DE3725615A1 - Tauchpyrometer zum messen hoher temperaturen - Google Patents
Tauchpyrometer zum messen hoher temperaturenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Tauchpyrometer nach dem Oberbe
griff des Anspruchs 1.
Derartige Tauchpyrometer werden insbesondere für das Messen
der Temperaturen flüssiger Metalle verwendet.
Bei vielen industriellen und wissenschaftlichen Verfahren
ist eine Messung und Kontrolle extrem hoher Temperaturen
nötig. So ist beispielsweise die Messung der Temperatur ge
schmolzener Metalle für eine geeignete Verfahrensführung
bei der Metallherstellung wesentlich. Zwei der am meisten
verwendeten Geräte für die Bestimmung der Temperaturen
flüssiger Metalle sind das optische Pyrometer und die ent
fernbare Thermoelement-Lanze. Das optische Pyrometer ar
beitet nicht so genau, wie dies wünschenswert ist und kann
lediglich die Oberflächentemperatur des flüssigen Metalls
messen. Die bewegliche Thermoelement-Lanze ist ungenau. Sie
erlaubt nicht die kontinuierliche Messung der Temperatur
des flüssigen Materials und ihr Gebrauch wirft verschiedene
Sicherheitsprobleme für die Bedienungsperson, welche sie
benutzt, auf.
Als Folge der Nachteile sowohl des optischen Pyrometers als
auch der jeweils einsetzbaren Thermoelement-Lanze sind er
hebliche Anstrengungen zur Entwicklung eines Tauchpyrome
ters gemacht worden, das langzeitig ständig Meßwerte lie
fern soll. Bei einem Tauchpyrometer ist ein Thermoelement
in einem Rohr aus Metall mit hohem Schmelzpunkt einge
schlossen, welches mit einem keramischen Material, bei
spielsweise Aluminiumoxid Al2O3 oder einer Mischung aus
Aluminiumoxid und Chromoxid (Cr2O3) beschichtet ist. Die
Schichten schützen das Metallrohr gegenüber der flüssigen
Metallumgebung. Die Verwendung einer oder mehrerer kera
mischer Schichten ist jedoch nicht befriedigend, da eine
einfach oder mehrfach vorgesehene Keramikschicht zum Ab
splittern neigt mit der Folge, daß das flüssige Metall die
Metallhülse erreichen und angreifen kann. Die innere Me
tallhülse kann dem Angriff durch die Schlacke und/oder das
flüssige Metall nicht standhalten und wird zusammen mit dem
eingeschlossenen Thermoelement schnell zerstört. Das Meß
element, üblicherweise ein Edelmetall-Thermoelement, ist
teuer und es ist wünschenswert, dieses vielfach benutzen zu
können. Umhüllungen, welche für einen Schutz der Thermoele
mente entwickelt sind, haben zu einem langsamen thermischen
Meßverhalten geführt und dies macht die Entwicklungen für
zahlreiche Anwendungszwecke ungeeignet.
In einer älteren amerikanischen Anmeldung (US Serial No.
7 75 183 vom 12. September 1985) wird eine Schutzhülle für
ein Thermoelement beschrieben, welche schweren thermischen
Schocks widerstehen kann und welche eine gute Widerstands
fähigkeit gegenüber Korrosion und Erosion durch geschmol
zene Metalle aufweist. Obwohl die Standzeit dieser Schutz
hülle bereits relativ lang ist, ist es wünschenswert, die
Standzeit noch weiter zu verbessern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Tauch
pyrometer mit einer Umhüllung für ein Thermoelement zu
schaffen, welches für eine möglichst lange Zeitdauer in
einer Umgebung aus flüssigem Metall eingesetzt werden kann.
Außerdem soll das Tauchpyrometer so ausgebildet sein, daß
voneinander zu trennende innere und äußere Gehäuse für das
Temperaturmeßelement vorgesehen sind. Das Tauchpyrometer
soll eine Mehrzahl von Schutzschichten aufweisen und eine
gute Ansprechempfindlichkeit besitzen. Das Tauchpyrometer
soll schnell und genau möglichen Änderungen in der
Temperatur der flüssigen Metallbäder folgen können.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des
Kennzeichnungsteils von Anspruch 1.
Das erfindungsgemäße Tauchpyrometer kombiniert angemessene
mechanische Dauerhaftigkeit mit einer guten Widerstands
fähigkeit gegen Korrosion und Erosion in Anwesenheit von
Schlacke und/oder flüssigen Metallen bei einer schnellen
thermischen Ansprechempfindlichkeit. So kann beispielsweise
eine Lebensdauer in flüssigem Metall von über 100 Stunden
erzielt werden bei der Fähigkeit, innerhalb von 8 Minuten
von Raumtemperatur auf 1565°C zu gehen. Diese Eigenschaften
werden zudem noch mit vergleichsweise niedrigen Kosten
erzielt. Dies hat seine Ursache darin, daß zwar das
Temperaturmeßelement selbst sehr teuer ist, insbesondere
wenn ein Thermoelement aus Edelmetall verwendet wird, daß
aber das äußere Gehäuse die Metallröhre gegen eine
Korrosion der Umgebung mit hoher Temperatur schützt. Als
zusätzlicher Vorteil ist es anzusehen, daß für den Fall,
daß das äußere Gehäuse ausfällt, die innere Hülle für eine
lange Zeit einen Schutz für das darin befindliche
Temperaturmeßelement gibt.
Das äußere Gehäuse kann in einen Bottich oder anderen
Behälter für flüssiges Material eingebaut werden. Die
innere Umhüllung, welche das Temperaturmeßelement enthält,
kann bei Bedarf durch einen Bedienungsmann in das Gehäuse
eingesetzt oder daraus entfernt werden. Wenn es nötig ist,
das Thermoelement zu entfernen, während sich flüssiges
Metall im Behälter befindet, können das Thermoelement und
die innere Umhüllung sicher entfernt werden, da diese Teile
nicht mit der Schmelze in Berührung stehen. Am Ende des
Schmelzvorgangs kann beispielsweise die innere Umhüllung
entfernt und in einen anderen Behälter eingesetzt werden.
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der Er
findung an der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es
zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die innere Umhüllung
und das äußere Gehäuse mit einer
Zwischenschicht aus keramischem Material,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine innere Umhüllung
mit einem darin angeordneten Thermoelement,
Fig. 3 das teilweise geschlossene Ende, welches
Details der Schutzschichten der inneren
Umhüllung zeigt.
Fig. 1 zeigt, daß das Tauchpyrometer 1 eine innere
Umhüllung 11 aufweist, welche ein nicht dargestelltes
Temperaturmeßelement enthält. Die innere Umhüllung befindet
sich im Zentrum eines äußeren Gehäuses 2. Eine Zwischenlage
aus keramischem Vergußmaterial 6 ist zwischen der inneren
Umhüllung 11 und dem äußeren Gehäuse 2 vorgesehen. Das
Tauchpyrometer 1 ist zum Einsatz in eine Öffnung in den
Wänden oder an der Oberseite eines Behälters geeignet, der
flüssiges Metall enthält. Es kann mittels eines Flansches 4
am Behälter befestigt werden.
Die innere Umhüllung 11 muß hohe Festigkeit bei hohen
Temperaturen besitzen. Hierzu dient die Verwendung entweder
eines Metallrohrs oder eines mit Keramik oder
Keramik-Metall-Gemisch (Cermet) beschichteten Metallrohrs.
Als geeignete Metallrohre werden unter anderem solche aus
Molybdän und Nickel-Chrom-Stahl wie rostfreie Stähle
vorgeschlagen. Molybdän ist das bevorzugte Metall für
unbeschichtete Rohre, da es vergleichsweise gering mit dem
Material des äußeren Gehäuses reagiert.
Obwohl unbeschichtete Metallrohre verwendet werden können,
wird vorzugsweise für die innere Umhüllung 11 ein mit
Cermet beschichtetes Rohr verwendet. Der bevorzugte Aufbau
ist in der amerikanischen Patentanmeldung Ser. No. 7 75 183
mit Anmeldetag vom 12. September 1985 beschrieben. Wie dies
dort beschrieben und in den anliegenden Fig. 2 und 3
dargestellt ist, ist ein Metallrohr 12, vorzugsweise aus
Molybdän, mit einer Mehrzahl von porösen, einzelnen
Schichten 14 aus Keramik-Metall-Gemisch beschichtet und mit
einer äußeren Schicht aus einer Keramik. Die einzelnen
Cermetschichten sind dünne Schichten und enthalten
Aluminiumoxid-Chromoxid (Al2O3-Cr2O3) und Molybdän in einer
von innen nach außen abnehmenden Konzentration.
Das einseitig geschlossene Rohr 12 bildet einen Innenraum
13, welcher die Thermoelementverbindung bzw. Lötstelle 54
enthält. Die Thermoelementdrähte 50 und 52 verbinden den
Anschlußkopf 62 mit der Meßstelle 54 und sind durch eine
nicht dargestellte, zwei Bohrungen aufweisende Isolierung
in der Umhüllung 11 gehalten. Der Anschlußkopf 62 kann
nicht dargestellte Dichtungen aufweisen.
Das Metallrohr 12 wird durch bekannte Verfahren aus einem
Metall oder einer Metallegierung hergestellt, welche die
erforderlichen Eigenschaften aufweist, nämlich einen hohen
Schmelzpunkt und hohe Festigkeit gegenüber hohen Tempera
turen. Molybdän ist das Metall der Wahl zur Verwendung bei
sehr hohen Temperaturen, und zwar wegen seiner exzellenten
mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen. Die
thermische Leitfähigkeit und die spezifische Wärme des Me
talls des Metallrohres steuern die Temperaturerhöhung im
Inneren des Metallrohrs und das Ergebnis sind milde Umge
bungsbedingungen für das Thermoelement. Es kann auch Molyb
dän verwendet werden, welches geringe Anteile von Titan und
Zirkon enthält. Die entsprechende Legierung hat den Vor
teil, daß ein stärkeres Metallrohr entsteht als wenn es
ausschließlich aus Molybdän besteht, weil die Legierung
eine Rekristallisation bei den interessierenden Tempera
turen verhindert.
Auch Metallrohre aus rostfreiem Stahl sind relativ befrie
digend zur Verwendung als innere Schutzhülle oder als Be
standteil der inneren Schutzhülle, wenn Temperaturen von
niedrigerschmelzenden Materialien gemessen werden sollen,
beispielsweise Aluminium oder Messing. Rostfreier Stahl hat
einen Kostenvorteil gegenüber Molybdän und aus diesem Grund
kann er in einigen Anwendungsfällen das Metall der Wahl für
das Metallrohr sein. Obwohl auch andere Metalle als Molyb
dän oder Molybdän-Legierungen für das Metallrohr verwendet
werden können, wie dies vorstehend erläutert wurde, wird
das Metallrohr 12 nachstehend zur Vereinfachung als Molyb
dänrohr angesprochen. Es ist selbstverständlich möglich,
auch andere geeignete Materialien anstelle von Molybdän
vorzusehen.
Obwohl Molybdän einen sehr hohen Schmelzpunkt aufweist,
oxidiert es bei hohen Temperaturen sehr rasch.
Molybdän wird auch durch chemisch aggressive Gase an
gegriffen, die in der Umgebung einer Metallschmelze vor
handen sind. Aus diesem Grund muß eine Schutzschicht ver
wendet werden, um das Molybdän-Rohr gegenüber der Umgebung
zu schützen, wenn es entweder innerhalb oder außerhalb des
äußeren Gehäuses 2 liegt.
Das Molybdän-Rohr wird vorzugsweise durch eine Beschichtung
geschützt, welche eine Mehrzahl von porösen Lagen aus einem
Keramik-Metall-Gemisch, nämlich Aluminiumoxid-Chromoxid-
Molybdän aufweist, welche auf die äußere Oberfläche des
Metallrohrs mit Hilfe eines Lichtbogen-Plasma-Sprühver
fahrens aufgebracht werden.
Es ist übliche Praxis beim Aufbringen keramischer Be
schichtungen auf Träger, die aus Keramik oder Metall
bestehen, die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des
Auftragsmaterials und des Trägers zur Deckung zu bringen,
um die thermischen Beanspruchungen, welche aus Temperatur
änderungen resultieren und welche die Beschichtungen er
weichen und schließlich zerstören werden, möglichst gering
zu halten.
Damit die thermischen Expansionskoeffizienten der Be
schichtungen mit den Trägermaterialien zusammenpassen,
ergeben sich jedoch scharfe Beschränkungen in der Wahl
des Materials, welches effektiv für Beschichtungen be
nutzt werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungs
form der Erfindung wird aus den Abweichungen in der
thermischen Expansion zwischen dem keramischen Material
und dem Molybdän ein Vorteil in der Weise gezogen, daß
man gesteuerte thermisch-mechanische Belastungen erzeugt,
welche feine, gut steuerbare Mikrorisse in der Be
schichtung erzeugen. Solche Haarrisse sind in Fig. 3
mit Bezugszeichen 15 bezeichnet. Das Entstehen solcher
Haarrisse oder Feinrisse führt mit einer geeignet großen
Porosität in den Schutzschichten zu einem Schutzschild,
welches einen sehr guten Widerstand gegen Thermoschocks
ebenso wie eine exzellente chemische Dauerhaftigkeit in
aggressiven Umgebungen hat.
Die porösen Schichten aus Cermet, insbesondere Aluminium
oxid -Chromoxid-Molybdän kann direkt auf die äußere
Oberfläche des Metallrohrs 12 aufgebracht werden. Dieses
Metallrohr ist vorzugsweise aufgerauht, beispielsweise
durch Sandstrahlen, um die Adhäsion der Schutzschicht zu
verbessern. Bei einem bevorzugten Verfahren zur Her
stellung des Tauchpyrometers wird jedoch die äußere
Oberfläche des Metallrohrs 12 zunächst mit einer porösen
Schicht aus Molybdän 16 gebildet, welche aus Molybdän-
Pulver gebildet ist. Das Molybdän-Pulver wird mit dem
Lichtbogen-Plasma-Sprühverfahren auf die Oberfläche des
Metallrohrs 12 aufgesprüht.
Fig. 3 zeigt die aus Einzelschichten ausgebildete
Schutzschicht 14. Sie besteht aus einer porösen Verbindungs
schicht 16 aus Molybdän, auf die poröse Cermet-Schichten
18, 20 und 22 aufgebracht sind und eine Mischung aus
Aluminiumoxid-Chromoxid-Molybdän enthalten. Das Molybdän
ist in von innen nach außen abnehmenden Konzentrationen
in den verschiedenen Schichten enthalten. Die äußere
Schicht 24 besteht nahezu vollständig aus Aluminium
oxid-Chromoxid.
Das Aluminiumoxid-Chromoxid kann Chrom in einer Konzentration
von ca. 10 Mol% bis ca. 30 Mol% enthalten. Vorzugsweise
enthält das Aluminiumoxid-Chromoxid-Pulver Chromoxid im
Bereich von ca. 20 Mol%. Aluminiumoxid-Chromoxid (Al2O3-
Cr2O3), das ca. 20 Mol% Chromoxid enthält, hat einen
thermischen Expansionskoeffizienten von ca. 8 Teilen pro
Million pro °C.
Das Molybdän hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
von annähernd 5,4 Teilen pro Million und °C. Dies führt
zu einem Unterschied in den thermischen Expansions
koeffizienten von 45% zwischen der Keramik und dem
Molybdän.
Das Aluminiumoxid und das Chromoxid können durch mechanisches
Mischen von Aluminiumoxid-Pulver und Chromoxid-Pulver
zubereitet werden. Das bevorzugte Material ist jedoch
ein Pulver, das vollständig durch sekundäre Erhitzung
reagiert hat.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der inneren Schutz
hülle wird die erste Schicht auf dem Molybdän-Träger aus
Molybdän-Pulver gebildet. Nachfolgende Schichten haben
eine abnehmende Konzentration an Molybdän und eine
zunehmende Konzentration an Keramik. Die Außenschicht
besteht zu 100% aus Keramik. Da das Ausmaß der Verände
rungen in den Zusammensetzungen von Schicht zu Schicht
nicht kritisch ist, erfolgt bei einem bevorzugten
Verfahren zur Herstellung des Tauchpyrometers die
Konzentrationsänderung des Molybdäns in einem geradzahligen
Volumen/%-Verhältnis von der inneren Schicht zu den
äußeren Schichten.
Während die Zahl der Schichten aus Keramik-Metall-Gemisch
von zwei bis zehn betragen kann und vorzugsweise von drei
bis neun, erweist es sich jedoch, daß es nur geringe Vor
teile mit sich bringt, wenn man über fünf Schichten ver
wendet. Außerdem steigen die Kosten zur Herstellung der
inneren Hülle mit der Anzahl der verwendeten Lagen.
Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung der Um
hüllung besteht die Schutzschicht 14 aus fünf Schichten,
beginnend mit 100 Vol% Molybdän in der ersten Schicht,
gefolgt von 75 bis 25 Vol% Keramik für die zweite Schicht,
50 Vol% Molybdän-50 Vol% Keramik für die dritte Schicht,
25 Vol% Molybdän-75 Vol% Keramik für die vierte Schicht
und 100 Vol% Keramik für die fünfte Schicht.
Die Gesamtdicke der aufgebrachten verschiedenen Schichten
kann von ca. 0,5 mm bis ca. 1 mm variieren.
Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung des Tauch
pyrometers hat die poröse Molybdän-Schicht, die auf dem
Molybdän-Rohr liegt, ebenso wie jede der folgenden porösen
Keramik-Metall-Gemisch-Schichten eine Dicke von ca.
0,05 mm bis 0,1 mm. Die äußere keramische Schicht hat eine
Dicke von ca. 0,4 mm bis ca. 0,6 mm. Eine genaue Kontrolle
der Dicken der verschiedenen Schichten ist nicht wesent
lich zur Erzeugung einer inneren Hülle, welche keramischen
Schocks widerstehen kann. Bei einem bevorzugten Verfahren
zur Herstellung des Tauchpyrometers hat jedoch jede der
Schichten aus Molybdän und Keramik-Metall-Gemisch annähernd
die gleiche Dicke, beispielsweise ca. 0,07 mm.
Es ist wesentlich, daß die Cermet-Schichten eine Porosität
von ca. 4 bis ca. 33% haben. Der bevorzugte Bereich der
Porosität beträgt ca. 15 bis 30% und das Optimum liegt
in der Größenordnung von 20 bis 25%. Die Wirkung der
Poren ist nicht vollständig geklärt, es ist anzunehmen,
daß die Poren die Ausdehnung des Materials in den Schichten
begünstigen, wenn diese einer Umgebung mit hoher Temperatur
ausgesetzt werden. Die Bestimmung der angegebenen Porosität
erfolgt durch optische Mikroskopie mit Hilfe üblicher
stereologischer Technik.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Erzeugung der gewünschten
Porosität besteht darin, daß man die Molybdän-Schicht,
die Keramik-Metall-Gemisch-Schichten und die Keramik-
Schichten mittels eines Plasma-Lichtbogen-Sprühverfahrens
aufbringt. Dieses Verfahren hat sich als besonders günstig
erwiesen, weil es die Kontrolle der kritischen Parameter,
nämlich der Oberflächenstruktur und der Porosität der
Schichten, erlaubt. Der Porositätsgrad einer metallischen,
keramischen oder Keramik-Metall-Gemisch-Schicht beim
Plasmasprühen wird in erster Linie durch die Verfahrens
parameter bestimmt. Hierzu gehören die eingesetzte
Energie für den Lichtbogen, die zugeführte Pulvermenge,
der Abstand und der Winkel der Trägeroberfläche von dem
Sprühstutzen und die Bewegungsgeschwindigkeit des Sprüh
stutzens über die Trägeroberfläche.
Der Energieeinsatz liegt üblicherweise im Bereich von
ca. 15 bis 45 kW, das bevorzugte Energieniveau der einge
setzten Energie beträgt ca. 30 bis 40 kW. Eine Absenkung
der eingesetzten Energiemenge führt zu einer Vergrößerung
der Porosität in der aufgebrachten Schutzschicht.
Die zugeführte Pulvermenge kann im Bereich von ca. 2,5 bis
4,5 Kilo Pulver pro Stunde betragen. Eine Verminderung
der Pulverzuführrate verringert die Porosität der aufge
sprühten Schicht.
Der Sprühstutzen wird vorzugsweise in einem Abstand von
5 cm bis ca. 16 cm von der Oberfläche des Trägers gehalten.
Die Porosität der aufgebrachten Schicht wächst mit einem
Anwachsen der Distanz zwischen Sprühstutzen und Träger.
Der Winkel der aufgesprühten Teilchen beträgt, bezogen
auf eine senkrecht zu dem zu besprühenden Teil liegende
Achse, bis zu 30°, der bevorzugte Winkelbereich liegt
zwischen 0° bis ca. 10°. Die Porosität wächst mit dem
Auftragswinkel. Die Auftragsgeschwindigkeit des Sprüh
stutzens auf der Trägeroberfläche kann von ca. 10 cm bis
ca. 30 cm pro Sekunde betragen. Die Porosität wächst mit
der zunehmenden Auftragsgeschwindigkeit.
Bei einem bevorzugten Verfahren wird der Träger beim
Besprühen gedreht. Eine typische Drehgeschwindigkeit
beträgt ca. 600 Umdrehungen pro Minute für einen rohr
förmigen Träger von ca. 1,25 cm.
Zum Ausführen des Beschichtungsverfahrens sollte der Träger
aufgeheizt werden, vorzugsweise auf eine Temperatur im
Bereich von ca. 90°C bis ca. 260°C. Obwohl eine Änderung
der Trägertemperatur den Porositätsgrad verändern kann,
erscheint dieser Einfluß eher gering. Auch die Art und
Stärke der Plasmagase haben geringe Auswirkungen auf die
Steuerung des Porositätsgrades. Übliche Gase sind ein
Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff im Volumen-Verhältnis
Stickstoff : Wasserstoff von ca. 4:1 bis 8:1. Typische
zweckmäßige Ausströmraten betragen 70 bis 100 ltr pro Minute
für Stickstoff und 8,6 bis 17 ltr pro Minute für Wasser
stoff.
Wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist, dient das äußere
Gehäuse 2 zum Schutz der innenliegenden Teile vor flüssigem
Metall und Schlackenschicht. Das äußere Gehäuse 2 ist aus
einer Mischung aus Graphit und einem Metalloxid herge
stellt. Typische geeignete Mischungen sind Aluminiumoxid-
Graphit-Siliciumoxid, Zirkonoxid-Graphit, Magnesiumoxid-
Graphit oder irgendwelche Kombinationen daraus. Die
Konzentration des Graphits ist so ausgewählt, daß eine
gute Wärmeleitfähigkeit für das Gehäuse erzeugt wird und
sie kann im Bereich zwischen ca. 10 bis 35 Gew% liegen.
Die Konzentration des Graphit liegt vorzugsweise im Bereich
von ca. 25 bis ca. 35 Gew%.
Das äußere Gehäuse 2 ist an einem Ende geschlossen und
besitzt eine Höhlung 3 für die innere Umhüllung 11. Die
Ausnehmung 3 hat ein unteres engeres Ende und ein oberes
weiteres Ende 9. Sie ist so ausgebildet, daß sie dicht
um die Spitze der inneren Umhüllung 11 herumpaßt und hat
einen Wärmeweg von niedrigem Wärmewiderstand zur inneren
Umhüllung 11 und zur Thermoelement-Meßstelle 54.
Die Dimensionen der Wände, welche die Höhlung 3 bilden,
sind so ausgewählt, daß sie gutes thermisches Ansprech
verhalten mit langer Lebensdauer kombinieren. Wenn die
Wände zu dünn sind, ist die Lebensdauer kurz und wenn die
Wände zu dick sind, ist das thermische Ansprechverhalten
zu schlecht. Eine Wandstärke von weniger als 6 mm ist
zu wenig und zu zerbrechlich, während eine Wandstärke
am Ende von 25 mm oder darüber zu einem schlechten
thermischen Ansprechverhalten führt. Die bevorzugte Dicke
der Stirnwand beträgt 6 mm bis 12 mm und die optimale
Dicke beträgt ca. 12 mm. Die seitliche Wandstärke sollte
nicht geringer als 12 mm sein und ist vorzugsweise von
12 bis 25 mm dick.
Die Ausnehmung 3 muß sich weit genug vom Ende des Gehäuses
erstrecken, um das Thermoelement 54 zu umgeben. Je größer
die Tiefe der Ausnehmung desto besser ist das thermische
Ansprechverhalten. Eine Tiefe von ca. 30 cm. vom unteren
Ende 7 zum oberen Ende 9 wird die praktisch obere Grenze
sein, wenn man die Herstellungskosten von langen schlanken
Ausnehmungen berücksichtigt und der praktische Bereich
reicht von einer Tiefe von ca. 1,25 cm bis zu ca. 30 cm.
Die bevorzugte Tiefe beträgt ca. 5 cm.
Während die innere Ausnehmung 3 so ausgelegt ist, daß
sie eng um die Spitze der Umhüllung paßt, hat bei einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der äußere
Bereich 5 der Ausnehmung im Gehäuse 2 einen Durchmesser,
der größer als der der Umhüllung ist. Dieser Bereich 5
hat vorzugsweise einen Durchmesser, der ca. 12 mm bis
ca. 25 mm größer ist als der Durchmesser der Umhüllung.
Die innere Umhüllung 11 wird innerhalb des Gehäuses 2
in einem Abstand durch gießbares oder schmelzbares
Aluminiumoxid 6 gehalten. Eine Ausnehmung mit geeigneten
Abmessungen für die innere Umhüllung wird gebildet, indem man in die
Ausnehmung des äußeren Gehäuses einen Gußhilfskörper ein
setzt, welcher die gleiche Größe und Form wie die innere
Umhüllung aufweist.
Es wird dann eine schmelzfähige oder gießfähige feuerfeste
Masse, beispielsweise Aluminiumoxid, in die verbleibende
ringförmige Höhlung gepackt, bis diese vollständig gefüllt
ist. Danach wird der Füllkörper entfernt und die Thermo
elementeinrichtung in die nach Entfernen des Hilfskörpers
verbliebene Ausnehmung eingesetzt. Für ein angemessenes
thermisches Ansprechverhalten muß die Spitze der inneren
Hülse in direktem thermischen Kontakt mit dem äußeren Ge
häuse stehen. Demzufolge sollte das gießfähige oder
schmelzfähige feuerfeste Material aus der Ausnehmung 6
am Boden des äußeren Gehäuses ferngehalten werden.
Das Graphit dient zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des
Gehäuses und seine Anwesenheit in der Mischung führt zu
einem guten thermischen Ansprechverhalten. Die Konzentration
des Graphits kann in gewisser Weise von der Umgebung ab
hängen, der das Gehäuse ausgesetzt ist. So ist beispiels
weise Zirkonoxid ein ausgezeichnetes Metalloxid zur Ver
wendung in Verbindung mit Schlacke. Damit die vollen
Vorteile aus den Eigenschaften von Zirkonoxid ausgenutzt
werden, kann die Konzentration des Graphits relativ gering
gehalten werden, beispielsweise von ca. 10% bis ca. 20%.
Als typisch ist die Konzentration des Graphits in der
Metalloxid-Graphit-Mischung im Bereich von ca. 20% bis
ca. 35% anzusehen und vorzugsweise liegt die Konzentration
im Bereich von ca. 25% bis ca. 30%.
Die Metalloxide Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Magnesium
oxid oder Mischungen dieser Metalloxide können im wesent
lichen die Reste der Mischung bilden oder auch andere
Hochtemperaturmaterialien wie beispielsweise SiC und SiO2
können in Anteilen von ca. 15 bis 20% vorhanden sein.
Feuerfeste Materialien und Strukturen, welche Zusammen
setzungen aufweisen, wie sie vorstehend genannt wurden,
sind handelsüblich und einige von diesen können zur Ver
wendung bei der vorliegenden Erfindung verändert werden.
Die nachstehende Tabelle zeigt die chemische Zusammen
setzung einiger dieser feuerfesten Materialien:
Wie vorstehend ausgeführt, kann ein unbeschichtetes Molybdän
rohr als innere Umhüllung verwendet werden. Ein unbe
schichtetes Molybdänrohr hat den Vorteil gegenüber be
schichteten Rohren, daß es preisgünstiger ist und daß
der Angriff in der Umgebung des Graphit enthaltenden
äußeren Gehäuses beispielsweise in der Nähe der Spitze,
welche in die Ausnehmung 3 eingesetzt ist, beschränkt ist.
Ein Kontakt des Molybdänrohrs mit dem feuerfesten Oxid-
Graphit-Material des äußeren Gehäuses führt zu einer gut
kontrollierbaren Aufkohlung der Oberfläche des Molybdän
rohrs. Die Bildung einer Karbid-Oxid-Oberfläche auf dem
Molybdänrohr verringert den weiteren Abbau des Rohrs und
führt zu einer selbstheilenden Oberflächenschicht, welche
eine lange Lebensdauer der Oberfläche erlaubt, beispiels
weise über 100 Stunden. Die bevorzugte Methode ist die
Verwendung einer keramischen Schutzschicht, da sogar dann,
wenn das äußere Gehäuse versagt, das Meßelement selbst durch
die keramische Beschichtung gegenüber dem flüssigen
Metall geschützt ist.
Nachfolgend ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
Erfindung im einzelnen beschrieben:
Ein Molybdänrohr mit einer Wandstärke von 2,8 mm, einem
Durchmesser von ca. 13 mm und einer Länge von ca. 30 cm
wird gereinigt, entfettet und seine äußere Oberfläche
sandgestrahlt mit feinkörnigem Aluminiumoxid. Das so
vorbehandelte Rohr, welches fertig für die Beschichtung
ist, wird auf eine Temperatur von ca. 150° gebracht und,
während es mit 600 U/min rotiert, im Lichtbogen-Plasma-
Sprühverfahren mit Molybdän-Pulver besprüht zur Bildung
einer porösen Schicht, die 0,08 mm dick ist. Das Sprühen
wird ausgeführt durch Zuführen von Molybdän-Pulver mit
einer Menge von 3,5 kg/Std in einem Bogen mit einer
Mischung von 85% Stickstoff und 15% Wasserstoff und
einer Leistung von 35 kW. Der Sprühstutzen wird ca. 10 cm
von der äußeren Oberfläche des sich drehenden Metallrohrs
gehalten und parallel zu der Rohrachse mit einer Ge
schwindigkeit von ca. 20 cm/Sek. bewegt. Der Sprühstutzen
wird in einem solchen Winkel gehalten, daß die ge
schmolzenen Partikel des Molybdäns die äußere Oberfläche
des Rohrs unter einem Winkel von 10° von einer Linie
treffen, die senkrecht zu der Achse verläuft.
Das mit einer porösen Molybdän-Schicht beschichtete Metall
rohr wird auf eine Temperatur von ca. 150°C erwärmt und
besprüht zur Bildung einer porösen Cermetschicht oben
auf die poröse Molybdänschicht. Hierzu wird ein Pulver
benutzt, welches aus 75 Vol% von Molybdän und 25 Vol% von
Aluminiumoxid-Chromoxid besteht. Das Mol-Verhältnis von
Aluminiumoxid zu Chromoxid beträgt 4:1.
Auf eine Schicht in der Dicke von 0,08 mm, welche aus
50 Vol% Molybdän und 50 Vol% Aluminiumoxid-Chromoxid
besteht, folgt eine Schicht in der Dicke von 0,08 mm aus
25 Vol% Molybdän und 75 Vol% Aluminiumoxid-Chromoxid.
Danach folgt eine Schicht in einer Dicke von 0,5 mm aus
im wesentlichen reinem Aluminiumoxid-Chromoxid. Alle
diese Schichten sind unter den gleichen Bedingungen wie
sie die vorhergehenden Schichten aufwiesen, im Plasma-
Sprühverfahren auf das rotierende Rohr aufgesprüht worden.
Jede der porösen Schichten hat eine Porosität im Bereich
von 20 bis 25%. Zwischen jedem Beschichtungsschritt wird
das Rohr auf ca. 150°C aufgeheizt.
Das äußere Gehäuse für die entstandene innere Umhüllung
wird aus einer Pulvermischung gebildet, welche aus
Aluminiumoxid-Graphit-Siliciumoxid in den Anteilen von
52 Vol% Aluminiumoxid, 32 Vol% Graphit und 13 Vol%
Siliciumoxid besteht. Die Mischung, welche ein Bindemittel
enthält, wird isostatisch um einen Dorn gepreßt zur
Bildung eines Bereichs, der die Gestalt des Elements 2
aufweist, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Nach dem
Pressen wird der resultierende grüne Block gebrannt,
damit das Material zusammenschmilzt. Nach dem anfäng
lichen Brennen wird das Gehäuse an seiner Außenseite
mit einem Gemisch aus Glasmasse oder Porzellanmasse
beschichtet und anschließend zur Bildung einer glasigen
Deckschicht erneut gebrannt. Diese Deckschicht dient
dazu, die Oxidation des Graphits zu verhindern. Ein Guß
dorn, welcher geringfügig größer als die innere Hülle ist,
wird in die Ausnehmung eingesetzt und ein gießbares oder
schmelzbares Aluminiumoxid wird dann in den sich ergebenden
Ringraum gefüllt, bis dieser vollständig ausgefüllt ist.
Es wird darauf geachtet, daß kein Aluminiumoxid in die
Ausnehmung am Boden des äußeren Gehäuses gerät. Danach
wird der Gußdorn, welcher mit einem Entformungsmittel be
schichtet ist, entfernt. Das Gehäuse wird 24 Stunden lang
luftgetrocknet und dann bei 357°C für weitere 24 Stunden
gebrannt. Anschließend wird die Thermoelementeinrichtung
in die Öffnung eingesetzt, die sich durch das Entfernen
des Dorns ergeben hat.
Claims (19)
1. Tauchpyrometer zum Messen hoher Temperaturen, insbesondere
für flüssige Metalle,
dadurch gekennzeichnet, daß es ein äußeres, zum Schutz dienendes Gehäuse (2) für eine
Temperaturmeßeinrichtung (11, 54) aufweist, welches Seiten
wände und Stirnwände besitzt, wobei die Wände äußere Ober
flächen zum Kontakt mit flüssigen, in hohen Temperaturen
vorliegenden Medien aufweisen, wobei im Inneren des Gehäuses
eine Ausnehmung (3) mit Innenwänden vorgesehen ist und die
Ausnehmung (3) einseitig offen zum Einsetzen und Entfernen
der Temperaturmeßeinrichtung (11, 54) ausgebildet ist, wobei
das Gehäuse (3) feuerfestes Metalloxid und Graphit enthält und
Graphit in ausreichend hoher Konzentration vorgesehen ist,
damit eine gute Wärmeleitung zwischen der äußeren Oberfläche
des Gehäuses und den Innenwänden der Ausnehmung (3) gewähr
leistet ist.
2. Tauchpyrometer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Temperaturmeßelement (11, 54) eine Umhüllung (11) auf
weist, die ein Thermoelement (54) umschließt und diese Um
hüllung (11) ein einseitig geschlossenes Metallrohr (12) auf
weist, wobei das Thermoelement (54) in der Nähe des ge
schlossenen Endes der Umhüllung (11) angeordnet ist.
3. Tauchpyrometer nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das geschlossene Ende der Umhüllung (11) in engem Kontakt
mit einem Teil der inneren Oberfläche der Ausnehmung (3) liegt,
wobei der Rest des feuerfest ausgebildeten Metallrohrs
(12) mit Abstand von der inneren Oberfläche der Aus
nehmung (3) angeordnet ist und der Raum zwischen der
inneren Umhüllung (11) und der inneren Oberfläche der
Ausnehmung (3) im wesentlichen mit feuerfestem Metall
oxid (6) ausgefüllt ist.
4. Tauchpyrometer nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das feuerfeste Metalloxid Aluminiumoxid ist.
5. Tauchpyrometer nach Ansprch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausnehmung (3) und die Umhüllung (3) runde Quer
schnitte aufweisen und daß die Ausnehmung (3) eine
kleinere Querschnittfläche an dem inneren geschlossenen
Ende als am äußeren offenen Ende aufweist, wobei der
Querschnitt am inneren geschlossenen Ende annähernd
gleich ist dem Querschnitt in der Nähe des geschlossenen
Endes der Umhüllung (11).
6. Tauchpyrometer nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge des Bereichs der Ausnehmung (3), welche
den kleineren Querschnitt aufweist, von ca. 1,2 cm bis
ca. 30 cm beträgt.
7. Tauchpyrometer nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Bereich der Ausnehmung (3), welcher den kleineren
Querschnitt aufweist, ca. 1,2 cm bis ca. 5 cm beträgt.
8. Tauchpyrometer nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Durchmesser der Ausnehmung (3) an deren äußerer
Öffnung ca. 3 mm bis ca. 25 mm größer ist als der
Durchmesser der Umhüllung (11).
9. Tauchpyrometer nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das äußere Gehäuse (2) Graphit in einer Konzentration
von ca. 10 bis 35 Gew.% enthält.
10. Tauchpyrometer nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das äußere Gehäuse (2) Graphit in einer Konzentration
von ca. 25 Gew.% bis ca. 30 Gew.% enthält.
11. Tauchpyrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Umhüllung (11) ein einseitig geschlossenes feuer
festes Metallrohr (12) enthält, welches mit einer Mehr
zahl von porösen Keramik-Metall-Gemisch-Schichten
(18; 20; 22) bedeckt ist, wobei die Keramik-Metall-
Gemisch-Schichten im wesentlichen aus Aluminiumoxid-
Chromoxid-Molybdän bestehen, die eine Porosität von
ca. 5% bis ca. 33% aufweisen, wobei eine Beschichtung
(24) aus im wesentlichen reinem Aluminiumoxid-Chromoxid
die äußere Keramik-Metall-Gemisch-Schicht (22) abdeckt,
wobei diese Keramik-Schicht (24) eine Porosität von
ca. 4% bis ca. 33% aufweist.
12. Tauchpyrometer nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Metallrohr (12) Molybdän enthält.
13. Tauchpyrometer nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Metallrohr (12) Metall enthält aus der Gruppe,
die Kohlenstoffstahl und Nickel-Chrom-Legierungen um
faßt.
14. Tauchpyrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wanddicke am geschlossenen Ende des Gehäuses
(2) im Bereich von ca. 6 mm bis ca. 25 mm liegt.
15. Tauchpyrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wanddicke des Gehäuses (2) am geschlossenen
Ende im Bereich von ca. 6 mm bis ca. 12 mm liegt.
16. Tauchpyrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Teil des Bereichs der Seitenwände,
welche in der Nähe der Stirnwand liegen, eine Dicke
von ca. 12 mm bis ca. 25 mm aufweist.
17. Tauchpyrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausnehmung (3) einen kleineren Querschnitt
im der Stirnwand benachbarten Bereich aufweist als
an der offenen Seite.
18. Tauchpyrometer nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich der Bereich mit einem geringeren Querschnitt
über einen Abstand von ca. 12 mm bis ca. 30 cm von
der Stirnwand (7) erstreckt.
19. Tauchpyrometer nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Bereich mit dem geringeren Querschnitt sich
über eine Länge von ca. 5 cm von der Stirnwand (7)
erstreckt.
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Owner name: VESUVIUS CRUCIBLE CO., PITTSBURGH, PA., US |
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