DE1933953A1

DE1933953A1 - Vorrichtung zum Messen der Stroemung von schmelzfluessigem Metall

Info

Publication number: DE1933953A1
Application number: DE19691933953
Authority: DE
Inventors: King Earle Cochran
Original assignee: Mine Safety Appliances Co
Current assignee: MSA Safety Inc
Priority date: 1968-07-17
Filing date: 1969-07-04
Publication date: 1970-01-29
Also published as: US3566684A; DE1933953B2; GB1267164A

Description

DR.-INa. DIHl—INO. M. SC. ^: DIPL.-PHYS. DR. . OIPl.-PHYS. HÖGER - STELLRECHT-GRIEiSSBACH - HAECKEfL PATENTANWÄLTE IN STUTTSART

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26. Juni 1969

MINE SAFETY APPLIANCES COMPANY 201 North Braddock Avenue
PITTSBURGH, Pansylvania 15208, USA

Vorrichtung zum Messen der Strömung von schmelzflüssigem Metall

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Strömung eines Stromes aus schmelzflüssigem Metall.

Elektromagnetische Strömungsmeßgeräte für elektrisch leitende fließfähige Stoffe beruhen auf dem Prinzip, daß ein elektrischer Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt, ein Potential erzeugt und zwar rechtwinklig zur Richtung des Magnetflusses und zur Richtung des sich bewegenden Leiters. Eine leitfähige Flüssigkeit, die in einer Rohrleitung fließt, wirkt unter diesem' . Gesichtspunkt wie ein sich bewegender fester Leiter, so daß das erzeugte Potential der Strömungsgeschwindigkeit direkt proportional ist, auch wenn ein Teil deserzeugten Potentiales

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durch die langsamer strömende Flüssigkeit in der Nähe der Wand der Rohrleitung oder wenn eine metallische Wand verwendet wird.. durch die Wand selbst kurz geschlossen wird.

^ Wenn die strömende Flüssigkeit ein schmelzflüssiges Metall mit hoher Temperatur ist, beispielsweise geschmolzener Stahl mit einer Temperatur von etwa 1538 C, der durch eine Entgasungseinheit strömt, ist die Konstruktion von Strömungsmeßgeräten mit Schwierigkeiten verbunden, da ein elektrischer Kontakt mit dem flüssigen Metallstrom hergestellt werden muß, ferner wegen der Größe des Stromes, der hohen Temperatur, der Verwendung einer keramischen Rohrleitung, und wegen der Änderung des Strömungsquerschnittes, da die Innenfläche der Leitung im Lauf der Zeit erodiert.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Strömungsmeßgerät zum Messen der Strömung von schmelzflüssigem Metall zu schaffen, das eine einwandfreie Messung der Geschwindigkeit der P Strömung ermöglicht. .

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß an die Rohrleitung, in der das schmelzflüssige Metall fließt, eine Zweigleitung aus elektrisch nichtleitendem Material angeschlossen ist, die mit dem Innern der Rohrleitung in Verbindung steht, daß in der Zweigleitung eine metallische Elektrode angeordnet ist, deren innerer Teil in geschmolzenem Zustand ist und in elektrischem Kontakt mit dem in der Rohrleitung strömenden schmelzflüssigen Metall steht und deren äußerer Teil in festem Zustand ist.

Die Zweigleitung ist zweckmäßigerweise durch den festen Metallteil der Elektrode abgeschlossen. Das durch das flüssige strömende

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Metall erzeugte elektrische Signal wird durch die Elektroden nach'außen zu einem elektromagnetischen Meßgerät geführt.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand "der Zeichnung erläutert, in der

Fig. ,1 eine Vorderansicht der erfindungsge- , . -; mäßen Vorrichtung zeigt. . ..

Fig. ,2^ zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung nach Fig.. 1 und ...-.-

Fig. 3- zeigt einen vergrößerten Schnitt eines . _;. . Teiles der Rohrleitung und der mit die- · ser verbundenen Zweigleitung, die die Elektroden enthält, längs.der Linie 3~3 von Fig. 2. . ."..'■■

In der Zeichnung ist eine Rohrleitung 1 aus elektrisch nichtleitendem feuerfesten Material dargestellt, durch die ein Strom aus schmelzflüssigem Metall fließt, beispielsweise geschmolzener Stahl, der eine Temperatur von etwa 1538° C hat. Die Rohrleitung kann ein Teil einer Entgasungseinheit sein, wie sie die Firma Ruhrstahl-Hereaus baut, oder eine Rohrleitung zum Endlosgießen von Stahl od.dgl. Um der Rohrleitung eine zusätzliche Festigkeit zu geben, kann sie einen nicht gezeigten Mantel aus rostfreiem Stahl oder einem ähnlichen nichtmagnetischen Material haben, durch das eine Ablenkung des Magnetfeldes im Meßbereich verhindert wird. Bei einer typischen Entgasungseinheit der beschriebenen Art ■

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kann die Rohrleitung 1 anfänglich einen Innendurchmesser von etwa 25 bis 30 cm haben und es können etwa 18000kg Stahl je Minute durch die Leitung fließen. Die Wand der Rohrleitung ist zweckmäßigerweise so dick ausgeführt, daß sie infolge der Erosion so viel Material verlieren kann, daß der Innendurchmesser der Rohrleitung um nahezu 50$ zunehmen kann. ·

In dem Abschnitt der Rohrleitung, in welchem die Strömungsmessungen durchgeführt werden, sind zwei Zweigleitungen 2 aus demselben Material wie_vdie Rohrleitung 1 in die Wand der Rohrleitung 1 eingesetzt und stehen über eine Bohrung 3 mit dem Innern der Rohrleitung 1 in Verbindung, wobei der Durchmesser der Bohrung 3 gleich dem Innendurchmesser der Zweigrohre ist. Diese Zweigrohre können wenn gewünscht ebenfalls durch einen Außenmantel (nicht gezeigt) aus nichtmagnetischem rostfreien Stahl verstärkt sein. Die inneren Enden der Bohrungen 3 liegen sich im wesentlichen diametral gegenüber, während die Achse eines jeden Zweigrohres 2 vorzugsweise um einen Winkel von etwa 15 zur Horizontalen nach unten geneigt ist, so daß die Zweigrohre von ihren Außenenden nach innen ansteigen, um zu verhindern, daß sich Gase in den Rohren ansammeln und die elektrische Leitung unterbrechen. In jedem Zweigrohr 2 ist eine Elektrode 4 aus Metall angeordnet. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen. So kann das sehmelzflüssige Metall aus dem Innern der Rohrleitung 1 durch die Zweigrohre geführt werden bis das Metall einen Punkt erreicht, an dem es sich in den Zweigrohren verfestigt und als Stopfen wirkt, der das Austreten des schmelzflüssigen Metalls verhindert. Die Zweigrohre 2 sind genügend lang, so daß der Wärmeaustausch ausreicht, um sicherzustellen, daß der Außenteil des geschmolzenen Metalles genügend gekühlt wird, so daß er in festen Zustand übergeht, wobei das " äußere Ende der Elektroden vorzugsweise eine Temperatur von

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etwa 150 G oder weniger hat. Jede so in den Zweigrohren gebildete Elektrode besteht aus einem geschmolzenem" Teil. A und einem festen Teil B, wobei der flüssige und der feste Teil - . ■" durch eine Trennfläche C an irgendeiner Stelle der Zweigrohre getrennt sind, die in Fig. 3 willkürlich eingezeichnet wurde. An den Außenenden jedes Zweigohres (oder der Elektroden) können Kühlrippen 6 angebracht sein, um eine zusätzliche Kühlung zu erreichen, wodurch die Zweigrohre kürzer ausgeführt werden können. Ferner kann,um die Außenenden dieser Elemente Kühlwasser geleitet werden.

Anstelle die Elektroden, wie oben beschrieben, durch den geschmolzenen Metallstrom zu bilden, kann auch in jedes Zweigrohr, ehe geschmolzenes Metall aus der Rohrleitung 1 eintritt, eine runde Stange aus kaltem Metall eingesetzt werden, das vorzugsweise dieselbe Zusammensetzung hat wie das geschmolzene Metall in der Rohrleitung 1. Der Aussendurchmesser der Stange sollte so gewählt sein, daß ein einigermaßen enger Sitz in dem Zweigrohr entsteht. Das innere Ende der Stange kann sich ins Innere der Rohrleitung 1 erstrecken, wobei in diesem Fall das durch die Rohrleitung 1 strömende geschmolzene Metall den inneren Teil jeder Elektrodenstange zum schmelzen bringt, wobei eine Elektrode gebildet wird, die wiederum einen flüssigen inneren Teil und einen festen äußeren Teil aufweist, die an einer Trennfläche aufeinander stoßen. Vorzugsweise erstreckt s^ich jedoch das innere Ende der

nicht
Elektrodenstange von Anfang an ins Innere der Rohrleitung 1, so daß das geschmolzene Metall aus der Rohrleitung 1 in die Zweigrohre eintritt und einen Kontakt mit der festen Elektrodenstange in der Bohrung 3 jedes Zweigrohres 2 herstellt. Ist zwischen dem

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äußeren Teil der Sänge und den Zweigrohren kein dichter Sitz vorhanden, so tritt etwas von dem geschmolzenen Teil der Stange oder etwas schmelzflüssiges Metall aus der Rohrleitung 1 in den Spalt zwischen der Stange und der Wana/Zweigrohre ein und verstopft diesen, so daß ein dichter Sitz zwischen der Elektrode· und der Wand des Zweigrohres erreicht wird.

In den meisten Fällen wird diese Methode zur Herstellung der Elektroden vorgezogen. Unter anderen Vorteilen erreicht man hiermit eine schärfer abgegrenzte Trennfläche zwischen flüssigem und festem Teil der Elektrode. Außerdem kann das äußere Ende der Elektrodenstange vor dem Einsetzen in das Zweigrohr aufgebohrt werden, um einen inneren Kanal für die Durchleitung von Kühlwasser zum Kühlen der Elektrode zu schaffen. Ein weiterer Vorteil ist der, daß eine zusammengesetzte Elektrode herstellbar ist, bei der die kalt in das Zweigrohr eingesetzte Stange beispielsweise aus rostfreiem Stahl bestehen kann, deren inneres Ende geschmolzen wird und zum Teil durch das geschmolzene Metall aus der Rohrleitung 1 ersetzt wird. Die Verwendung von rostfreiem Stahl für den Außenteil der Elektrode kann unter bestimmten Umständen erwünscht sein, um eine Ablenkung oder Verzerrung des angrenzenden Magnetfeldes über dem schmelz fluss igen Nbtall in der Rohrleitung 1 auf ein Minimum herabzudrücken. In diesem Bereich sollte die Elektrode nicht magnetisch sein, sie braucht dies aber am kalten Ende im allgemeinen nicht zu sein, da dieses gewöhnlich weit genug vom Magnetfeld des Strömungsmeßgerätes entfernt ist, so daß dieses hierdurch nicht beeinflußt wird. Demgemäß eignen sich auch normale magnetische Stähle zur Herstellung der Elektroden, da ihre Temperatur in der Nähe des Magnetfeldes über dem Curie-Punkt liegt, in welchem sie nicht-magnetisch werden. Wenn jedoch die Zweigrohre und die Elektro-

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den ausreichend gekühlt werden, so kann eine Elektrode aus normalerweise magnetischem Stahl kalt genug sein, so daß sie,wenn sie nahe bei dem Magnetfeld des Strömungsmeßgerätes liegt, dieses ablenken kann. Wenn die Elektrode zusammengesetzt ist und der kältere Teil aus einem normalerweise unmagnetischem rostfreien Stahl besteht, so ist keine Ablenkung feststellbar oder sie ist minimal. Obgleich solche zusammengesetzte Elektroden eine thermische elektromotorische Kraft an den Berührungsstellen zwischen den verschiedenen Metallen erzeugen'^ "sind diese Kräfte klein, da die Kontaktflächen in den beiden Elektroden im' wesentlichen dieselbe relative Temperatur haben.

Unabhängig davon, welche Methode zur Herstellung der teilweise flüssigen teilweise festen Elektrode angewandt wird, werden geeignete elektrische Kabel an die festen Außenenden der Elektroden angeschlossen und zu einer üblichen elektronischen Anlage (nicht gezeigt) geführt, um das elektrische Potential zu verstärken und zu messen, das in der Rohrleitung durch ein außen angelegtes elektrisches Feld erzeugt wird.

Das Magnetfeld kann durch einen Dauermagneten 11 erzeugt werden, der mit Polschuhen 12 versehen ist, die sich über und unter der Rohrleitung 1 erstrecken und zwar in unmittelbarer Nähe der Zweigrohre 2, die die Elektroden enthalten. Die Magneteinrichtung kann in geeigneter Weise neben der Rohrleitung oder darüber in einem Rahmen 13 eingebaut sein, der durch ,Seile 14 getragen wird, die in Haken 16 eingehängt sind, die oberhalb des Schwerpunktes der Magneteinrichtung angeordnet sind. Strömt das geschmolzene Metall in der Rohrleitung in der durch den Pfeil in Fig. 2 angegebenen Richtung und verläuft der magnetische Fluß vertikal durch die Rohrleitung hindurch, so entsteht ein elektrisches Potential

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horizontal über dem geschmolzenen Me tails "brom, das über die Elektroden und die elektrischen Kabel 17 zu einer Schalttafel l8 und von dort zu, einem nicht gezeigten Meßgerät geleitet wird.

Die erfindurigg|;emäße Elektrode durchdringt die Wand der elektrisch nichtleitenden .Rohrleitung, um einen elektrischen Kontakt mit dem geschmolzenen Metallstrom in der Rohrleitung herzustellen, wobei die Zweigrphre sich selbst abdichten, so daß kein geschmolzenes flüssiges Metall nach außen ausfließen kann. Die erfxndungsgemäße Vorrichtung paßt sich einer Abnahme der Wanddicke der Rohrleitung an, die infolge der Erosion durch das geschmolzene Metall hervorgerufen wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist einfach aufgebaut und zuverlässig im Betrieb.

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Claims

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Patentansprüche:

brrichtung zum Messen der Strönung eines Stromes aus geschmolzenem Metall, das durch eine Rohrleitungaus elektrisch nichtleitendemÄterial fließt, gekennzeichnet durch wenigstens ein Zweigrohr (2) aus elektrisch nichtleitendem Material, das in Verbindung mit dem Innern der Rohrleitung (X) steht, ferner durch eine Metallelektrode, die in dem Zweigrohr angeordnet ist, ferner dadurch, daß der innere Teil der Elektrode in geschmolzenem Zustand ist und in elektrischem Kontakt mit dem Strom aus geschmolzenem Metall in der Rohrleitung (1) steht, und daß der äußere Teil der Elektrode in festem Zustand ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch außerhalb der Rohrleitung (1) angeordnete Einrichtungen zur Erzeugung eines Magnetfeldes über einem vorgegebenen Abschnitt der Rohrleitung und quer zur Strömungsrichtung des geschmolzenen Metalles, ferner durch zwei Zweigrohre (2), die an gegenüberliegenden Seiten der Rohrleitung (1) angeordnet sind, um eine Spannungs-Meßstrecke zwischen sich quer zur Strömungsrichtung und quer zu dem Magnetfeld zu bilden, ferner dadurch, daß in jedem Zweigrohr (2) eine Elektrode angeordnet ist, um den elektrischen Kontakt mit dem geschmolzenen Metallstrom herzustellen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw, die Zweigrohre (2) nach oben zur Verbindungstelle mit der Rohrleitung (1) geneigt angeordnet sind, um zu verhindern, daß sich Oase in der oder den Zweigrohren ansammeln.

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4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode bzw. Elektroden durch einen Teil des durch die Rohrleitung (1) fließenden geschmolzenen
Metalles gebildet sind » der von der Rohrleitung (1) in die Zweigleitung'bzw. Steigleitungen abgezweigt wird und sich dort verfestigt.
5» Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode bzw. die Elektroden teilweise aus einer festen Stange gebildet sind, die in die Zweigrohre (2) eingesetzt sind, ehe das geschmolzene Metall durch die Rohrleitung (1) zu strömen beginnt, und daß ein weiterer Teil
jeder Elektrode aus dem geschmolzenen Metall gebildet ist, das aus der Rohrleitung (1) in die Zweigleitung bzw. Zweigleitungen geflossen ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn zeichnet durch eine Kühleinrichtung (6) zum Kühlen des Teils der Elektroden, die entfernt von der Rohrleitung (1) liegen.

7« Vorrichtung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß die feste Stange eine andere Zusammensetzung hat als das geschmolzene Metall in der Rohrleitung (1).

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