DE2327746A1

DE2327746A1 - Geraet zum elektrochemischen messen der sauerstoffaktivitaet einer metallschmelze

Info

Publication number: DE2327746A1
Application number: DE2327746*A
Authority: DE
Inventors: Paul L Jackson
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1972-06-12
Filing date: 1973-05-30
Publication date: 1974-01-03
Also published as: GB1386224A; CA972809A; DE2327746C2; FR2188847A5; US3784459A

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum elektrochemischen Messen der Säuerstoffaktivität einer Metallschmelze, insbesondere einer Stahlschmelze, bestehend aus zwei an eine Meßeinrichtung für die Potentialdifferenz angeschlossenen Elektroden, von welchen die eine eine Halbzelle umfaßt, die ein einen bekannten Teildruck oder eine sonstige Aktivität von Sauerstoff entwikkelndes Material enthält.

Das elektrochemische Messen der Sauerstoffaktivität einer Metallschmelze wird beispielsweise beim Erschmelzen von Stahl zu dem Zweck durchgeführt, zur Erzielung eines erwünschten

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Sauerstoffgehaltes die entsprechenden Hilfsmaßnahmen genauer steuern zu können. Die in diesem Zusammenhang his jetzt benutzten und beispielsweise in den beiden US-Patentschriften 3 630 874 und 3 657 094 vorbesehriebenen Meßanordnungen sind hauptsächlich darin nachteilig, daß sie vergleichsweise aufwendig und wenig kompakt gebaut sind und insbesondere feine Drahtverbindungen besitzen, die beim eigentlichen Meßvorgang einer raschen, sich oft schon beim Eintauchen in die Metallschmelze einstellenden Zerstörung unterliegen, so daß falsche Meßergebnisse erhalten werden. Es besteht deshalb die Aufgabe, ein zum elektrochemischen Messen der Sauerstoffaktivität einer Metallschmelze dienendes Gerät einer robusteren Ausführungsform in Vorschlag zu bringen, welches die Gewinnung genauerer Meßergebnisse erwarten läßt. .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gerät der eingangs genannten Art nach Art einer Sonde aus einem wiederverwendbaren Geräteteil und einem beim Eintauchen in die Metallschmelze verlorengehenden Geräteteil besteht, von welchem der wiederverwendbare Geräteteil aus einer Isolierhalterung für eine dem Greifen der einen, als vorzugsweise rohrartiger Hohlkörper ausgebildeten Elektrode dienenden Spannpatrone, einer dem Greifen eines an die Halbzelle angeschlossenen Elektrodendrahtes dienenden und vorzugsweise entlang einer gemeinsamen Achse im Abstand zu dieser einen Spannpatrone angeordneten weiteren Spannpatrone und aus zwei an diese beiden Spannpatronen und an die Meßeinrichtung angeschlossenen Leitungskabeln besteht, während der beim Eintauchen des Gerätes in die Metallschmelze verlorengehende Geräteteil aus der bis auf zwei definierte Enden von einem Isolierkörper umhüllten Hohlelektrode, der in das eine Ende dieser Hohlelektrode mit gegenseitiger Isolierung eingesetzten Halbzelle, einer an dem einen Ende des Isolierkörpers befestigten und das zugeordnete Ende der Hohlelektrode sowie die darin angeordnete Halbzelle abdeckenden Schutzkappe vorzugsweise aus einem etwa die Schmelztemperatur der Metallschmelze aufweisenden Material und einer diesen Iso-

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ORIGINAL INSPECTED

lierkörper bis auf sein Befestigungsende für diese Schutzkappe -und ggf. auch die Isolierhalterung des wiederverwendbaren Geräteteils wenigstens teilweise umgebenden Schutzhülle vorzugsweise aus vergleichsweise dickerem Kartonmaterial besteht.

Es wird damit ein kompaktes Feinmeßgerät zur Verfügung gestellt, bei welchem zunächst die endseitige Schutzkappe eine Beschädigung insbesondere der sehr empfindlichen Halbzelle beim Durchstoßen der an der Oberfläche der Metallschmelze schwimmenden Schlackendecke beim Eintauchen des Gerätes in die Metallschmelze verhindert. Indem die Halbzelle weiterhin in dem Hohlraum der Hohlelektrode angeordnet ist, ist sie dadurch nach dem Wegschmelzen der Schutzkappe anfänglich wieder einer mechanischen noch einer thermischen Schockbelastung ausgesetzt, so daß es zu keiner Beeinträchtigung der mittels der Meßeinrichtung dann ablesbaren Meßergebnisse kommt. Weiterhin ergeben die beiden Spannpatronen des für die Dauer der Messung durch die Schutzhülle geschützten wiederverwendbaren Geräteteils eine äußerst einfache Montagemöglichkeit für den bei der Messung verlorengehenden Geräteteil, so daß mehrere, im Einzelfall für erforderlich angesehene Einzelmessungen in vergleichsweise rascher Aufeinanderfolge durchgeführt werden können, sofern vor der ersten Einzelmessung eine entsprechende Vielzahl der dabei verlorengehenden Geräteteile bereitgelegt wird.

Weitere zweckmäßige Ausbildungen der Erfindung sind in den darauf bezogenen Ansprüchen erfaßt. Eine augenblicklich bevorzugte Ausführungsform ist in den Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 das zusammengebaute Gerät mit angeschlossener Meßeinrichtung in seinem in eine Metallschmelze eingetauchten Zustand,

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab einen Längsschnitt durch das Eintauchende des Gerätes und

Fig. 3 in auseinandergezogener Darstellung die Einzelteile des Geräte^ _9881/08Q7

— Ij. —

ORlGNAC INSPECTED

Das zum elektrochemischen Messen der Sauerstoffaktivität einer Metallschmelze, insbesondere einer Stahlschmelze, verwendete Gerät 10 wird zur Durchführung einer Messung mit seinem einen Ende in die jeweilige Schmelze 12 eingetaucht, die in einem Badbehälter 14 enthalten ist. Dabei ist davon auszugehen, daß an der Oberfläche der jeweiligen Schmelze eine Schlackendecke 16 schwimmt, die beim Eintauchen des Gerätes in die Schmelze durchstoßen werden muß. Das Gerät besitzt in noch näher zu beschreibender Weise zwei Elektroden, die über isolierte Leitungskabel 18 und 20 an eine Strommeßeinrichtung 22 angeschlossen sind. Die Meßeinrichtung 22 kann beispielsweise ein Registrierpotentiometer 24 umfassen, welches die elektromotorische Kraft registriert, die an einem Eichmaß von bekannter Sauerstoffaktivität unter Vermittlung eines Feststoffelectrolyten durch den in der Metallschmelze gelösten Sauerstoff erzeugt wird. Die auf diese Weise bei einer Messung registrierte elektromotorische Kraft ist folglich dem in der Metallschmelze enthaltenen Sauerstoff verhältig, so daß anschließend entsprechende Korrekturmaßnahmen ergriffen werden können, um die Metallschmelze auf einen erwünschten Sauerstoffgehalt zu bringen.

Das im wesentlichen nach Art einer Sonde ausgebildete Gerät 10 besteht aus einem wiederverwendbaren Geräteteil A und einem bei der Messung durch das Eintauchen in die Metallschmelze verlorengehenden Geräteteil B. Der Geräteteil A umfaßt eine erste metallische Spannpatrone 26 mit vier federnden Spannfingern 28, die zur festen Greifbarkeit eines an die eine als Halbzelle ausgebildete Elektrode angeschlossenen Elektrodendrahtes gegen die Geräteachse 30 vorgespannt sind. Die Greifflächen der Spannfinger 28 sind zweckmäßig aufgerauht, um einen entsprechend festen Spannsitz für den Elektrodendraht zu ergeben. Die Spannpatrone 26 ist über einen angeformten Gewindezapfen 32 mit einem metallischen Adapter 34 verschraubt, mit weMiem auch das Anschlußgewinde 36 eines ersten Leitungskabels 38 verschraubt ist. Dieses an diesem Anschlußende bezüglich der Spannpatrone 26 von einer versteifenden Isolierhülse 39 umgebene Leitungs-

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kabel 38 ist vergleichsweise starr ausgebildet und besitzt an seinem anderen Ende eine Anschlußklemme 40 zur Steckverbindung mit dem zugeordneten Leitungsdraht 18, An dem einen Ende des Adapters 34 ist ein Ringflansch 42 ausgebildet, welcher einen über den Adapter geschobenen zylindrischen Isolierkörper 44 gegen die angeschraubte Spannpatrone 26 festlegt»

Im axialen Abstand zu der Spannpatrone 26 ist eine weitere metallische Spannpatrone 46 von etwas größerem Durchmesser angeordnet, die gleichfalls vier federnde Spannfinger 48 aufweist, deren Enden 50 auf einen gegenüber dem Schaftdurchmesser grösseren Durohmesser aufgeweitet sind. Auch diese gegen die Gerät eachse vorgespannten Spannfinger 48, 50 besitzen zweckmäßig aufgerauhte Greifflächen für das zugeordnete Ende der anderen Elektrode. Das den aufgeweiteten Enden 50 der Spannfinger 48 abgewandte Ende der Spannpatrone 46 ist mit Unifangsriefen 52 versehen, und ein weiteres Leitungskabel 5^, welches ebenfalls mit einer versteifenden Isolierhülle umgeben ist, ist an dieses Ende der Spannpatrone leitend angeschlossen. Auch das Leitungskabel 54 besitzt an seinem anderen Ende eine Anschlußklemme 56 zur Steckverbindung mit dem zugeordneten Leitungsdraht 20 der Meßeinrichtung 22.

Die einen Anschlußenden der beiden Leitungskabel 38 und 5^ sind in einen starren Isolierkörper 58 aus Keramikmasse eingebettet, der von einer als Gießform dienenden Metallhülse 60 umgeben ist. Beim Gießen der Keramikmasse, bevorzugt Tonerde oder Zirkonerde, wird gleichzeitig auf eine Verankerung des die Umfangsriefen 52 aufweisenden Endes der Spannpatrone 46 und auf eine Einbettung des oberen Endes der Isolierhülse 39 geachtet, die gemäß Fig. 2 in der Geräteachse 30 ausgerichtet ist und über den Isolierkörper 58 nach unten vorsteht. Die im Durchmesser kleinere Isolierhülse 39 und das von ihr umhüllte Anschlußende des Leitungskabels 38 überragen die Spannpatrone 46 nach unten. Über die Metallhülse 60 des Isolierkörpers 58 ist das eine Ende einer weiteren längeren Metallhülse 62 bis. zum Anschlag an eine Schulter gesteckt und mittels einer Madenschraube 64 gesichert.

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ORSGlNAL INSPECTED

Die beiden Metal !hülsen 60 und. 62 besitzen, einen gleichen Aussendurehmesser. Im axialen Abstand zu dem Isolierkörper 58 ist innerhalb der Metallhülse' 62 ein weiterer Isolierkörper 70 aus Keramikmasse angeordnet, der ebenfalls von einer als Gießhilfe dienenden Metallhülse 72 umgeben ist. In den Isolierkörper 70 eingebettet sind zwei der Steckverbindung mit den Anschlußklemmen 40 und 56 der beiden Leitungskabel 38 und 54 dienende Steckhülsen 66 und 68, mit welchen die Leitungsdrähte 18 und 20 leitend verbunden sind.' Die Metallhülse 72 besitzt einen gegenüber dem Innendurchmesser der Metallhülse 62 etwas kleineren Durchmesser, so daß zwischen beiden ein Schiebesitz existiert. Es liegt damit für den wiederverwendbaren Geräteteil Ä eine äußerst robuste Ausbildung vor, wobei die einzelnen Teile erkennbar äusserst einfach zusammengebaut werden können.

Der andere Geräteteil B umfaßt zunächst eine rohrförmige Elektrode 72, der zweckmäßig aus demselben Material besteht wie die Metallschmelze 12, also bevorzugt aus Stahl» Das obere Ende 74 dieser koaxial zu der Geräteachse 30 anzuordnenden Hohlelektrode 72 wird im zusj&miaengebaiäten Zustand der beiden Geräteteile A und B von den Spannfingern der Spannpatrone 46 ergriffen, so daß dann eine leitende Verbindung zwischen dem der Metallschmelze auszusetzenden Elektrodenende 76 und dem zu der Meßeinrichtung 22 führenden Leitungsdraht 20 besteht. In das Ende 76 der Hohlelektrode 72 eingefügt ist die als Halbzelle 78 ausgebildete andere Elektrode, die als Bezugsnormal für die Sauerstoffaktivität der Metallschmelze dient. Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkung solcher Halbzellen kann als bekannt vorausgesetzt werden. Gewöhnlich bestehen diese Halbzellen aus einem Metall, wie Chrom oder Titan, und einem zugehörigen Oxyd, wie Chromoxyd oder Titanoxyd. Als Bezugsnormal 80 wird vorliegend die Kombination Chrom : Chromoxyd bevorzugt, und dieses Bezugsnormal ist in einem transparenten Peststoffelectrolyten 82 der Kombination Berylliuraerde-Zirkonerde eingebettet. Ein Elektrodendraht 84 mit einem Durchmesser von etwa 1 mm ist mit seinem einen Ende 86 ia das Bezugsnormal 80 eingetaucht, während sein anderes Ende 88 von dea Spannfingern der Spannpatrone 26 ergriffen ist. Es liegt deshalb auch hier eine leitende Verbin-

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dung zwischen der ebenfalls bsi der Messung der Metallschmelze ausgesetzten Halbzelle 78 unä. dem zu der Meßeinrichtung 22 führenden Leitungsdraht 18 vor.' An &.en zweckmäßig aus Molybdän

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bestehenden Elektrodenäraht 84 ist im übrigen ein Keramikmasse bestehender Verschlußstopfen 90 für den becherförmigen Feststoffelectrolyten 80 angeformt,, und ein weiterer, angeformter Isolierkörper 92, ebenfalls aus Keramikmasse, isoliert den Elektrodendraht 84 und die Halbzelle 78 gegen die Hohlelektrode 72.

Die Hohlelektrode 72 ist bis auf ihre beiden Enäen 74 und 76 von einem aufgeschobenen Isolierkörper 94 aus Keramikmasse umgeben, dessen eines Ende mittels einer Keramikmasse, wie bei 96 angedeutet, mit der Hohlelektrode fest verbunden ist. Der Isolierkörper 94 besitzt einen mit den beiden Metallhülsen 60 und 62 des wiederverwendbaren Geräteteils A gleichen Außendurchmesser. Eine aus demselben Material wie die Metallschmelze, also vorzugsweise Stahl, bestehende Schutzkappe 98 ist bei 100 mittels einer Keramikmasse an dem freien Ende des Isolierkörpers 94 befestigt zur Überdeckung des vorstehenden Endes der Hohlelektrode 72 und zum Schutz iasbesoader® der Halbzelle 78, wenn das Gerät unter Durchstoßung der Schlackendecke l6 in die Metallschmelze 12 eingetaucht wird. Die Schutzkappe 98 wird nach erfolgter Eintauchung des Gerätes in die Metallschmelze weggeschmolzen, so daß erst dann das freie Ende der Hohlelektrode 72 und die Halbzelle 78 in Berührung mit der Metallschmelze kommen können. Weil die für die elektrochemische Peinmessung der Sauerstoffaktivität der Metallschmelze maßgebliche Halbelektrode 78 zusätzlich noch durch das sie umgebende Ende 76 der Hohlelektrode 72 abgeschirmt ist, ist dadurch in optimaler Weise sichergestellt, daß sie beim Eintauchen des Gerätes in die Metallschmelze gegen mechanische und thermische Schockbelastungen geschützt ist, so daß mit diesem. Gerät äußerst genaue Meßergebnisse erhalten werden können.

Über den Isolierkörper 94 ist noch das eine Ende 104 einer Schutzhülle 102 aus vergleichsweise dickerem Karton geschoben,

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deren anderes Ende 106 das untere Ende des wiederverwendbaren Geräteteils A umgibt. Die Schutzhülle 102, die eine bevorzugte Wandstärke von etwa 10 mm haben kann, schützt das in die Metallschmelze eingetauchte Geräteende für die Dauer der Einzelmessung, welche durchschnittlich etwa 5 bis 15 Sekunden beansprucht, Eine aus Karton bestehende Schutzhülle löst sich demgegenüber bei den normalen Badtemperaturen erst nach etwa 20 bis 30 Sekunden auf, so daß sie ihren Zweck voll erfüllen kann, den wiederverwendbaren Geräteteil A für die Dauer der Einzelmessung zu schützen«

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Claims

Ansprüche

i.lGerät zum elektrochemischen Messen der Säuerstoffaktivität einer Metallschmelze, insbesondere einer Stahlschmelze, bestehend aus zwei an eine Meßeinrichtung für die Potentialdifferenz angeschlossenen Elektroden, von welchen die eine eine Halbzelle umfaßt, die ein einen bekannten Teildruck oder eine sonstige Aktivität von Sauerstoff entwickelndes Material enthält, dadurch gekennzeichnet , daß es nach Art einer Sonde aus einem wiederverwendbaren Geräteteil (A) und einem beim Eintauchen in die Metallschmelze (12) verlorengehenden Geräteteil (B) besteht, von welchen der wiederverwendbare Geräteteil (A) aus einer Isolierhalterung (39, 58, 70) für eine dem Greifen der einen, als Hohlkörper ausgebildeten Elektrode (72) dienenden Spannpatrone (46), einer dem Greifen eines an die Halbzelle (78) angeschlossenen Elektrodendrahtes (84) dienenden weiteren Spannpatrone (26) und aus zwei an die beiden Spannpatronen und an die Meßeinrichtung (22) angeschlossenen Leitungskabeln (38, 18; 54, 20) besteht und von welchen der verlorengehende Geräteteil (B) aus der bis auf zwei definierte Enden von einem Isolierkörper (94) umhüllten Hohlelektrode (72), der in das eine Ende (76) dieser Hohlelektrode mit gegenseitiger Isolierung (92) eingesetzten Halbzelle (78) , einer an dem einen Ende des Isolierkörpers befestigten und das zugeordnete Ende der Hohlelektrode und die darin angeordnete Halbzelle abdeckenden Schutzkappe (98) und einer diesen Isolierkörper bis auf sein Befestigungsende für die Schutzkappe umgebenden Schutzhülle (102) besteht.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schutzhülle (L02) des verlorengehenden Geräteteils (B) auch wenigstens das Anschlußende des wiederverwendbaren Geräteteils (A) umgibt.
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Geräteteile (A, B) entlang einer gemeinsamen Achse (30) angeordnet sind, koaxial zu welcher die beiden Spannpatronen (26, 46) im axialen Abstand zueinander angeordnet sind. '

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2 3 ^ / / 4 b
4. Gerät nach den Ansprüchen i "bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die weitere Spannpatrone (26) in dem zu der gemeinsamen Acfes© (30) der beiden Geräteteile (A, B) koaxialen Hohlraum der Hohlelektrode (72), gegen diese isoliert, angeordnet ist.
5. Gerät nach mindestens einem der Ansprüche 1 Tbis h_f dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Leitungskabel (38, 54) vergleichsweise starr ausgebildet und an ihren einen Enden in einen sie gegenseitig isolierenden, vergleichsweise starren Isolierkörper (58) eingebettet sind, in axialem Abstand zu welchem ein weiterer, ebenso vergleichsweise starrer Isolierkörper (70) angeordnet ist, in welchen die zur Steckverbindung mit je einer stiftförmigen Anschlußklemme (40, 56) an den anderen Enden der beiden Leitungskabel vorgesehene becherförmige Anschlußklemmen (66, 68) an den Enden von zwei zu der Meßeinrichtung (22) führenden, isolierten Leitungsdrähten (i8, 20) gegenseitig isoliert eingebettet sind.
6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß jeder der beiden Isolierkörper (58„ 70) aus einer in eine umgebende Metallhülse (60, 72) eingegossenen Keramikmasse besteht.
7. Gerät mindestens nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Isolierkörper (58, 70) durch ein gemeinsames Metallrohr (62) gehalten sind, welches von dem einen Ende der Schutzhülle (102) des verlorengehenden Geräteteils (B) wenigstens übei" eine Teillänge umgeben ist.
8. Gerät mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzkappe (98) aus einem etwa die Schmelztemperatur der Metallschmelze aufweisenden Material und die Schutzhülle (102) aus vergleichsweise dickerem kartonmaterial besteht.

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9. Gerät nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8_S dadurch gekennzeichnet ₉ daß jede der beiden Spannpatronen (26; 4t6) mehrere gegen die Jeweilige Achse vorgespannte Spannfinger (27? ^S₉ 50) aufweist, die aufgerauhte Greifflächen für das zugeordnete Elektrodenende besitzen.
10. Gerät mindestens nach den Ansprüchen 1 und 5_S dadurch gekennzeichnet , daß das eine Ende der einen Spannpatrone (46) über Umfangsriefen (52) in dem die einen Enden der beiden Leitungskabel (38, 5^OgQgOnSeXtIg isolierenden Isolierkörper (58) verankert ist.
11. Gerät mindestens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet , daß die weitere Spannpatrone (26) mit einem an das eine Leitungskabel (38) angeschraubten metallischen Adapter (34t) verschraubt ist, der eine übergeschobene Isolierhülse (44) aufweist.

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