittet, daß der Ram innerhalb
des Schutzröhrchens und des Eisenkernes praktisch luftdicht abgeschlossen ist.
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Die Schutzvorrichtung 11 wird mit trockenem, besonders feinkörnigem
Quarzsand, der als zusätzlicher Schutz wirkt, gefüllt.
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Bei Verwendung von Thermoeleinenten kann für die Anzeige der gemessenen
Temperaturen die
Thermospannung durch einen Fotozellenkompensator
verstärkt und der Temperaturverlauf während des Gießens mit einem Linienschreiber
registriert werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion ist es möglich, den genauen
Temperaturverlauf in einer Schmelze, die sich in einem Behälter befindet, während
des Gießens stetig zu verfolgen und damit die Qualität des gegossenen Materials
günstig zu beeinflussen.
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Sollte die Schmelze wider Erwarten innerhalb der Wandung des Schmelzbehälters
durch den den Temperaturfühler umgebenden Körper nicht zum Erstarren gebracht werden,
so wird sie auf jeden Fall in der Sandfüllung der schwalbennestförmigen Schutzvorrichtung
aufgehalten und kann in der Schmelzanlage selbst keinen Schaden anrichten.