DE2449707A1 - Vorrichtung zum messen der wanddicke des feuerfesten mauerwerks bei metallurgischen oefen - Google Patents

Description

• Vorrichtung zum Messen der Wanddicke des feuerfesten Mauerwerks bei metallurgischen Öfen Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Wanddicke des feuerfesten Mauerwerks bei metal lurgischen Ofen, insbesondere bei für die Stahl erzeugung vorgesehenen Lichtbogenöfen.
• Der Kenntnis der bestehenden Wanddicke des feuerfesten Mauerwerkes kommt bei derartigen Öfen während der Betrlebszeit eine erhebliche Bedeutung zu, weil das feuerfeste Mauerwerk während des Betriebes dem Veschleiß unter liegt, und weil man die Betriebsweise möglichst so wählt, daß sich der Verschleiß in vorgegebenen Bereichen bewegt.
• Schließlich ist es für die Dispositionen des Betriebes er forderl ich, das worausslchtlIche Ende einer Ofenrelse abschätzen zu können, damit rechtzeitig die Mittel für eine Neuzustellung des Ofens bereit gehalten werden können.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verläßliche Angaben über die während des Betriebes bestehende, der unmittelbaren Messung nicht zugängliche Wanddicke des feuerfesten Mauerwerks zu erhalten. Dabei soll von dem an sich für Abstandsmessungen bekannten, auf dem technischen Sachgebiet der vorliegenden Erfindung jedoch noch nicht mit hinreichender Zuverlässigkeit angewendeten Prinzip der Ultraschallmessung Gebrauch gemacht werden.
• Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß in das feuerfeste Mauerwerk ein Stab derart eingesetzt ist, daß er einendig bis zur Innenwandung des feuerfesten Mauerwerks reicht, während sein anderes Ende über die Außenwand des feuerfesten Mauerwerks vorsteht und an einen für die Abgabe und den Empfang von Ultraschallwellen vorgesehenen Wandler eines Ultraschallgenerators und - empfängers angeschlossen ist, welch letzterer die Laufzeit von Ultraschallwellen im Stab zu ermitteln gestattet, wobei das Material des Stabes Im gesa mten Temperaturbereich frei von Umwandlungen sowie von homogener Beschaffenheit ist.
• Die Einhaltung dieser Bedingungen führt dazu, daß man nach dem Impuls-Echo-Verfahren Angaben über die Laufzeit der Ultraschallwellen im Stab erhalten kann, die sich in die Jewellige Wanddicke des feuerfesten Mauerwerks umrechnen lassen, ohne daß hierbei eine unzulässige Ungenauigkeit in Kauf genommen werden müßte. Insbasondere ist hierbei gewåhrleistet, daß das empfangene Echo eines Ultraschall Impulses tatschlich durch Reflektion an der innenseitigen Sttrnfläche des Stabes gebildet wurde, so daß die ermittelte Laufzeit als zuverlässiges Maß der Dicke gelten kann. Betm zunehmenden Verschleiß des feuerfesten Mauerwerks verschleißt der In das Innere des Ofens hineinragende Stab in gleicher Weise, so daß seine Länge entsprechend abnimmt und demgemäß kürzere Laufzeiten für die Impulse ermittelt werden. Wesentlich für die Zuverlässigkeit dieser Messungen ist einerseits, daß der Stab aus einem homogenen Material besteht, und daß er andererseits trotz des beträchtlichen Temperaturgefälles, dem er im Verlaufe seiner Längserstreckung von der Innenwand des feuerfesten Mauerwerks bis zu seinem außen vorstehenden Ende ausgesetzt ist, frei von Umwandlungsvorgängen ist. Sowohl örtliche Inhomogenitäten als auch die Übergänge von einer Umwandlungszone in eine andere würden zu störenden Impulsechos führen und die Zuverlässigkeit der Messung beeinträchtigen.
• Mit besonderem Vorteil wird daher der Stab aus einem Werkstoff hergestellt, der in einem unterkühlten Zustand vorliegt, daß heißt, dessen Umwandlungen durch entsprechend schnelle Temperaturabsenkung bei der Herstellung nicht eingetreten sind. Sehr gut hat sich ein Stab aus glasartigem, amorphem Quarz bewährt, der aus dem Schmelzfluss entsprechend schnell abgekühlt wurde.
• Zu besonders aussagefähigen Messergebnissen kommt man, wenn der Stab an den Stellen des feuerfesten Mauerwerkes oberhalb der normalen Schlackenhöhe eingesetzt ist, die im Verschleiß dem übrigen feuerfesten Mauerwerk vorauseilen.
• Für die ordnungsgemäße Betriebsweise ist es weiterhin wesentloch, daß der Stab auch während des Betriebes keine Verbindungen mit den auf Ihn zur Einwirkung gelangenden Stoffen eingehen kann. Deshalb ist eine -keramische Umhüllung des Stabes von Vorteil, die gegenüber dem Stabmaterial Inert Ist, während ihr Material mit den Oxyden der zu schmelzenden Metalle bzw. mit diese Qxyde aufweisenden Verbindungen unter Bildung von bei höherer Temperatur als das Stabmaterial schmelzenden Mischungen oder Verbindungen reagiert.
• In der Praxis hat sich eine keramische Umhüllung, bestehend aus einer Mischung aus Zirkonoxyd, Graphit und Wasserglas, besonders bewährt, und zwar mit etwa 40 Gewichtsteilen Zirkonoxyd, 15 Gewichtsteilen Graphit und 45 Gewichtsteilen Wasserglas.
• Umhüllungen der Art, wie sie vorstehend ausgewählt wurden, haben sich vor allem bei denjenigen Öfen bewährt, bei denen während des Betriebes sowohl oxydierende als auch reduzierenden Zustände möglich sind. Größere Bedeutung kommt ihnen daher bei Lichtbogenöfen zu, bei welchen teilweise mit oxydierender und teilweise mit reduzierender Schlacke gearbeitet wird. Unter reduzierenden Bedingungen kann in diesem Fall das flüssige Eisen dank seiner hohen Temperatur nicht in das feuerfeste Mauerwerk bzw. die keramische Umhüllung des Stabes eintreten. Wenn dagegen oxydierende Bedingungen vorliegen, kann das in der keramischen Unhüllung vorliegende Graphit zunächst Eisenoxyde in eine niedrigere Oxydationsstufe überführen, in welcher das Eisenoxyd mit den durch das Wasserglas eingebrachten Silikaten ein Eisenoxydsll ikat bilden kann, das dann mit dem vorhandenen Zirkonoxyd bei sehr hohen Temperaturen schmelzende Mischungen bilden kann.
• Wenngleich auch von dem vorstehenden Reaktionsschema abweichende Reaktionsabläufe mögilch sind, so kommt es bei der Art der vorgeschlaWenen keramischen Umhüllungen doch stets sowohl bei der reduzierenden als auch bei der oxydlerenden Betriebsweise zu einem wirksamen Schutz des Stabes, so daa die damit ausgeführten Messungen nicht beeinträchtigt werden.
• Der außen aus dem feuerfesten Mauerwerk herausragende Teil des Stabes ist zweckmäßig gekühlt, damit der Ultraschallwandler angekoppelt werden kann. Letzterer kann ein auf die Stirnseite des herausragenden Stababschnittes aufgekitteter piezo-elektrischer Quarzschwinger mit Metal lbelägen sein.
• Da sich ein derartiger Quarzschwinger mit sehr geringer Masse ausführen läßt, kann er särntliche Bewegungen des Stabes mitmachen und bedarf keiner zusätzlichen Mittel zu seiner Anbringung. Die Metallbeläge, durch die ein derartiger Quarzschwinger zu Ultraschallschwingungen angeregt wird, sind dann mittels einer flexiblen Leitung an den Ultraschaligenerator und - Empfänger angeschlossen.
• Elne besonders wirkungsvolle Kühlung des aus dem feuerfesten Mauerwerk herausragenden Stababschnittes Ist mit Wasser möglich, zumal Wasser Im Betrieb ohnehin zur Verfügung steht.
• Bel einer den herausragenden Stababschnitt umgebenden Wasserkühlung kann man auch den Ultraschallwandler in die Wasserkühlung hineinragen lassen, wobei er dann auf die Stirnselte des Stababschnittes ausgerichtet ist. Auf diese Weise erreicht man nicht nur eine sehr zuverlässige Kühlwirkung, sondern darüberhinaus eine äußerst wirkungsvolle, akustische Koppelung zwischen dem Stabende und dem Wandler.
• In dlesem Falle kann man als eine manschettenartige Wasserkühlung ein dichtend auf den Stababschnitt einendig aufgesetztes Rohr von gegenüber dem Stab größerem Durchmesser verwenden, wobei der Ultraschallwandler von der gegenüberliegenden Seite tn das Rohr eingesetzt list. Das Rohr läßt sich dann noch durCh eine Innenscheibe, die den Stab mit gering ein radialen Splel umgibt, tn zwei Kammern unterteilen, von denen die das Stabende und den Ultraschallwandler aufnehmende Kammer unter einem größeren Kühlwasserdruck als die vollständig vom Stababschnitt durchsetzte Kammer steht. Diese Anordnung läßt es auf Grund der Druckbezlehungen zu, daß In der vollständig vom Stab durchsetzten Kammer, in welcher die Kühl leistung noch besonders groß sein muß, unter Umständen auch Dampfblasen entstehen können. In der anderen Kammer hingegen, in welcher Dampfblasen die akustische Koppelung stören würden, kann der Überdruck leicht so gewählt werden, daß mit Sicherheit keine Dampfblasen entstehen können.
• Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung wird auf die schematischen Zeichnungen Bezug genommen. Darin zeigen: Fig. 1 den in das feuerfeste Mauerwerk eines metallurgischen Ofens eingesetzten Stab, wohingegen Fig. 2 das außen aus dem feuerfesten Mauerwerk herausragende Stabende für den Fall der Kühlung und Koppelung mittels Wasser veranschaulicht.
• Fig. 1 zeigt das feuerfeste Mauerwerk 1 sowie die auf dessen Innenseite 2 einwirkende metallurgische Schlacke 3. Etwa 20 cm oberhalb des Spiegels der Schlacke 3 ist innerhalb elner Öffnung im feuerfesten Mauerwerk 1 ein Schutzrohr 4 aus Stahlblech eingesetzt, welches die keramische Umhüllung 5, die durch Kreuzschraffur dargestellt ist, sowie innerhalb dieser den Stab 6 aufnimmt. Letzterer schließt innenseitig mit der Innenfläche 2 des feuerfesten Mauerwerks 1 ab. An die Stirnseite 7 seines äußeren, aus dem feuerfesten Mauerwerk 1 herausragenden Endabschnittes ist als Ultraschallwandler der piezo-elektrische Quarzschwinger 8 angekittet. Er besitzt zweiseitige Metallbeläge , deren Anschlüsse 9 und 10 zu einem zeichnerisch nicht dargestellten Ultraschal lgenerator und- Empfänger führen, mittels welcher Vorrichtung die Laufzeltmessungen der Ultraschall Impulse als Maß der Wanddicke ermittelt werden können.
• In Fig. 2 ist der aus dem feuerfesten Mauerwerk 1 der Wandung herausragende Stababschnitt 6 manschettenartig von einem Rohr 11 umgeben. Die elastische Dichtung 12 zwischen dem Stababschnitt 6 und dem Rohr 11 ermöglicht Relativbewegungen zwischen dem Stababschnitt 6 und dem Rohr, so daß das Rohr 11 gegenüber dem feuerfesten Mauerwerk 1 fest angeordnet werden kann. Das Rohr 11 ist im Innern von Kühlwasser durchströmt, wobei die hauptsächliche Kühlung durch das in Richtung des Pfeiles 13 einlaufende Kühlwasser ermöglicht wird. In Richtung des Pfeiles 14 tritt das Kühlwasser aus dem Rohr 11 heraus. Es kann in dem Bereich zwischen dem Einlauf und dem Auslauf dieses Kühlwassers durchaus zu Blasenbildungen kommen, weil der Stababschnitt 6 von einer sehr hohen Temperatur herunter gekühlt werden muß.
• Die Innenwand 15 trennt das Innere des Rohres 11 In zwei Kammern, von denen in die rechte ein Ultraschallwandler 16 hereinragt und auf die Stirnfläche des Stababschnittes 6 ausgerichtet ist. Zwischen den beiden Stirnflächen des Stababschnittes 6 und des Ultraschallwandlers 16 befindet sich ein Spalt, der der akustischen Ankoppelung dlent. Im Bereich dieses Spaltes befindet sich Wasser unter einem erhöhten Druck, welches in Richtung des Pfeiles 17 in die rechte Kammer des Rohres 11 gelangt, um aus dieser Kammer teilwelse In Richtung des pfelles 18 auszustromen und teilweise in Richtung der Pfeile 19 In die linke Kammer zu gelangen, in welcher der Druck gerlnger ist. Somit kann das im wesentllchen der Ankoppelung dlenende, In die rechte Kammer unter hohem Druck einströmende Wasser durch seine Verbindung zur linken Kammer zugleich die Kühl leistung der linken Kammer wesentlich steigern.

Claims (13)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zur Messung der Wanddicke des feuerfesten Mauerwerks bei metallurgischen Öfen, insbesondere bei für die Stahl erzeugung vorgesehenen Lichtbogenöfen, dadurch gekennzeichnet, daß in das feuerfeste Mauerwerk (1) ein Stab (6) derart eingesetzt ist, daß er einendig bis zur Innenwandung (2) des feuerfesten Mauerwerks (1) reicht, während sein anderes Ende über die Außenwand des feuerfesten Mauerwerks(1)vorsteht und an einen für die Abgabe und für den Empfang von Ultraschallwellen vorgesehenen Wandler eines Ultraschallgenerators undempfängers angeschlossen ist, welch letzterer die Laufzeit von Ultraschallwellen im Stab zu ermitteln gestattet, wobei das Material des Stabes (6) im gesamten Temperaturverlauf frei von Umwandlungen sowie von homogener Beschaffenheit ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (6) aus amorphem Quarz besteht, welches durch Unterkühlung aus dem Schmelzfluß umwandlungsfrei gemacht wurde.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (6) an den Stellen des feuerfesten Mauerwerks (1) oberhalb der normalen Schlackenhöhe eingesetzt ist, die im Verschleiß dem übrigen feuerfesten Mauerwerk vorauseilen.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab eine keramische Umhüllung (5) aus einem Material aufweist, welches gegenüber dem Stabmaterial inert ist, während es mit den Oxyden der Zu schmelzenden Metalle bzw. mit diese Oxyde aufweisenden Verbindungen unter Bildung von bei höherer Temperatur als das Stabmaterial schmelzenden Mischungen oder Verbindungen reagiert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Umhüllung aus einer Mischung aus Zirkonoxyd und Graphit in Wasserglas besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Umhüllung etwa 40 Gewichtsteile Zirkonoxyd, 15 Gewichtsteile Graphit und 45 Gewichtsteile Wasserglas aufweist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der außen aus dem feuerfesten Mauerwerk (1) herausragende Abschnitt des Stabes (6) Mittel zu seiner Kühlung aufweist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Stirnseite des aus dem feuerfesten Mauerwerks (1) herausragenden Abschnittes des Stabes (6) ein piezo-elektrischer Quarzschwinger (8) mit Metallbelägen als Ultraschallwandler aufgekittet ist.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem feuerfesten Mauerwerk herausragende Stababschnitt (6) eine ihn manschettenartig umgebende Wasserkühlung aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Wandler (16) innerhalb der Wasserkühlung mit geringem Abstand von der Stirnseite des Stababschnittes (6) angeordnet und auf diese Stirnseite ausgerichtet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die manschettenartige Wasserkühlung ein dichtend auf den Stababschnitt (6) einseitig aufgesetztes Rohr (11) von gegenüber dem Stab (6) größerem Durchmesser ist, während der Ultraschall-Wandler (16) von der gegenüberl iegenden Seite in das Rohr (11) eingesetzt ist, und daß das Rohr (11) durch eine Innenscheibe (15), die vom Stababschnitt ( 6) mit geringem radialen Spiel durchsetzt ist, in zwei Kammern unterteilt ist, von denen die das Stabende und den Ultraschallwandler (16) aufnehmende Kammer unter einem größeren Kühlwasserdruck als die vollständig vom Stababschnitt ( 6) durchsetzte Kammer steht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß beide Kammern je einen Kühlwasserzulauf (13,17) und einen Kühlwasserauslauf (14,18) besitzen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kammer mit niedrigererem Kühlwasserdruck durch den Ringspalt zwischen der Innenscheibe (15) und dem Außenumfang des Stababschnittes ( 6) Druckwasser aus der Kammer mit höherem Kühlwasserdruck zuführbar ist.