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Die
Erfindung betrifft einen Behälter
für Metallschmelze
mit einer in einer Öffnung
einer Behälterwand
angeordneten Temperaturmesseinrichtung, wobei die Temperaturmesseinrichtung
eine in den Behälter
ragende, an ihrem im Behälter
angeordneten Ende geschlossene Schutzhülle und ein in einer Öffnung der
Schutzhülle
angeordnetes Temperaturmesselement aufweist. Des weiteren betrifft
die Erfindung die Verwendung des Behälters sowie ein Verfahren zur
Ermittlung einer Grenzfläche
zwischen zwei übereinander
liegenden in einem Behälter
angeordneten Materialien, insbesondere zwischen einer Schlackeschicht
und darunter angeordneter Stahlschmelze.
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Derartige
Behälter
sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise ist aus dem
deutschen Gebrauchsmuster GM 7228088 bekannt, ein Thermoelement
in einer Wand einer Stahlpfanne anzuordnen. Das Thermoelement ist
in einem Stahlrohr angeordnet, welches von einer keramischen Schutzschicht
umgeben ist.
DE 1 054 735 offenbart
einen Schmelztiegel für
Metalle, in dessen Wand ein Temperaturfühler eingesetzt ist. Der Temperaturfühler weist
ein Schutzrohr aus einem metallkeramischen Werkstoff wie Molybdän und Aluminiumoxid
auf. Das Schutzrohr ragt mit seiner Spitze etwa 25 mm in die Seite
des Tiegelraum hinein.
US 3,610,045 offenbart einen
Schmelztiegel für
eine Eisenschmelze, in dessen Seitenwand ein Thermoelement angeordnet
ist. Das Thermoelement ist durch eine konische Schutzhülle aus
Aluminiumoxid und Siliziumoxid geschützt. Ein ähnlicher Behälter ist
aus
EP 314 807 B1 bekannt.
Auch in diesem Behälter
ist ein Thermoelement durch die Wand hindurchgeführt ins Innere des Behälters hinein.
Das Thermoelement ist geschützt durch
ein Aluminiumoxidröhrchen,
welches wiederum im Inneren des Behälters von einer Bornitritschutzhülle umgeben
ist.
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Aus
US 6,309,442 B1 ist
ein Behälter
für Metallschmelzen
bekannt, an dessen Innenseite Kontakte aus Zirkoniumdioxid oder
Thoriumdioxid übereinander
liegend angeordnet sind, um die Höhe der Grenzschicht zwischen
der Metallschmelze und der Schlacke zu messen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Behälter für Metallschmelzen derart zu
verbessern, dass die Temperatur der darin befindlichen Schmelze
möglichst
genau über
einen längeren
Zeitraum gemessen werden kann. Der Erfindung liegt weiterhin die
Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren zur Grenzflächenbestimmung
weiter zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Dadurch, dass
der eingangs charakterisierte Behälter eine Schutzhülle aufweist aus
einem hitzebeständigen
Metalloxid und Graphit und dass das geschlossene Ende der Schutzhülle mindestens
50 mm, vorzugsweise etwa 75 bis 200 mm von der Behälterwand
beabstandet ist, kann die tatsächliche
Temperatur der Metallschmelze gemessen werden, ohne dass eventuelle
von der Tiegelwand ausgehende Kühleffekte
die Messwerte beeinflussen. Gleichzeitig ist die Schutzhülle ausreichend beständig gegenüber der
aggressiven Metallschmelze, insbesondere einer Stahlschmelze und
damit für einen
langzeitigen Einsatz geeignet. Das Temperaturmesselement mit der
Schutzhülle
kann vorzugsweise im Boden des Behälters angeordnet sein, so dass
es auch bei niedriger Füllhöhe zur Messung
genutzt werden kann. Die Schutzhülle
weist vorzugsweise im wesentlichen Aluminiumoxid und Graphit auf,
wobei Aluminiumoxid insbesondere einen Anteil von etwa 20 bis etwa
80 Gew.-% und Graphit einen Anteil von etwa 5 bis etwa 60 Gew.-%
aufweisen kann. Die Schutzhülle
kann darüber
hinaus Kohlenstoff in anderer Form als Graphit enthalten und/oder weitere
feuerfeste Oxide. Innerhalb der Schutzhülle ist das Temperaturmesselement,
vorzugsweise ein Thermoelement, zweckmäßigerweise von einem Schutzrohr
umgeben, welches vorzugsweise aus Aluminiumoxid gebildet ist. Zweckmäßig ist
es, dass der äußere Durchmesser
des Schutzrohres etwa 0,1 bis 1 mm kleiner ist als der innere Durchmesser
der Öffnung
der Schutzhülle.
Die Schutzhülle
kann zumindest in einem Teil ihrer Länge eine äußere konische Form mit zum
Inneren des Behälters
hin geringer werdendem Durchmesser aufweisen, um einen sicheren
Einbau in der Behälterwand
und eine ausreichende Stabilität
der Schutzhülle
zu ermöglichen. Des
weiteren kann es zweckmäßig sein,
dass an der Schutzhülle
ein ins Innere des Behälters
ragender Sensor zur Bestimmung einer Materialänderung beziehungsweise einer Änderung
von Materialeigenschaften, insbesondere ein elektrochemischer, elektromagnetischer
oder optischer Sensor oder ein Sensor zur Erfassung einer elektrischen Spannung und/oder
eines elektrischen Stroms und/oder eines elektrischen Widerstands
angeordnet ist, da hiermit Grenzflächenmessungen zwischen der
Metallschmelze, insbesondere der Stahlschmelze und der darauf liegenden
Schlacke möglich
werden. Sobald der Sensor die Grenzfläche berührt, ändert sich das vom Sensor aufgenommene
Signal und zeigt damit das Erreichen der Grenzfläche an. Es kann weiterhin vorteilhaft
sein, dass in der Öffnung
der Behälterwand
zwischen der Behälterwand
und der Schutzhülle
eine Buchse aus feuerfestem Material, vorzugsweise aus Mullit, angeordnet
ist, wobei die Buchse eine konische Form mit einem zum Inneren des
Behälters
hin geringer werdenden Durchmesser aufweisen kann.
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Erfindungsgemäß kann der
Behälter
als Gießpfanne,
insbesondere für
Stahlschmelzen, verwendet werden. In einer Gießpfanne, einem sogenannten
Tundish, ist die Metallschmelze stets bewegt, so dass eine besonders
hohe Stabilität
der relativ weit in den Behälter
hinein ragenden Messeinrichtung erforderlich ist. Die Gießpfanne
wird üblicherweise
vorgeheizt, so dass auch die Messeinrichtung vorgeheizt ist. Dies
führt zu
sehr kurzen Reaktionszeiten, so dass das Temperaturmessgerät sehr schnell
seine Gleichgewichtstemperatur mit der Schmelze erreicht und die
Messung sehr schnell erfolgen kann.
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Die
Aufgabe wird für
das eingangs charakterisierte Verfahren dadurch gelöst, dass
innerhalb des unteren, in dem Behälter angeordneten Materials
ein Sensor zur Bestimmung einer Materialänderung beziehungsweise einer Änderung
von Materialeigenschaften, insbesondere ein elektrochemischer, elektromagnetischer
oder optischer Sensor oder ein Sensor zur Erfassung einer elektrischen
Spannung und/oder eines elektrischen Stroms und/oder eines elektrischen
Widerstands angeordnet wird und dass das Messsignal des elektrochemischen
Sensors während
des Ausgießens
oder Ausfließens
des Behälters
aus dem Behälter
gemessen und eine Signaländerung
bei Berührung
des Sensors mit der Grenzfläche
zwischen den Materialien festgestellt wird. Vorzugsweise wird die
Signaländerung
der Entfernung der Grenzfläche
vom Boden des Behälters
zugeordnet. Des weiteren kann es zweckmäßig sein, dass bei Signaländerung
der Vorgang des Ausgießens
oder Ausfließens
beendet wird. Dazu wird das Messsignal gleichzeitig dazu benutzt,
dem den Ausgieß-
oder Ausfließvorgang
steuernden Gerät
ein Signal zu senden, aufgrund dessen der Ausgieß- oder Ausfließvorgang
beendet wird.
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Trotz
der relativ großen
Länge,
mit der die Schutzhülle
in die Schmelze hineinragt, weist die Vorrichtung eine ausreichende
Stabilität
auf, so dass eine Messung der Temperatur der Metallschmelze und
eine Messung der Lage der Grenzfläche zwischen Metallschmelze
und darauf aufliegender Schlacke möglich ist.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt
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1 einen
Querschnitt durch die in der Behälterwand
angeordnete Temperaturmesseinrichtung und
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2 das
geschlossene Ende der Temperaturmesseinrichtung mit elektrochemischem
Sensor.
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Die
erfindungsgemäße Messeinrichtung weist
eine Buchse
1 aus Mullit auf. Diese wird in dem Boden einer
in der Zeichnung aus Übersichtsgründen nicht
dargestellten Gießpfanne
für Stahlschmelze
angeordnet. Derartige Gießpfannen
sind beispielsweise aus der bereits genannten
US 6,309,442 B1 (vgl.
1,
Ziff.
16) den Fachkreisen bekannt. In der Buchse
1 ist
die Schutzhülle
2 angeordnet.
Die Schutzhülle
2 besteht
im wesentlichen aus einem Gemisch aus Aluminiumoxid und Graphit.
Die Schutzhülle
2 verläuft zumindest
in dem in der Buchse
1 angeordne ten Teil konisch. Dies
ermöglichst eine
leichtere Entnehmbarkeit aus der Buchse
1 zum Austausch
der Schutzhülle
2 mit
dem Temperaturmesselement
3. Das Temperaturmesselement
3 ist von
einem geschlossenen Aluminiumoxidrohr
4 innerhalb der Schutzhülle
2 umgeben.
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Die
Schutzhülle 2 ist
mittels eines feuerfesten Zementes 5 in der Buchse 1 fixiert.
Die Spitze der Schutzhülle 2 ragt
etwa 120 mm in die Gießpfanne
hinein, so dass die an der Spitze des Temperaturmesselementes 3 erfolgende
Messung von Wandeinflüssen
der Gießpfanne
unbeeinflusst bleibt. Das dem Inneren der Gießpfanne abgewandte Ende des
Temperaturmesselementes 3 weist einen sogenannten Konnektor 6 auf,
der der mechanischen und elektrischen Kontaktierung des Messelementes 3 dient.
Die gesamte Anordnung aus dem Mullit der Buchse 1 und der
durch Zement 5 fixierten Schutzhülle 2 weist ein dichtes,
pulverfreies Material auf, so dass keine Leckagen im Falle eines
Bruchs eines Teils der Anordnung auftreten und Metallschmelze aus
der Gießpfanne
nicht auslaufen kann.
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2 zeigt
die in die Gießpfanne
hineinragende Spitze der Schutzhülle
2 mit
dem Temperaturmesselement
3 und einem elektrochemischen
Sensor
7. Der elektrochemische Sensor
7 ragt aus
der Schutzhülle
2 heraus
und ist mit feuerfesten Zement
8 fixiert. In dem feuerfesten
Zement
8 ist auch das Aluminiumoxidrohr
4 fixiert.
Der elektrochemische Sensor ist ein üblicher elektrochemischer Sensor
mit einem Zirkondioxydröhrchen
9 als
Festelektrolytmaterial, in wel chem die Referenzelektrode
10 in
einem Referenzmaterial
11 und einem Füllmaterial
12 angeordnet
ist. Derartige elektrochemische Sensoren sind prinzipiell bekannt,
beispielsweise aus
US 4,342,633 .
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Das
Temperaturmesselement 3 ist aus einem Thermoelement gebildet,
wobei die äußere Hülle aus
Aluminiumoxid besteht und einer der beiden Thermodrähte 13 in
einem beiderseitig offenen Aluminiumoxidrohr 14 verläuft. Sämtliche
elektrischen Leitungen führen
durch das Aluminiumoxidrohr 4 in den Konnektor 6 und
können
dort weiter verbunden werden mit einer Messeinrichtung. Die von
dem elektrochemischen Sensor 7 erzeugte Spannung hängt wesentlich
von der Messumgebung ab. Daher wird sofort eine Spannungsänderung
erfolgen, sobald sich diese Umgebung ändert. Dies ist beispielsweise der
Fall, wenn der Badspiegel der in der Gießpfanne befindlichen Stahlschmelze
sinkt und der elektrochemische Sensor 7 in Kontakt kommt
mit der über
der Schmelze angeordneten Schlackeschicht. Dadurch ist eine exakte
Bestimmung der Höhe
dieser Grenzschicht zwischen Stahlschmelze und Schlacke über dem
Boden der Gießpfanne
möglich.
Sobald der elektrochemische Sensor 7 die Grenzfläche erfasst, kann
beispielsweise über
ein weiteres Signal das Ausfließen
der Stahlschmelze aus der Gießpfanne durch
Schließen
des Ausgusses beendet werden. Grundsätzlich ist es möglich, mehrere
elektrochemische Sensoren 7 auch an dem Umfang der Schutzhülle 2 in
Längsrichtung
beabstandet anzuordnen, so dass auch die Änderung der Badhöhe der Metallschmelze
festgestellt werden kann. Statt eines elektrochemischen Sensors
können
auch andere Sensoren eingesetzt werden zu Feststellung der Änderung der
Materialeigenschaften im Grenzbereich von Stahlschmelze und Schlacke,
insbesondere elektrochemische, elektromagnetische oder optische
Sensoren oder Sensoren zur Erfassung einer elektrischen Spannung
und/oder eines elektrischen Stroms und/oder eines elektrischen Widerstands.