DE3022189C2

DE3022189C2 - Anordnung zur kontinuierlichen, elektrochemischen Langzeitmessung des Sauerstoffpotentials und der Temperatur in einem Bad

Info

Publication number: DE3022189C2
Application number: DE3022189A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr.-Ing. 4300 Essen Poetschke
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1980-06-13
Filing date: 1980-06-13
Publication date: 1982-03-18
Also published as: DE3022189A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur kontinuierliehen, elektrochemischen Langzeitmessung des Sauerstoffpotentials und der Temperatur in einem Bad, insbesondere einem Stahl- bzw. Metallbad mit starker, turbulenter Strömung, mittels einer gegen Wärmeschocks geschützten Meßzelle, die von einem äußeren Schutzmantel umgeben ist, der gegen mechanische, thermische und chemische Beanspruchung widerstandsfähig ist

Die Bestimmung des Sauerstoffpotentials in Stahlschmelzen ist zur Erzielung und Überwachung der Produktqualität ein wichtiges Hilfsmittel. Darüber hinaus ist die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes beim Stranggießen in Tundish und Kokille von großem Interesse, insbesondere zum Zeitpunkt des Pfannenwechsels beim Sequenzguß, da hierbei der Sauerstoffgehalt starken Schwankungen unterliegt. Als Material für die Meßzelle zur Bestimmung des Sauerstoffpotentials eignet sich Elektrolytwerkstoff, wie beispielsweise dotierte Zirkondioxidröhrchen, womit gegebenenfalls auch gleichzeitig eine Temperaturbestimmung erfolgen kann. Im übrigen sind zur Temperaturmessung Thermoelemente geeignet.

Nach dem bisher bekannten Stand der Technik werden die Messungen mit einer Dauer von 15 bis 20 Sek. in der Gießpfanne durchgeführt. Die Meßzeit wird dabei in entscheidendem Maße tiurch die Haltbarkeit der Meßzelle beschränkt Ursache für die Zerstörung der Meßzelle sind einerseits die Temperaturschockempfindlichkeit des in der Zelle verwendeten Elektrolytmaterials, wie beispielsweise der Zirkondioxidröhrchen, und andererseits die Badströmung, die zu einer mechanischen Zerstörung der Meßzelle führt.

Eine Verbesserung der mechanischen Stabilität liefert die aus der DE-PS 21 673 bekannte Meßsonde, bei der ein Keramikrohr und ein Metallrohr den Elektrolyten umgeben.

In der DE-PS 19 06 388 ist auch schon vorgeschlagen worden, einen Block aus Kupfer oder einem anderen, gut wärmeleitenden und leicht schmelzbaren Material unterhalb und/oder rings um den festen Elektrolyten so anzuordnen, daß dieser mit dem Schmelzbad in Berührung kommt und, indem er schmilzt. Wärme absorbiert. Allerdings besitzt auch diese Anordnung den Nachteil, daß die Meßzelle infolge der guten Wärmeleitfähigkeit beim Einführen in da«. Bad unmittelbar von der Außentemperatur auf die Schmelztemperatur des Kupfers bzw= des verwendeten leicht schmelzbaren Materials erhitzt wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die

f>5 neben der mechanischen und chemischen Haltbarkeit und Temperaturbeständigkeit nicht nur die Meßzelle vor einem Wärmeschock bei Einführung in das Bad, sondern auch die Zuleitungen zur Meßzelle vor der

abgestrahlten Badwäime schützt, ohne daß die MeQ-empfindlichkeit dadurch beeinträchtigt wird.

Die Aufgabe wird bei der genannten Anordnung dadurch gelöst, daß eine Isolierung aus einem Material mit geringem Wärmeleitvermögen mindestens ein zur Kontaktmessung der Badgrößen von dem Schutzmantel nicht bedecktes Teilstück der Meßzelle umhüllt und mit einem sich bei den Badtemperaturen selbständig auflösenden Werkstoff an dem Schutzmantel und/oder an der Meßiille befestigt ist. Während der Schutzmantel als mechanische Stütze dient, so daß nicht schon nach kurzer Zeit eine Meßzellenzerstörung auftritt, ermöglicht die mindestens das zur Kontaktmessung erforderliche Teilstück umhüllende Isolierung eine allmähliche Erwärmung der Meßzelle bis zur Badtemperatur, wobei der Zeitraum, bis zu dem die Meßzelle direkten Kontakt zum Bad hat, durch die Aufheiz- und Aufschmelzgeschwindigkeit des die Meßzeile und die Isolierung verbindenden Werkstoffs bestimmt ist Je nach Temperaturschockempfindlichkeit kann für die Isolierung ein Material geringerer Wärmeleitfähigkeit und größerer Dicke ausgewählt werden. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung besitzt der Schutzmantel Line Hohlzylinderform mit einer Wandstärke von 3 bis 5 mm, in dem die Meßzelle einliegt und aus dem das zur Kontaktmessung erforderliche Teilstück mit einer Länge von 2 bis 3 cm unbedeckt herausragt Die Hohlzylinderform besitzt bei allen auftretenden Badströmungen den geringsten Widerstandswert und erweist sich, je nach Strömungsgeschwindigkeit bei einer Wandstärke von 3 bis 5 mm als mechanisch ausreichend fest. Die Länge des zur Kontaktmessung erforderlichen Teilstückes ist insbesondere begrenzt durch die Badströmung, die ein Abbrechen der Meßzelle bewirken kann, und durch Erfordernisse hinsichtlich der Meßgenauigkeit. Ein optimaler Wert ist mit 2 bis 3 cm unbedeckter Meßzellenlänge gefunden worden.

Um ein optimales Ablösen der wärmedämmenden Isolierung von der Meßzelle zu gewährleisten, wird vorteilhafterweise zur Verbindung der Meßzelle und der Isolierung ein Werkstoff gewählt, dessen Schmelzpunkt 50 bis 100^cC unterhalb der Temperatur liegt, die das jeweilige Bad besitzt. Als zweckmäßiges Material für die Isolierung hat sich poröser, hochtonerdehaltiger Feuerleichtstein mit geringem Wärmeleitvermögen bewährt Die Befestigung der Isolierung an der Meßzelle besteht vorteilhafterweist- aus Klebstoff oder Klebeband, das leicht brennbar, abschmelzbar oder verdampfbar ist. Eine die vorgenannten Merkmale besitzende Isolierung schützt die Meßzelle vor einem Temperaturschock, wenn diese in das Bad geführt wird und ermöglicht auf der anderen Seite nach einer relativ kurzen Zeit Messungen mit der zu erwartenden Genauigkeit. Nicht zuletzt hinsichtlich der Badströmung bietet sich ein Hohlzylinder als geeignete Form für die Isolierung an. Nach einer Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht die Isolierung aus zwei gegeneinander liegenden Halbschalen und hat eine Wanddicke von 2 bis 3 cm. Um die Halbschalen zusammenzuhalten, verwendet man zweckmäßigerweise Metalldraht, insbesondere Nickeldraht, Der Metalldraht besitzt den Vorteil, bei den gängigen Badtemperaturen des Stahls selbst schmelzbar zu sein und keine Komponenten in das Metallbad einzubringen, die nicht ohnehin schon vorhanden sind. In einer weiteren Ausbildung der Lr'indung ruht der Nickeldraht in einer oder zwei Nuten der Halbringe, die von dem Umfang der Meßzelle in etwa 5 mm Abstand angeordnet sind und die nach außen durch feuerfesten Zement oder Schlichte abgeschirmt sind. Als Nickeldraht-Durchmtsser, der gleichzeitig die Nutengeometiie festlegt, haben sich 0,5 bis 1 mm bewährt.

Die Schwierigkeit, die beschriebene Meßzelle mit Schutzmantel und Isolierung zu haltern, wird durch einen am oberen Rand des Schutzmantels außerhalb des Bades in horizontaler Lage befestigten Hitzeschild gelöst Vorteilhafterweise besitzt der Hitzeschild

ίο Kastenform und besteht aus nichtrostendem Stahl. Der Hitzeschild schützt die außerhalb des Bades liegenden elektrischen Leitungen zwischen Meßzelle und Meßauswertung. Ein gesteigerter Schutz vor Wärmestrahlungen ist mit einem Hitzeschild möglich, der Kastenform hat und mit wärmedämmendem Material wie Gießpulver gefüllt ist. Als Material für den Hitzeschild bietet sich nichtrostender Stahl an, da er die Strahlungswärme gut reflektiert Darüber hinaus ist der Hitzeschild auch vorteilhaft dazu geeignet, eine Meßgestellhalterung zu tragen, die ein Einhängen bzw. eine Arretierung der Meßvorrichtung außerhalb des Bf->;s ermöglicht.

Ein Ausführungsbeispiei der Erfindung ist in t'er Zeichnung dargestellt, die die mechanische Halterung einer Meßzelle mit Schutzmantel und Isolierung zeigt.

Die ca. 25 cm lange Meßzelle 3 ist im wesentlichen mit einera Schutzmantel 1, einem Cermetrohr aus Mo/ZrC>2 mit einer Wandstärke von 4 mm so umhüllt daß ein Teilstück 2 auf einer Länge von 2 cm unbedeckt bleibt. Der Innendurchmesser des Schutzmantels 1 entspricht dem Außendurchmesser der Meßzelle 3. Als Befestigungsmaterial zwischen Meßzelle 3 und Schutzmantel 1 dient Kitt auf der Basis von Zirkondioxid. Cermet stellt hierbei vorteilhafterweise gleichzeitig den elektrischen Kontakt der Meßzelle 3 zur Schmelze her.

Um die freiliegenden Leitungen 8 vor der Wärmestrahlung des Bades zu schützen, trägt der Schutzmantel 1 an seinem oberen Ende einen in horizontaler Lage und an eine Msßgestellhalterung 7 befestigten Hitzeschild 6 in Kastenform, der mit Gießpulver als Wärmeisolator gefüllt und aus rostfreiem Stahl gefertigt ist. Die Umlaufkante 9 des Hitzeschildes 6 ist 5 mm i.och.

Das freie Teilstück 2 der Meßzelle 3 sowie ein Teil des Schutzmantels 1 sind mit einer Isolierung 4 aus porösem, tonerdereichen Feuerleichtstein mit geringer Wärmeleitfähigkeit überzogen. Die zylinderförmige Isolierung 4 hat einen Außendurchmesser von 3 cm und ist einseitig geschlossen. Die Meßzelle 3 und der Schutzmantel 1 sind insgesamt über eine Länge von 20 cm bedeckt. Darüber hinaus besteht die zylinderförmige Isolierung 4 aus zwei Halbschalen, die durch einen in der am Umfang angeordneten Nut 10 gelegten Metalldraht 5 zusammengehalten werden. Der Drahtdu'chmesser, dem die Nut 10 angepaßt ist, beträgt I mm. Die Wahl des Drahtmaterials richtet sich nach der im Bad vorliegenden Metallschmelze. Will man beispielsweise in einem Kupferbad messen, so wird ein Draht aus einem Materia! verwendet, dessen Schmelzpunkt 50 bis 100⁰C unterhalb der Badtemperatur liegt, also beispielsweise aus Silber. Bei Messungen in ■Stahlbädern liegen die Badtemperaturen oberhalb von 1153° C, vorzugsweise um 1500° C oder darüber. Die Nut 10 ist zum Schütze des Metalldrahtes 5 gegen die Schmelze mit feuerfestem Zement gefüllt und wie die

hi Schlitze des Länpsschnittes mit Schlichte bedeckt. Die Isolierung 4 ist nach Fertigstellen und Austrocknen über die Meßzelle 3 geschoben und mit einem Klebeband oder einem bei hoher Temperatur unbeständigen

Klebematerial an ihr befestigt worden.

Taucht man die zuvor beschriebene Anordnung in die Schmelze eines Metallbades, so steigt die Temperatur, der die Meßzelle 3 ausgesetzt ist, relativ langsam. Bei den verwendeten Abmessungen ist die Temperatur in der Umgebung der Meßzelle nach ca. 15 Minuten so weit angestiegen, daß der verwendete Nickeldraht schmilzt und sich die Halbschalen von der Zelle lösen. Dieser sich erst allmählich aufbauenden Temperaturbelastung hält die Meßzelle stand, so daß nach deren Freilegen die kontinuierliche l.angzeitmessung beginnen kann.

Bei Temperaturmessungen besteht die Mebzelle aus einem Thermoelement, dessen Zuleitungen in Schutzröhrchen aus Sinterkorund geführt werden. Sinterkorund ist bekanntlich ebenso wie Zirkondioxid temperatui schockempfindlich, so daß die erfindungsgemäße Isolierung einer Zerstäubung der Schutzröhrchen durch thermische Effekte vorbeugt. Sinterkorund ist ebenfalls, genau wie Zirkondioxid, der mechanischen Belastung durch die strömende Schmelze nicht gewachsen, so daß der Schutzmantel 1 hierbei dieselbe Schutzfunktion erfüllt, wie bei der elektrochemischen Sauerstoffbestimmung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur kontinuierlichen, elektrochemischen Langzeitmessung des Sauerstoffpotentials und der Temperatur in einem Bad, insbesondere einem Stahl- bzw. Metallbad mit starker, turbulenter Strömung, mittels einer gegen Wärmeschocks geschützten Meßzelle, die von einem äußeren Schutzmantel umgeben ist, der gegen mechanische, thermische und chemische Beanspruchung widerstandsfähig ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolierung (4) aus einem Material mit geringem Wärmeleitvermögen mindestens ein zur Kontaktmessung der Badgrößen von dem Schutzmantel (1) nicht bedecktes Teilstück (2) der Meßzelle

(3) umhüllt und mit einem sich bei der Temperatur des Bades selbständig auflösenden Werkstoff an dem Schutzmantel (1) und/oder an der Meßzelle (3) befestigt ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Schutzmantel (i) in Hohizyünderform mit einer Wandstärke von 3 bis 5 mm, in dem die Meßzelle (3) einliegt und aus dem das zur Kontaktmessung erforderliche Teilstück (2) mit einer Länge von 2 bis 3 cm unbedeckt herausragt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmedämmende Isolierung (4) mit einem Werkstoff an dem Schutzmantel (1) befestigt ist, dessen Schmelzpunkt 50 bis 100⁰C unterhalb der Temperatur des Bades liegt.

4. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Mz'-;rial für die Isolierung

(4) ein poröser, hochtonerdehaltiger Feuerleichtstein mit geringem Wärmeleitvermögen verwendet wird.

5. Anordnung nach Ansprüchen 1,3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung (4) an dem Schutzmantel (1) mit Klebstoff oder Klebeband befestigt wird, das leicht brennbar, abschmelzbar oder verdampfbar ist

6. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung (4) ein einseitig geschlossener Hohlzylinder ist.

7. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 3 bis 6, gekennzeichnet durch zwei gegeneinanderliegende Halbschalen als Isolierung (4).

8. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 3 bis 7. gekennzeichnet durch eine Isolierung (4) mit zwei bis drei Zentimetern Wandstärke.

9. Anordnung nach Ansprüchen 1, 7 und 8, gekennzeichnet durch mindestens einen, die Halbschalen zusammenhaltenden Metalldraht (S), insbesondere aus Nickel.

10. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickeldraht in einer oder zwei Nuten (10) der Halbschalen ruht, die von dem Umfang der Meßzelle (3) in etwa 5 mm Abstand angeordnet sind und die nach außen durch feuerfesten Zement und Schlichte abgeschirmt sind.

11. Anordnung nach Anspruch 10* gekennzeichnet durch einen Nickeldraht- und Nutendurchmesser von 0,5 bis 1 mm.

12. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis II. gekennzeichnet durch einen am oberen Rand des Schutzmantels (I) außerhalb des Bades in horizontaler Lage befestigten Hitzeschild (6).

13. Anordnung nach Ansprüchen I bis 12, dadurch

gekennzeichnet, daß der Hitzeschild (6) Kastenform hat und aus nichtrostendem Stahl besteht.

14. Anordnung nach Ansprüchen t bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeschild (6) mit Gießpulver gefüllt ist.

15, Anordnung nach Ansprüchen 1 his 14, gekennzeichnet durch eine Meßgestellhalterung (7), die vorteilhafterweise am Schutzschild (6) angebracht ist