DE29723698U1 - Schmelzengefäß zum Messen der Temperatur in einer Schmelze und Vorrichtung zur thermischen Analyse von Metallschmelzen - Google Patents
Schmelzengefäß zum Messen der Temperatur in einer Schmelze und Vorrichtung zur thermischen Analyse von MetallschmelzenInfo
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Description
" GEÄNDERTE, ZUR EINTRAGUNG VORGESEHENE
«FASSUNG DER GEBRAUCHSMUsi&öRAilMECiliNS
.· ··:
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SCHMELZENGEFÄSS ZUM MESSEN DER TEMPERATUR IN EINER
SCHMELZE UND VORRICHTUNG ZUR THERMISCHEN ANALYSE
VON METALLSCHMELZEN
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schmelzengefäß zum Messen der Temperatur in einer Schmelze und eine Vorrichtung
zur thermischen Analyse von Metallschmelzen unter Verwendung optischer Pyrometrie.
In der Gießereiindustrie ist es oft erwünscht, dazu in der
Lage zu sein, zu bestimmen, in welcher Konfiguration eine bestimmte geschmolzene Metallegierung erstarren wird. Ein Weg
zur Ausführung solcher Bestimmungen ist es, eine thermische Analyse der Schmelze durchzuführen. Eine kleine, aber repräsentative
Probe der geschmolzenen Metallegierung wird genommen, und man läßt sie erstarren. Während dieses Vorgangs wird
die Temperatur als eine Funktion der Zeit gemessen. Die Konfiguration
wird anschließend durch Vergleichen der erhaltenen Abkühlkurve und ihrer zeitlichen Ableitung mit Referenzkurven
bestimmt. Solche Methoden der thermischen Analyse sind beispielsweise in der WO86/01755 (SClOl), in der WO91/13176
(SC108) und in der WO92/06809 (SC104) offenbart.
Bei dem oben erwähnten Verfahren wird eine Probe geschmolzenen
Metalls durch Eintauchen des Probengefäßes in das Volumen des Metalls erhalten, wonach man die Probe erstarren läßt.
Die thermische Analyse wird unter Verwendung auf die Temperatur ansprechender Mittel, normalerweise Thermoelemente,
durchgeführt. Um die Genauigkeit der Erstarrungsanalyse zu
verbessern, lehrt die WO 86/01755 ein Verfahren, bei dem zwei
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Thermoelemente verwendet werden. Eines der Thermoelemente wird in der Mitte des Gefäßes angeordnet und das andere nahe
der Gefäßwand.
Es ist oft schwierig, genaue Temperaturmessungen nahe an der Wand des Probengefäßes durchzuführen. Die physischen Abmessungen
von Thermoelementen erfordern es, daß diese mindestens 1,5 mm weit entfernt von der Wand angeordnet werden, um
sicherzustellen, daß das geschmolzene Eisen zwischen der Spitze des Thermoelements und der Gefäßwand fließen kann.
Aufgrund des Vorhandenseins einer Isolation, die die Spitze des Thermoelements umgibt (um die heiße Lötstelle zu schützen)
führt dies in der Praxis dazu, daß die Temperatur der "Wand" tatsächlich an einer Stelle gemessen wird, die mehr
als 2 mm weit von der Wand selbst entfernt ist.
Dies stellt eine Beschränkung der WO 86/01755 dar, da es bekannt ist, daß die genaueste Messung der Unterkühlung einer
Schmelze unmittelbar von der Wand selbst gemessen wird, wo das Eisen zuerst zu erstarren beginnt. Die Verlagerung des
herkömmlichen Thermoelements von der Wandoberfläche weg führt dazu, daß das Verhalten des Inneren des Metalls die von dem
Thermoelement registrierte Temperatur beeinflußt, und setzt die Genauigkeit der Messung herab. Darüber hinaus stellt das
Thermoelement selbst sowohl eine Wärmesenke dar als auch eine Wandoberfläche, die das Erstarrungsverhalten relativ zu einer
reinen Probe beeinflussen kann.
Manchmal ist es wünschenswert, die Wand des Probengefäßes zumindest
teilweise mit bestimmten Chemikalien zu beschichten, die das Erstarrungsverhalten der Schmelze beeinflussen. Dann
ist es, um den Einfluß der Beschichtungen auf die Schmelze
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thermisch zu untersuchen, auch notwendig, dazu in der Lage zu
sein, die Temperatur nahe an der Wand und nicht 1 - 2 mm von der Wand entfernt zu messen. Wenn die Messungen zu weit entfernt
von der Wand durchgeführt werden, können die Beschichtungen sich vermischen oder verdünnt werden, und folglich
wird die thermische Analyse nicht die erforderliche Genauigkeit aufweisen.
Auch ist es wegen der Lichtundurchlässigkeit des geschmolzenen Metalls nicht möglich, sicherzustellen, daß das Thermoelement
in reproduzierbarer Weise in jedem Probennahmegefäß angeordnet ist. Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen thermischen
Analyse unter Verwendung von Thermoelementen liegt darin, daß die Eintauch-Thermoelemente während der Messungen
zerstört werden und daher nur einmal verwendet werden können. Um genaue Messungen durchzuführen, die zuverlässig mit Referenzwerten
verglichen werden können, ist es notwendig, daß die Qualität der Verbrauchs-Thermoelemente sehr gleichbleibend
ist. Die Zerstörung dieser Thermoelemente von gleichförmiger Qualität während des Messens führt zu hohen Kosten.
Ferner vereinfacht die Vermeidung von Verbrauchs-Thermoelementen das Recycling des Probengefäßes.
Folglich besteht ein Bedarf für verbesserte Vorrichtungen zur Ausführung des Vorgangs der thermischen Analyse.
Die EP-A2 0 160 359 betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Badtemperatur von metallurgischen Öfen durch eine Blasform.
Ein Periskop wird zum Einführen eines faseroptischen Kabels
in einen Blasform-Körper verwendet. Das Kabel wird dadurch vor dem geschmolzenen Metall geschützt, daß man Luft durch
die Blasform und hinaus in das Bad strömen läßt.
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Die EP-A2 0 245 010 beschreibt eine eintauchbare Sonde für
eine einzelne Messung der Temperatur von geschmolzenem Metall, das mit einer Schicht von halbflüssiger oder flüssiger
Schlacke bedeckt ist.
Die EP-Al 0 655 613 offenbart eine Temperaturmeßeinrichtung, die eine Lichtleitfaser, eine metallische Schutzröhre zum Abdecken
der Lichtleitfaser und eine Wärmeisolationsbeschichtung zum Abdecken der Schutzröhre umfaßt.
Diese Druckschriften konzentrieren sich alle auf Volumen-Temperaturmessungen
in großen Chargen geschmolzenen Metalls, um die Temperaturen vor dem Gießen auf geeigneten Niveaus zu
halten. Keine der Druckschriften offenbart irgendetwas über
a) eine genaue Lage eines Meßpunktes;
b) die Fähigkeit, Mk der Wand zu messen, statt 2 mm weit
entfernt, wo Metall-Volumen-Effekte die Messung beeinflussen können;
c) die Fähigkeit, Wandreaktionen, welche durch Anordnen bestimmter Chemikalien auf den Wänden erzwungen werden,
genau zu messen; oder
d) die Fähigkeit, stabile und zuverlässige Temperaturablesungen während des gesamten fest-zu-flüssig-Übergangs
des geschmolzenen Eisens bereitzustellen.
Die Druckschriften offenbaren weder irgendetwas über pyrometrische
Messungen durch ein transparentes Gefäß im allgemeinen noch über Messungen in einem kleinen Probengefäß.
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Nunmehr hat es sich herausgestellt, daß die oben erwähnten Nachteile, die sich auf die thermische Analyse geschmolzener
Metalle beziehen, dadurch überwunden werden können, daß zumindest teilweise optische Pyrometrie anstelle herkömmlicher
Thermoelemente verwendet wird. Bei der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
a) ist die Wand des Probengefäßes zumindest teilweise aus einem Material hergestellt, das für infrarotes Licht
transparent ist;
b) ist das transparente Gefäßwandmaterial an der Innenseite des Gefäßes mit einem Material beschichtet, das einen
hohen und stabilen Emissionsfaktor (e > 0,5; de/dT < 0,001) aufweist;
c) wird die Temperatur der Innenseite der Gefäßwand als ein
Maß für die Schmelzentemperatur nahe der Wand verwendet; und
d) wird die Temperatur innerhalb des Gefäßes unter Verwendung optischer Pyrometrie, die von außerhalb des Schmelzengefäßes
aus angewandt wird, gemessen.
Die vorliegende Erfindung betrifft sowohl eine Vorrichtung
zur Ausführung des oben erwähnten Verfahrens als auch ein Schmelzengefäß zum Messen der Temperatur in einer Schmelze
unter Verwendung optischer Pyrometrie.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur und des Erstarrungsverhaltens eines ge-
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schmolzenen Metalls unter Verwendung von Pyrometrie. Pyrometer sind bereits früher zum Messen der Temperatur geschmolzener
Metalle verwendet worden. Die Anwendung hier stellt eine Verbesserung in der Genauigkeit der thermischen Analyse
dar und erlaubt es somit, mehr Information zu erhalten.
Die Vorrichtung gemäß unserer Erfindung umfaßt ein Probengefäß, wobei die Wand des Gefäßes aus einem Material wie
beispielsweise Quarz (mit einer ausreichenden Reinheit, um einen thermischen Schock oder Rißbildung zu vermeiden), das
für infrarotes Licht transparent ist, hergestellt ist. Die Innenseite der Gefäßwand ist mit einem Material beschichtet,
das einen hohen und stabilen Emissionsfaktor aufweist. Beispiele solcher Beschichtungen umfassen keramische Materialien,
die insbesondere zumindest eines der folgenden umfassen: Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Mullit, Zirkon,
Titannitrid, Bornitrid oder Mischungen derselben.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren beschrieben werden, wobei
Fig. 1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Probengefäßes
betrifft;
Fig. 2 einen Längsschnitt einer Verbindungseinrichtung zeigt, die zum Verbinden des Lichtleiters mit dem
Pyrometer geeignet ist;
Fig. 3 eine vollständige Anordnung zum Ausführen des Temperaturmeßverfahrens
offenbart;
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Fig. 4 einen Satz von drei Kühlkurven zeigt, die von dem Wandbereich eines Probengefäßes gemäß der vorliegenden
Erfindung erhalten worden sind, wobei zwei der Kurven durch pyrometrische Messungen erhalten worden
sind und die verbleibende Kurve unter Verwendung eines Standard-Eintauch-Thermoelements erhalten worden
ist; und
Fig. 5 einen Satz von zwei Kühlkurven offenbart, die von der Mitte eines Probengefäßes gemäß der vorliegenden
Erfindung erhalten worden sind, wobei eine Kurve
durch pyrometrische Messungen erhalten worden ist und die andere unter Verwendung eines Standard-Eintauch-Thermoelements.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Probengefäßes, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Das Material
der Gefäßwand 1 ist transparent für infrarotes Licht und ist vorzugsweise Quarz oder Quarzglas. Die Innenseite der Wand 1
ist mit einem keramischen Material 3 beschichtet, das einen hohen und stabilen Emissionsfaktor aufweist, wie beispielsweise
Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Mullit, Zirkon oder Mischungen derselben.
Die gemessene Temperatur ist tatsächlich die Temperatur der Beschichtung 3 und nicht die Temperatur der Schmelze, aber
die Beschichtungstemperatur ist in Wirklichkeit eine Messung der Schmelzentemperatur nahe der Wand. Durch die Verwendung
eines solchen Probengefäßes wird das Problem, ein Thermoelement in Verbindung mit einem Messen der Schmelzentemperatur
unmittelbar an der Probengefäßwand anzuordnen, beseitigt.
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Um die Temperatur in der Mitte des Probengefäßes zu messen, kann eine Technik verwendet werden, die ähnlich zu derjenigen
ist, die zum Messen nahe der Wand verwendet wird. Das Probengefäß in Fig. 1 ist mit einem mittig angeordneten Quarz-Führungsstab
2 versehen, der in derselben Weise wie die Probengefäßwände 1 beschichtet ist. Der Stab ist vorzugsweise aus
demselben, für infrarotes Licht transparenten Material hergestellt wie der Rest des Probengefäßes und kann mit einem mittig
angeordneten Hohlraum versehen sein, in den ein faseroptischer Lichtleiter eingeführt werden kann.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Verbindungseinrichtung, die
dazu verwendet wird, den mittig angeordneten Lichtleiter 2 des Probengefäßes in Fig. 1 anzuschließen. Die Einrichtung
umfaßt eine Kupplungshülse 4, eine Verbindungsfaser 24, die teilweise durch die mittige Öffnung der Kupplungshülse 4 hindurchgeht.
Die Verbindungsfaser 24 ist mit der pyrometrisehen
Detektionsausrüstung verbunden. Die Kupplungshülse weist einen Luftkanal 6 auf, mittels dessen kontinuierlich saubere
Luft angeliefert wird, so daß eine Luftbarriere geschaffen wird, die Partikel davon abhält, die Verbindungsfaser 24 zu
durchdringen.
Fig. 3 offenbart ein Beispiel einer vollständigen Anordnung zum Ausführen des Meßverfahrens. Eine der Verbindungseinrichtung
aus Fig. 2 entsprechende Einrichtung 11 ist vor dem Wandpyrometer 9-angeordnet worden. Diese Ausrüstung wird als
"Luft-Reiniger" bezeichnet und schützt die Linse 10 des Pyrometers 9 vor Partikeln, indem es eine Luftbarriere schafft.
Saubere Luft wird kontinuierlich durch einen Luftanschluß 12 angeliefert. Das Pyrometer ist mittels einer Lichtleitfaser 8
mit dem Probengefäß 20 verbunden.
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Um Metall davon abzuhalten, die dem Pyrometer 9 zugewandte
Wand 28 zu blockieren oder zu schwärzen, sind das Probengefäß und der Träger 13 um einige Winkelgrade in die Richtung von
dem Pyrometer 9 weg geneigt worden. Das Ergebnis hiervon ist, daß irrtümlich überfließendes Metall zu der gegenüberliegenden
Seite hin läuft und daher das Pyrometer 9 nicht stört. Aus demelben Grund ist eine Schutzplatte 14 oberhalb des Probengefäßes
angeordnet worden. Alternativ hierzu kann die Platte als ein Trichter ausgebildet sein.
Fig. 4 offenbart einen Satz von drei Kühlkurven, die von dem
Wandbereich des oben beschriebenen Probennahmegefäßes erhalten worden sind. Die Bezeichnung der Kurven wird wie folgt
erläutert: ,
TCB das benachbart zu der Wand angeordnete Standard-Eintauch-Thermoelement;
und
OFT8 die an der Wand des transparenten Probengefäßes
erhaltene Lichtleitfaser-Pyrometer-Temperatur.
Der erste bemerkenswerte Punkt in Fig. 4 ist die Differenz in
dem absoluten Temperaturniveau für die drei Kurven. Das in der Kurve von TC, gezeigte Niveau ist korrekt, während die
Pyrometerkurven (Ch.2 und Ch.4 Pyrometer) zu tief liegen.
Dies ist einfach ein Kalibrierungseffekt, und ein geeigneter konstanter Temperatur-Kalibrierungsfaktor könnte in einfacher
Weise zu den beiden Pyrometerkurven hinzu addiert werden, um alle drei Kurven auf dasselbe Temperaturniveau zu bringen.
Dieser Kalibrierungsvorgang ist Fachleuten wohlbekannt.
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Der zweite Punkt, von größerer metallurgischer Bedeutung, ist, daß die zwei Pyrometerkurven eine deutliche Minimumstemperatur
(bei ungefähr 45 Sekunden) zeigen, die von einer Rekaleszenz und einem Maximum gefolgt wird. Das herkömmliche
Eintauch-Thermoelement zeigt dieses Verhalten nicht, weil der Quarz-Probenbecher Wärme so schnell aus dem Wandbereich verliert,
daß das Eintauch-Thermoelement nicht ausreichend anspricht, um die latente Erstarrungswärme zu detektieren.
Schließlich zeigt der Vergleich der drei Kurven, daß die Pyrometer-Temperaturmessung empfindlicher ist als die Eintauch-Thermoelement-Messung
und daß dieses neue Konzept die Ansprechzeit und die Auflösung relativ zu herkömmlichen Thermoelementen
verbessert hat, um die kritischen Erstarrungsdaten bereitzustellen, auf die in der WO86/01755 und, obwohl
hier nicht gezeigt, in der WO92/06809 Bezug genommen wird.
Ferner sollte zur Kenntnis genommen werden, daß die in Fig. 4 gezeigten Pyrometerkurven keinerlei Datenvorbehandlung unterzogen
worden und daher noch nicht "geglättet" sind.
Ähnlich der Fig. 4 vex-gleicht der Satz von Kühlkurven in Fig.
5 das herkömmliche Eintauch-Thermoelement (TCA) und das
Lichtleitfaser-Pyrometer (OFTn), jedoch wird dieser Vergleich
für die Mitte des Probengefäßes ausgeführt. Wiederum sind die zwei Kurven um einen konstanten Kalibrierungsfaktor voneinander
getrennt, der in einfacher Weise addiert werden könnte, um die Pyrometerdaten anzupassen. Anders als bei den in Fig.
4 dargestellten Kurven sind die Pyrometerdaten in diesem Fall
vorbehandelt worden und daher ist die Kurve "glatt" und bereit für eine Analyse, die die korrekte Bestimmung von
Minima, Maxima und Kühlratensteigungen umfaßt. Es ist ferner interessant zu bemerken, daß beide Kurven ein Minimum (bei
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ungefähr 140 Sekunden) und eine Rekaleszenz zu einem Maximum zeigen. Dies liegt daran, daß die Wärmeverlustrate in der
Mitte der Probe niedriger ist als diejenige an der Wand und daher auch das Eintauch-Thermoelement eine ausreichende
Ansprechfähigkeit aufweist, um die latente Erstarrungswärme zu detektieren. Gegenwärtigen Techniken der thermischen
Analyse fehlt die Fähigkeit, kleinere thermische Anomalien, wie beispielsweise Austenit-Ausscheidung oder das genaue
Einsetzen der eutektischen Reaktion, zu bestimmen. Das beschriebene
Verfahren verschafft eine vollständig neue thermische Information, die zweifellos den Wert der thermischen
Analyse verbessern wird.
Wie in diesen Schaubildern gezeigt, ist das infrarote pyrometrische
Temperaturfühlen eine leistungsstarke Technik, die verbesserte Empfindlichkeit, Ansprechzeit und Genauigkeit
bietet. Natürlich beseitigt sie auch den Verbrauch von teuren Eintauch-Thermoelementen und von Sonden-Zusammenbauzeit.
Claims (7)
1. Schmelzengefäß zum Messen der Temperatur in einer
Schmelze, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gefäßwand (1) zumindest teilweise aus einem für
infrarotes Licht transparenten Material hergestellt ist,
daß dieses Material, an der Innenseite des Gefäßes, mit einem Material beschichtet ist, das einen hohen und
stabilen Emissionsfaktor (e>Ö,5; de/dT<0,001) aufweist, und
daß das Schmelzengefäß mit mindestens einem Führungsstab .(2) versehen ist, dessen eines Ende an
einem Meßpunkt innerhalb des Schmelzengefäßes, insbesondere in der Mitte des Schmelzengefäßes,
angeordnet ist und dessen anderes Ende außerhalb des Gefäßes angeordnet ist, so daß der Führungsstab (2) als
ein Übermittler für infrarotes Licht von dem Meßpunkt zu einer pyrometrisehen Meßausrüstung (9) wirksam ist.
2. Schmelzengefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsstab (2) zumindest teilweise mit einer
Beschichtung aus einem Material, das einen hohen und stabilen Emissionsfaktor (e>0,5; de/dT<0,001) aufweist,
versehen ist.
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2. Oktober 1998
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3. Schmelzengefäß nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus einem
keramischen Material hergestellt ist, das insbesondere mindestens eines der folgenden umfaßt: Aluminiumoxid,
Magnesiumoxid, Mullit, Zirkon, Titannitrid, Bornitrid oder Mischungen derselben.
4. Schmelzengefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzengefäß zur Aufnahme von Metallschmelzen, insbesondere von
Vermiculargraphit-Gußeisen-Schmelzen, geeignet ist.
5. Vorrichtung zur thermischen Analyse von Metallschmelzen, insbesondere von Vermiculargraphit-Gußeisen-Schmelzen,
umfassend ein Gefäß und einen oder mehrere Temperatursensoren, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gefäß zumindest teilweise aus einem für infrarotes Licht transparenten Material hergestellt ist, daß die
Innenseite des Gefäßes, zumindest in dem aus transparentem Material hergestellten Bereich, mit einem
Material beschichtet ist, das einen hohen und stabilen Emissionsfaktor (e>0,5; de/dT<0,001) aufweist, und daß
mindestens ein Temperatursensor ein optisches Pyrometer (9) ist.
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6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß mit einem Führungsstab (2) versehen ist,
dessen eines Ende an einem Meßpunkt innerhalb des Schmelzenprobengefäßes, insbesondere in der Mitte des
Schmelzenprobengefäßes, angeordnet ist und dessen anderes Ende außerhalb des Gefäßes angeordnet ist, so
daß das Gefäß und der Stab (2) eine Einheit bilden, und daß die Innenseite des Gefäßes und der Teil des Stabes
(2) innerhalb des Gefäßes mit einer Beschichtung aus einem Material, das einen hohen und stabilen
Emissionsfaktor (e>0,5; de/dT<0,001) aufweist, versehen
sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung aus einem keramischen Material hergestellt ist, das insbesondere mindestens eines der
folgenden umfaßt: Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Mullit, Zirkon, Titannitrid, Bornitrid oder Mischungen
derselben.
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