DE3725615C3 - Tauchpyrometer zum Messen hoher Temperaturen - Google Patents

Tauchpyrometer zum Messen hoher Temperaturen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Tauchpyrometer zum Messen hoher Temperaturen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem bekannten Tauchpyrometer (DE-GM 74 19 633) sind als geeignete Werkstoffe für das Gehäuse Graphit, Tonerdegraphit oder auch Kohlestein angegeben. Dabei soll die Zusammensetzung des Tonerdegra­ phits für das Gehäuse niedrige Aluminiumoxidanteile (10 bis 20%) sowie hohe Siliciumoxidanteile (20 bis 40%) zusammen mit Silciumkarbid aufweisen. Eine solche Zusammensetzung ist ausreichend bei Eisenschmelztempe­ raturen, nicht jedoch geeignet bei Temperaturen, die flüssiger Stahl erreicht. Die Ursache für die mangelnde Höchsttemperaturfestigkeit liegt darin, daß die gelehrte Zusammensetzung zuviel Siliciumoxid und keine ausrei­ chend große Menge Aluminiumoxid enthält.
Es ist ferner bekannt (DE-AS 23 25 607), ein metallisches Schutzrohr, das das Thermoelement umgibt durch ein metallisches Halterohr zu umschließen. Auf das metallische Schutzrohr und das metallische Halterohr wird ein Gußeisenschutzrohr direkt aufgegossen. Das Gußeisenschutzrohr kann den hohen Temperaturen und erosi­ ven Bedingungen von geschmolzenem Eisen und Schlacke nicht widerstehen.
Es ist ferner ein Tauchpyrometer bekannt (DE-AS 17 73 710), bei dem das Thermoelement von einem Schutz­ rohr aus Aluminiumoxid umgeben ist. Das Aluminiumoxidrohr ist innerhalb eines Eisenrohrs angeordnet, dessen Innendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser des Aluminiumoxidrohrs. Der Ringraum zwischen Aluminiumoxidrohr und Eisenrohr ist durch feuerfestes Metalloxid und einen verkohlbaren Binder ausgefüllt. Der verkohlbare Binder, wie beispielsweise Pech oder Furfurylalkohol-Polymerisat, das Maleinsäureanhydrid als Katalysator enthält, wird in flüssigem Zustand hinzugefügt, um die Poren der ungebrannten feuerfesten Kornmischung zu imprägnieren. Die Mischung wird auf über 800°C erhitzt, um den Binder zu verkohlen und die flüssigen Bestandteile auszutreiben.
Schließlich sind hochtemperaturfeste Cermetwerkstoffe bekannt (US-PS 3,990,860), deren spezielle Anpas­ sung an die Bedingungen von Tauchpyrometern sind im Stand der Technik jedoch nicht angesprochen.
Es ist ferner eine Schutzhülle für ein Thermoelement bekannt (US-PS 47 21 534, welche schweren thermi­ schen Schocks widerstehen kann und eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion und Erosion durch geschmolzene Metalle aufweist. Es erscheint wünschenswert, die Standzeit dieser Schutzhülle weiter zu verbes­ sern.
Ausgehend von dem eingangs erwähnten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Tauchpyrometer der als bekannt vorausgesetzten Art zu schaffen, das für den Einsatz bei kontinuierlichen Messungen von flüssigen Stahltemperaturen geeignet ist und eine hohe Standfestigkeit aufweist. Dabei soll es möglich sein, das Thermoelement mit der Metallrohrumhüllung mehrfach verwendbar zu machen unter Verwen­ dung eines jeweils neuen Gehäuses in einer neuen Charge.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils von Anspruch 1.
Das erfindungsgemäße Tauchpyrometer kombiniert angemessene mechanische Dauerfestigkeit mit einer gu­ ten Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion und Erosion in Anwesenheit von Schlacke und 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 mit dem einseitig geschlossenen Molybdän­ rohr selbst teuer ist, daß aber das äußere Gehäuse das Molybdänrohr gegen eine Korrosion bei hoher Umge­ bungstemperatur schützt. Dabei ist es zusätzlich vorteilhaft, daß für den Fall, daß das äußere Gehäuse ausfällt, das Molybdänrohr für vergleichsweise lange Zeit einen Schutz für das darin befindliche Temperaturmeßelement gibt.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand 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, und
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine innere Umhüllung mit einem darin angeordneten Thermoelement.
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 Verwen­ dung eines Metallrohrs. Das Material des Metallrohrs ist Molybdän, da Molybdän vergleichsweise gering mit dem Material des äußeren Gehäuses reagiert.
Das einseitig geschlossene Metall-Rohr 12 bildet einen Innenraum 13, welcher die Thermoelementverbindung bzw. Lötstelle 54 enthält. Die Thermoelementdrähte 50 und 52 verbinden den Anschlußkopf 62 mit der Meßstel­ le 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 hergestellt. Molybdän ist das Metall der Wahl zur Verwendung bei sehr hohen Temperatu­ ren, und zwar wegen seiner exzellenten mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen. Die thermische Leitfähigkeit und die spezifische Wärme des Metalls des Metallrohres steuern die Temperaturerhöhung im Inneren des Metallrohrs und das Ergebnis sind milde Umgebungsbedingungen für das Thermoelement. Es kann auch Molybdän verwendet werden, welches geringe Anteile von Titan und Zirkon enthält. Die entsprechende Legierung hat den Vorteil, daß ein stärkeres Metallrohr entsteht als wenn es ausschließlich aus Molybdän besteht, weil die Legierung eine Rekristallisation bei den interessierenden Temperaturen verhindert.
Wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist, dient das äußere Gehäuse 2 zum Schutz der innenliegenden Teile vor flüssigem Metall und Schlacke. Das äußere Gehäuse 2 ist aus einer Mischung aus Graphit und einem Metalloxid hergestellt. Die Konzentration des Graphits ist so ausgewählt, daß eine gute Wärmeleitfähigkeit für das Gehäuse erzeugt wird.
Das äußere Gehäuse 2 ist an einem Ende geschlossen und besitzt eine Ausnehmung 3 für die innere Umhül­ lung 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 Ausnehmung 3 bilden, sind so ausgewählt, daß sie gutes thermisches Ansprechverhalten 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 schmelzba­ res Aluminiumoxid 6 gehalten. Eine Ausnehmung mit geeigneten Abmessungen für die innere Umhüllung wird gebildet, indem man in die Ausnehmung des äußeren Gehäuses einen Gußhilfskörper einsetzt, 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 Thermoelementeinrichtung in die nach Entfernen des Hilfskörpers verbliebene Ausnehmung eingesetzt. Für ein angemessenes thermisches Ansprechverhalten muß die Spitze der inneren Hülse in direktem thermi­ schen Kontakt mit dem äußeren Gehäuse stehen. Demzufolge sollte das gießfähige oder schmelzfähige feuerfe­ ste 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 Mi­ schung führt zu einem guten thermischen Ansprechverhalten.
Feuerfeste Materialien und Strukturen, welche Zusammensetzungen aufweisen, wie sie vorstehend genannt wurden, sind handelsüblich und einige von diesen können zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung verändert werdet. Die nachstehende Tabelle zeigt die chemische Zusammensetzung einiger dieser feuerfesten Materialien:
Zusammensetzung in %
Wie vorstehend ausgeführt, wird ein unbeschichtetes Molybdänrohr als innere Umhüllung verwendet. Ein unbeschichtetes Molybdänrohr hat den Vorteil gegenüber beschichteten 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 Molybdänrohrs. 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, beispielsweise über 100 Stunden.
Nachfolgend ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen beschrieben:
Beispiel
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 anfänglichen 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 Gußdorn, 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 beschichtet ist, entfernt. Das Gehäuse wird 24 Stundenlang luftgetrock­ net 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 (12)

1. Tauchpyrometer zum Messen hoher Temperaturen, insbesondere für flüssige Metalle, mit einer Temperaturmeßeinrichtung, die ein Thermoelement aufweist, das ein einseitig geschlos­ senes Metallrohr als Umhüllung aufweist,
wobei das Thermoelement in der Nähe des geschlossenen Endes im Metallrohr angeordnet ist, die Temperaturmeßeinrichtung von einem zu ihrem Schutz dienenden Gehäuse umschlossen ist, dessen äußere Oberfläche zum Kontakt mit flüssigen, in hohen Temperaturen vorliegen­ den Medien ausgebildet ist, an einem Ende des Gehäuses eine Ausnehmung, in die die Tem­ peraturmeßeinrichtung einsetzbar und herausnehmbar ist, angeordnet ist, und das Gehäuse aus einer Mischung von feuerfestem Metalloxid und Graphit besteht,
dadurch gekennzeichnet,
daß das einseitig geschlossene Metallrohr (12) ein unbeschichtetes Molybdänrohr ist,
daß die das Gehäuse (2) bildende Mischung 13 Vol-% Siliziumoxid, 52 Vol.-% Aluminiumoxid und 32 Vol.-% Graphit enthält,
daß das Molybdänrohr mit Thermoelement durch Auswechslung des Gehäuses (2) wieder­ verwendbar ist und
daß eine kontinuierliche Temperaturmessung in flüssigem Stahl in der Größenordnung von 1565°C möglich ist.
2. Tauchpyrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geschlossene Ende des Molybdänrohres in engem Kontakt mit einem Teil der inneren Oberfläche der Ausneh­ mung (3) steht, während der Rest des feuerfest ausgebildeten Molybdänrohres mit Abstand von der inneren Oberfläche der Ausnehmung (3) angeordnet ist.
3. Tauchpyrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (3) und das Molybdänrohr runde Querschnitte aufweisen und daß die Ausnehmung (3) eine kleinere Querschnittsfläche an ihrem inneren geschlossenen Ende als an ihrem äußeren offe­ nen Ende aufweist, wobei der Querschnitt an ihrem inneren geschlossenen Ende annähernd gleich ist dem Querschnitt des Molybdänrohres in der Nähe seines geschlossenen Endes.
4. Tauchpyrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Bereichs der Ausnehmung (3), welcher den kleineren Querschnitt aufweist, ca. 1,2 cm bis ca. 30 cm beträgt.
5. Tauchpyrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Bereichs der Ausnehmung (3), welcher den kleineren Querschnitt aufweist, ca. 1,2 cm bis ca. 5 cm be­ trägt.
6. Tauchpyrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Ausnehmung (3) an deren äußerem offenen Ende ca. 3 mm bis ca. 25 mm größer ist als der Durchmesser des Molybdänrohres.
7. Tauchpyrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Molybdänrohr während des Gebrauchs bei hohen Temperaturen mit dem feu­ erfesten Oxid-Graphit-Material des äußeren Gehäuses (2) dergestalt reagiert, daß sich eine Oberflächenschutzschicht auf dem Molybdänrohr bildet.
8. Tauchpyrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke des Gehäuses (2) am geschlossenen, der Ausnehmung (3) gegenüberliegenden Ende des Gehäuses (2) im Bereich von ca. 6 mm bis ca. 25 mm liegt.
9. Tauchpyrometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Bereichs der Seitenwände des Gehäuses (2), welche in der Nähe des geschlossenen Endes des Gehäuses (2) liegen, eine Dicke von ca. 12 mm bis ca. 25 mm aufweist.
10. Tauchpyrometer nach einem der Ansprüche 1, 2, 7, 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (3) einen kleineren Querschnitt an ihrem inneren geschlossenen Ende als an ihrem äußeren offenen Ende aufweist.
11. Tauchpyrometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Bereich mit einem geringeren Querschnitt über einen Abstand von ca. 12 mm bis ca. 30 mm von dem ge­ schlossenen Ende (7) der Ausnehmung erstreckt.
12. Tauchpyrometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich mit gerin­ gerem Querschnitt sich über eine Länge von ca. 5 cm von dem geschlossenen Ende (7) der Ausnehmung erstreckt.
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