DE2206589A1 - Vorrichtung zur Messung des Sauerstoffgehalts von Strömungsmitteln bei erhöhten Temperaturen - Google Patents

Description

Vorrichtung zur Messung des Sauerstoffgehalts von Strömungsmitteln bei erhöhten Temperaturen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Sauerstoffgehalts und/oder der Aktivität von Strömungsmitteln bei erhöhten Temperaturen und befaßt sich insbesondere mit einem Gerät zur raschen Bestimmung des Sauer— stoffgehalts von flüssigem Stahl in einem Ofen oder Behälter ohne Entnahme einer Probe, Da sich die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere für den letztgenannten Zweck eignet und gegenwärtig dafür auch am dringendsten benötigt wird, wird dieser Verwendungszweck im folgenden besonders herausgestellt ο Die Erfindung ist jedoch auch zur Sauerstoffbestimmung in anderen Strömungsmitteln bei Temperaturen über annähernd 700° C anwendbar, so beispielsweise für den Sauerstoff, der sich in flüssigem Kupfer oder heißen Ofengasen befindet,

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

Bisher wurden Geräte zur Messung des Sauerstoffgehalts eines Strömungsmittels bei Temperaturen über annähernd 700 G im Labormaßstab entwickelt und gebaut, wobei als Strömungsmittel auch geschmolzener Stahl infrage kam. Für die praktische Arbeit wurde vorgeschlagen, ein preiswertes Gerät zu bauen, das eich nur einmal verwenden läßt. Ein solches Gerät weist einen massiven Elektrolytknopf auf, der so beschaffen ist, daß er mit dem Strömungsmittel in Berührung kommt, ferner ein metallisches Sauerstoffbezugsmaterialj das mit dem Elektrolytknopf in Berührung steht und sich bei der Betriebstemperatur nicht verflüchtigt, ein Thermoelement₉ einen elektronischen Leiter, der mit dem Strömungsmittel in Kontakt gebracht werden kann, ein Schutzrohr für das Bezugsmaterial, das Thermoelement und den elektronischen Leiter sowie elektrische Anschlüsse für diese Teile, wobei eine Anzeigeeinrichtung vorgesehen ist, die die durch den Kontakt mit dem Strömungsmittel und der Strömungsmitteltemperatur entwickelte EMK anzeigt·

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein solches Gerät so zu gestalten, daß es wiederholt benutzt werden kann, auch wenn es dadurch teuerer wird.

Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß ein Innenrohr geschaffen, bestehend aus einem Oxyd des Metalls des Sauerstoffbezugsmaterials, das als elektronischer Leiterweg wirkt, wobei das äußere Ende des Innenrohres durch den Elektrolytknopf abgedichtet wird und das mit dem Knopf in Berührung stehende Bezugsmaterial enthält» Ein Leitungsdraht verbindet das innere Ende des Innenrohres elektrisch mit der Anzeigeeinrichtungo Das Thermoelement erstreckt sich durch dieses Ende in das Innenrohr hinein und ist mit Leitungsdrähten versehen, die die elektrischen Verbindungen ;ait der Anzeigeeinrichtung bildeii, Schließlich ist auch ein Schutzrohr vorge-

sehen, das das Innenrohr umgibt, den Leitungsdraht des Innenrohres und die Leiter des Thermoelementes umschließt und mit seinem äußeren Ende mit dem Elektrolytknopf in abdichtender Berührung steht, wobei der elektronische Leiter außerhalb des Schutzrohres angeordnet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform und Fig. 2 eine teilweise weggebrodiene und geschnittene Aufrißansicht einer anderen Ausführungsform.

In Figo 1 bezeichnet das Bezugszeichen 2 ein metallenes inneres Oxidrohr, dessen unteres oder äußeres Ende durch einen Elektrolytknopf k dicht verschlossen ist. Der Elektrolytknopf h besteht aus Zirkonoxid, ZrO„, das 3 bis 10 fo CaO enthält. Das obere oder innere Ende des Innenrohres ist durch eine Molybdänkappe 6 abgedichtet. Um die bestmögliche Arbeitsweise zu erreichen, wird der Knopf so klein wie möglich gehalten. In dem Rohr 2 befindet sich ein Sauerstoffbezugsmaterial 8, das mit dem Knopf h in Berührung steht«. Das Bezugsmaterial 8 muß ein Material sein, das sich bei der Betriebstemperatur nicht verflüchtigt, und vorzugsweise wird dafür Chrom oder eine Chromlegierung verwendet, beispielsweise eine Ni-Cr-Legierung_o Zu diesem Zweck können jedoch auch Mo, Ta oder eine Legierung dieser Elemente benutzt werden. Das Rohr 2 muß ein Oxid des Bezugsmetalls sein, darf bei der Betriebstemperatur nicht schmelzen und muß bei dieser Temperatur als elektronischer Leiter wirken. Das Rohr besteht vorzugsweise aus Cr₂O^₀ Durch die Kappe 6 erstreckt sich ein Thermoelement 10, dessen unteres Ende in das Rohr hineinreicht. Das Thermoelement 10 kann ein genormter, geradegerichteter Bautyp sein, dessen beide Drähte durch einen

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hitzebeständigen Zwei-Loch-lsolator lauien, i&t jedoch vorzugsweise ein genormter U-Rohr~Typ, in dem ein Draht in jedeii: Schenkel des U-Rohres befestigt und in der Mitte des Rohres verbunden ist. Ein derartiges Thermoelement zeigt die USA-Patentschrift 2,999,1^1 oder die USA-Patentsclirii t 3,298,874« Ein hitzebeständig isolierter Molybdäijdraht 12 erstreckt sieh durch die Kappe 6 hindurch in das Iimenrchr 2 hinoin und wird durch die Feststellschraube 14 an Ort und Stelle gehalten· Ein Schutzrohr 16 aus Quarz umgibt das Innenrohr 2 und steht mit seinem unteren Ende mit dem Knopf k in liichtungsberührung, wobei sich der Knopf nicht über das 'mie des Rohres 1(S hinauserstreckt« Das Rohr 16 ist an seinem obeien Lude mit einem rudi nach außen gerichteten Flansch IbF vrrse'ien,, Zur F r ?· t^j 1 tuig des bestmöglichen Betriebs sollte zwischen den Rohren 2 und 36 ein geringer Spalt von beispielsweise i mm vorgesehen werden, um dadurch zu verhindern, daß das Rohr Ib infolge der i.ärmedehnung bricht. Ein äußeres oder aus einer Keramik-Metallverbindung bestehendes Rohr 38, umgibt eng das .Schutzrohr 16" und besitzt einen nach iuueu zu abgeschrägten Jioden, in dei» üieh eine Öffnung beiindet, durch die hindurch der Knopf h dem zu analysierenden Stromungsmittel 1 ausgesetzt xviid. Das Rohr 18 muß hue ρ.ι:ϋ.Φ· :''Mt';ia] ijOi-teiiej), ^fias ei'» eiokti oriisohei: Leitei ist um"; bei lu: Vj i el ■ ·■- oder Ver^enuung^tomiieriatur nicht schmilz; Seine in οι. λ j I i sei « ".!.·<- sollte der jeiii//_:: dor Kappe (S uimI dt.·-" DraJittui j LI entsj⁵?.·-' -P^i-, da pciist eii'< 1 bf-rmcelf k^-rische KoTicUinr der ·■'<;,. !":■<> -ieii ire j > ί i whei> > ■ \ λ ge ii ^.ί ertei;

oufc A).Xt., i! if ;-t'.-^y!)'iäji l^u ui;. i_o Eine «r. ^: e .·-;., ^Uj Ixii.i-n^e«·- 1π<1 ^vereei;ijne ^ihs^ Jt.s π;ιι;.11μ dir FJ ans el¹" Γ «um JSF und ±>· < mit p7 üP!ti i'?od(M'; f '. ;t.r ■'..-ii i'Oi ve : s ?Φ<?Γ. _f >.» ' :τ;- ti <?;?.; ί 1 ^,ii^:·;: ." \^: •'inJir^' 1 hip h ,<}" ... dir ρ, i'ii m' ·. ·;-Ί Hdo ^ ·■ ι P. ?;iif ■! ■>'^l

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dor vorzugsweise aus Molybdän besteht, ist mit Hilfe einer Schraube 30 an der Kappe 22 befestigt. Die Hülse 20 und die Kappe 22 müssen elektrisch leitend sein und werden vorzugsweise aus dem gleichen Metall hergestellt, das als Metallphase bei dem aus einer Keramik-Metall-Verbindung bestehenden Rohr 18 benutzt wird, wobei, wenn diese Teile aus rostfreiem Stahl hergestellt werden, kein wesentlicher thermoelektrischer Fehler entsteht, falls die Benutzung bei einer im wesentlichen einheitlichen Temperatur erfolgt« Die Thermoelementdrähte 10 und Drähte 12 und 28 sind an ein Potentiometer 32 angeschlossen· Wenn die zusammengebaute Einheit in einem Metallbad F angeordnet werden soll, wobei ein Teil des Keramik-Metall-Rohres 18 der Schlacke oder dem Strömungsmittel ausgesetzt wird, wird über diesem Teil des Rohres 18, der auf diese Weise freiliegt, vorzugsweise eine hitzebestäudige Oxidhülse 3^ hus einem Material angeordnet, das gegen Temperaturen über 700° G beständig und auch oxidafcionsbestUmlig ist» Aus Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid hergestellte Hülsen gelten beispielsweise als derartige schützende, hitzebesbändige Materialien, wobei jedoch andere hitzebeständige Oxide oder Oxidkombinationen nicht ausgeschlossen sindc Dazu kommt, daß dann, wenn der Fühler wahrend des Eintauchens eine Schlackenechicht durchdringen soll, eine Metallkuppe 36 über dem Ende des Fühlers plaziert wird, um den Elektrolyten zu Schützern* Diese Kappe muß aus einem Material gefertigt sein, das schmilzt, wenn es mit dem geschmolzenen Metall in Berührung kommt_e Beim Messen des Sauer— s toffgohnl ta νυη Stuhl wird guwohnlieh eine stählerne Schute*« kapp» benutzt. Um swLaohen dorn Knopf ^lk und dem Quarzrohr Ib einen dinhhan i-ußsitz herzustellen, kann das Quarzrohr if> so erhitzt worüön, daß ee rund um den Elektrolytknopf -Ί ausfließt. Ein -tüder*:; Verfahren bugteil» d/irin, den Elektrolytknopf h so präzise ^;Ä!i itchl'.'ii'on, \\\\\: or .■ ^ruiJo in das Quarzrohr 16 hinein paßt. 'Χίχ .hidiiiVi K-:il ?. doxi.fta iu?:\ Ινύα Una Rohres Ii- nichb über

BAD ORIGINAL

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den Elektrolytknopf hinausragen und abgeschliffen werden,, falls dies erforderlich ist·

Im Betriebszustand läßt sich der I¹¹UhIer entweder von oberhalb des MetalLbades Z₀T₀ in das Bad eintauchen, und zwar etwa um die Hälfte seiner Lange, oder in der Seitenwand oder Bodenwand eines hitzebeständigen Behälters, beispielsweise einer Stahlgießpfanne installieren,, Das geschmolzene Metall F, das eine unbekannte Menge gelösten Sauerstoff enthält, kommt mit dem freiliegenden Ende des Zirkoniumoxidknopfes ^;t in Berührung und auch mit dem freiliegenden Ende des Kerainik-Metall-Rohres 18, das ein elektrischer Leiter ist. Auf diese Weise entsteht von dem Knopf 4 aus über das Rohr 18, die Hülse 20, die Kappe 22 und den Draht 28 zu dem Potentiometer 32 eine elektrische Vorbindung, Außerdem wird eine elektrische Verbindung von dem Knopf k aus über das Buzugsmateriul 8, das üxidrohr Γ2, üie Kuppe 6 und dun Draht 12 zum anderen An— ! ilm; Po tumbiotueterB "iii hergestellt» Aus dor abge— EMK l.ilJfc j ich In Verbindung mit der Temperatur mathematisch damn i'.üoignutti bekannte Formeln der Sauerstoffgehalt ort .i

Bel dor in Fig. 2 gezeigten Ausführungs.form wird eine Sonde h^!k bimutzt.. Anstelle des Rohres L8 wird eine «eparate 8 tauget 'tu verwand»t, dio aus dein gleichen Material besteht wit; dieaeu Rohr» Ihm oine Ende dor Stange ^li0 wird in das 'jtriiiuun^amittnl F η im?ο taucht und das andere Ende iib«r ;>lnr.m I. s L la ril t nh t h2 mit dem Po tuntiouie ter >i! verbuinlon. Dl« jutii ,iji l'ullü flor Sonde Vi, die sich ianathaü) i\o ; ^uai',:.-rohrtiM Lf)¹ befinden, entsprochen den bei der eititei. uuj— führuiigsiforätt beschriebenen uti.l eind hior auch mit üi ;i.i«lb u. i'ffugszeiiihyn vei.-jehra. Das fiohi· Ib* uutt»r«oh.;i.dnt ch vo lUiht ti· tltiitri:!!, ·ί ij) ilor Fl:.-a;jffli Ιοί¹ -/ --*. .■: .· l:ii;«i, ■: -^t,

BAD ORtaiNAL

Eine schützende Aluminiumoxidhülse kh« die die Hülse 3¹* ersetzt, umgibt das Rohr i6' und ist durch einen hitzebeständigen Klebstoff an dieses Rohr angeklebt« Die Hülse k6 hat an ihrem äußeren Ende einen radialen Plansch h-6F_€ Eine schützende Metallkappe J>6^r kann über dem unteren Enüe des Rohres l6^! aus denselben Gründen wie die Kappe 36 in FIg₀ 1. vorgesehen werden. Die Aus füll rungs form nach Pig_c S ist nicht so teuer wie die zuerst beschriebene AusXühruiigsXorra, da die Kosten der Stange kO erheblich geringer sind als die Kosten des Rohres 18» Die Betriebsweise dieser /u^sliilirraigsfora entspricht im wesentlichen derjenigen der ersten Ausfülirungsform.

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Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Vorrichtung zur Messung des Sauerstoffgehalts eines Strömungsmittels bei einer Temperatur über annähernd 700 C, insbesondere flüssigen Stahls, wobei die Vorrichtung einen massiven Elektrolytknopf aufweist, der mit dem Strömungsmittel in Berührung bringbar ist, ferner ein metallisches, mit dem Elektrolytknopf in Berührung stehendes Sauerstoffbezugsmaterial, das sich bei Betriebstemperatur nicht verflüchtigt, ein Thermoelement, einen mit dem Strömungsmittel in Berührung bringbaren elektrischen Leiter, ein Schutzrohr für das Bezugsmaterial, das Thermoelement und den elektrischen Leiter,die durch elektrische Anschlüsse mit einer Anzeigeeinrichtung verbunden sind, welche die durch die Berührung des Strömungsmittels und durch dessen Temperatur entwickelte EMK anzeigt, gekennzeichnet durch ein Innenrohr (2), das aus einem Oxid des Metalls des Sauerstoffbezugsmaterials besteht und als elektrischer Leiterpfad dient, wobei das äußere Ende des Innenrohres(2) durch den Elektrolytknopf (4) abgedichtet ist und das mit dem Knopf Vt) in Berührung stehende Bezugsmaterial (8) enthält, ferner durch einen Leiterdraht (12), der das innere Ende des Innenrohres (2) elektrisch mit der Anzeigeeinrichtung (32) verbindet, wobei das Thermoelement (10) in dieses innere Ende des Innenrohres hineinreicht und mit Leitungen (26) versehen ist, die die elektrischen Verbindungen mit der Anzeigeeinrichtung *32) bilden, und durch ein Schutzrohr (l6), das das Innenrohr (2) umgibt, den Leiterdraht (l2) des Innenrohres und die Leitungen (26) des Thermoelementes umschließt und mit seinem äußeren Ende mit dem Elektrolytknopf (h) in Dichtungsberührung steht, wobei der elektrische Leiter (18) außerhalb des Schutzrohres (l6) angeordnet ist»

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2. 2. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (18) ein äußeres Rohr bildet, das das Schutzrohr (l6) umgibt.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch I₁ gekennzeichnet durch eine Kappe (6), die das innere Ende des Innenrohres (2) abdichtet, wobei der Leiterdraht (12) und die Leitungen (26) des Thermoelementes durch diese Kappe hindurchgeführt sind·
4. h, Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (6) mit dem Leiterdraht (12) des Innenrohres (2) in elektrischem Kontakt steht, und daß diese Kappe und das Rohr (2) aus Molybdän gefertigt sind.
5. 5· Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Schutzhülse (34), die das innere Ende der äußeren Hülse (18) umgibtβ
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen von dem inneren Ende der Schutzhülse (i6) radial nach außen gerichteten Flansch (i6f), einen von dem inneren Ende der äußeren Hülse (18) radial nach außen weisenden Flansch (18F), der an dem Flansch (l6F) auf dem Schutzrohr (l6) anliegt, eine diese beiden Flansche umgebende, mit einem Innengewinde versehene Hülse (20), die mit einem Flansch (20F) versehen ist, der den an dem äußeren Rohr (18) befindlichen Flansch (18F) berührt, eine in die Hülse (20), die elektrisch leitend ist, eingeschraubte, ebenfalls elektrisch leitende Kappenschraube (22), und durch eine Leitung (28), die die Kappenschraube mit der Anzeigeeinrichtung (32) verbindet,
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (20) und die Kappenschraube aus rostfreiem Stahl bestehen«

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8. 8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Schutzhülse (3^) an dem Flansch (18F) des äußeren Rohres (18) anliegt.

   9o Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (2) aus Cr₂O- und der Knopf (4) aus ZrOo bestehen, wobei letzterer 3 bis 10 % CaO enthält, daß das Bezugsmaterial (8) aus einem Material der aus Chrom und Chromlegierungen bestehenden Gruppe ist, und daß der elektrische Leiter (12) aus einem Gemisch aus Al₂O, und Molybdän besteht_o

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