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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft einen Tauchsensor, der zur Verwendung in einem
metallurgischen Behälter angepasst
ist, und spezieller einen Temperatur-Tauchsensor, der in einer Zwischenpfanne
zum Stranggießen
angeordnet ist.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Fähigkeit,
den Zustand von geschmolzenem Metall in einem metallurgischen Behälter kontinuierlich
zu überwachen,
ist sowohl aus wirtschaftlichen und qualitativen Gründen äußerst wünschenswert.
Eine genaue Überwachung
kann zum Beispiel einen durch Überhitzung
verursachten Energieverbrauch stark verringern. Andere Vorteile
einer kontinuierlichen Überwachung
von Bedingungen von geschmolzenem Metall schließen die Fähigkeit ein, Hochtemperatur-Phasenänderungen,
chemische Reaktionen oder andere damit in Beziehung stehende Erscheinungen
zu messen.
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Es
gibt gewisse Probleme, wenn Bedingungen von geschmolzenem Metall
innerhalb eines metallurgischen Behälters gemessen werden. Diese Probleme
schließen äußerst aggressive
Schlacken, Wärmeschock,
heftige Turbulenz aus Materialzugaben, Umrühren mit Argon, Spritzen und
Schalenschmelzen sowie Schwierigkeiten beim Befestigen des Sensors
im Behälter
ein.
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Sensoren
sind typischerweise in einer schützenden
Anordnung eingeschlossen. Sensoren schließen chemische Sensoren, wie
Sauerstoffsensoren, und Temperatursensoren, wie Thermoelemente ein.
Thermoelemente zum Messen von Temperaturen von geschmolzenem Metall
sind zum Beispiel in der
US 4749416 beschrieben
worden. Solche Anordnungen aus dem Stand der Technik befestigen das
Thermoelement dauerhaft in einer Seitenwand oder einem Boden des
Behälters.
Alternativ können Thermoelemente
eine bewegliche schützende
Anordnung einschließen,
wie in der
US 4721533 ,
US 4746534 ,
US 5071258 und
US 6139180 beschrieben. Bewegliche
schützende
Anordnungen führen das
Thermoelement typischerweise durch eine schwimmende Schlackeschicht
in ein Bad von geschmolzenem Metal ein. Schlacke ist sehr korrosiv, und
eine schützende
Anordnung für
ein Thermoelement, die in Kontakt mit Schlacke steht, muss eine gute
Wärmeleitfähigkeit
und die Fähigkeit,
einen chemischen Angriff durch die Schlackeschicht auszuhalten,
kombinieren. Eine Mindestbetriebslebensdauer von einhundert Stunden
ist erwünscht.
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Feuerfestmaterialien
mit guter Wärmeleitfähigkeit
enthalten typischerweise Kohlenstoff. Unglücklicherweise beeinträchtigt Kohlenstoff
die Schlacke-Korrosionsbeständigkeit
und kann nach nur etwa zehn Betriebsstunden zu einem vorzeitigen Versagen
oder Ausfall führen.
Ein vorzeitiges Versagen kann auch aufgrund von Drahtbruch, "EMF-Drift" und chemischen Hochtemperaturreaktionen
auftreten. Kohlenstoff in der schützenden Anordnung kann solche
Ausfälle
akzentuieren, indem er an chemischen Reaktionen teilnimmt, die für den Sensor
schädigend
sind. Ein Einschließen
des Thermoelements im Inneren einer feuerfesten Metallhülle innerhalb der
schützenden
Anordnung ist effektiv gewesen, um unerwünschte chemische Reaktionen
zu vermindern. Unglücklicherweise
sind solche Metallhüllen
teuer und sind nicht ganz effektiv. Sogar einige Milligramm Verunreinigungen
sind ausreichend, um das Thermoelement durch Bruch des Drahts zu
zerstören,
insbesondere entlang von Korngrenzen, oder um aufgrund eines Reaktionsprodukts
um das Thermoelement herum eine EMF-Drift zu verursachen.
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Als
weitere Komplikation ist eine Bedienungsperson häufig am Zustand des tatsächlich aus dem
Behälter
austretenden geschmolzenen Metalls interessiert. Beim Stranggießen tritt
Metall durch einen Bodenauslass aus dem Behälter aus. Der Stand der Technik
weist insofern Mängel
auf, als der Sensor typischerweise nahe der Oberfläche des
Bades von geschmolzenem Metall angeordnet ist. Der Sensor zeichnet
daher nur nahe der Oberfläche
und nicht nahe dem Auslass auf. Gradienten im Behälter stellen
sicher, dass es unwahrscheinlich ist, dass Messungen nahe der Oberfläche des
Bades mit Messungen nahe dem Auslass identisch sind. Zum Beispiel wird
die Temperatur nahe der Oberfläche
eines Bades häufig
beträchtlich
von der Temperatur am Auslass abweichen. Im Stand der Technik verwendete Sensoren
können
verlängert
werden, um sich näher zum
Auslass zu erstrecken, jedoch vergrößert dies sowohl die auf den
Sensor einwirkenden Auftriebs- und Trägheitskräfte. Hohe Auftriebs- oder Trägheitskräfte können gefährliche
Bedingungen verursachen, wenn die Kontrolle über den Sensor verloren geht. Der
Sensor kann dann gewaltsam aus dem Bad ausgestoßen werden. Zudem ist ein langer
Sensor teuerer und unterliegt in stärkerem Maße einem vorzeitigen Versagen.
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Ein
weiterer Mangel eines sich durch die Oberfläche des Bades nach unten bewegenden
Sensors aus dem Stand der Technik ist die Notwendigkeit einer externen
Halterung. Die externe Halterung ist äußerst unpraktisch und unterliegt
einer Beschädigung
durch aus dem geschmolzenem Metall aufsteigende Wärme und
durch Kollision mit umgebenden Strukturen oder Ausrüstung während einer
Bewegung des Behälters.
Die externe Halterung darf die Behälterbewegung nicht behindern.
Folglich muss die Halterung so angebracht sein, dass sie die Bewegung
nicht behindert, oder sie muss jedes Mal, wenn der Behälter bewegt
wird, ausgerückt,
neu positioniert und wieder eingerückt werden. Die hinderliche Natur
der externen Halterung führt
häufig
zu Schäden
des Sensors oder der externen Halterung.
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Es
besteht ein Bedarf an einem Sensor, der sich leicht installieren
und betreiben lässt,
während
er eine Messung nahe dem Auslass eines metallurgischen Behälters gestattet.
Vorzugsweise sollte der Sensor hohe Auftriebs- und Trägheitskräfte vermeiden.
Der Sensor sollte durch Schlackenkorrosion nicht beeinträchtigt werden
und sollte eine Bewegung des metallurgischen Behälters nicht stören. Vorzugsweise
ist eine externen Halterung unnötig. Der
Sensor sollte keine Feuerfestmaterialien enthalten, die den Sensor
nachteilig beeinflussen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt einen Tauchsensor zur Verwendung
in einem metallurgischen Behälter,
wie einer Zwischenpfanne. Der Sensor wird so positioniert, dass
er sich im Gebrauch unterhalb von einer Oberfläche eines Bades von geschmolzenem
Metall innerhalb des Behälters
befindet. Der Sensor erstreckt sich zweckmäßig durch die Behälterwand
und ragt in das Volumen des Behälters.
Ein freies Ende des Sensors ist in einer schützenden Anordnung eingeschlossen.
Ein Feuerfestmaterial kann die schützende Anordnung umgeben.
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Ein
Ziel der Erfindung ist es, einen metallurgischen Behälter mit
einem Sensor bereit zu stellen, der entweder keinen Auftrieb in
einem Metallbad aufweist oder der Auftriebskraft ohne eine externe
Halterung zur Befestigung des Sensors widersteht. Das Fehlen einer
externen Halterung beseitigt die Möglichkeit eines Bruchs der
Halterung während
einer Bewegung des Behälters
und gestattet eine Bewegung des Behälters ohne Manipulation, Neupositionierung,
Einrücken
oder Ausrücken
einer externen Halterung. Ein zweites Ziel der Erfindung ist es,
einen Sensor bereit zu stellen, der zum Messen des unteren Teils
des Metallbades geeignet ist, wo ein Auslass für den metallurgischen Behälter typischerweise angeordnet
ist. Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, den Sensor entfernt
von den korrosiven Einwirkungen von Schlacke zu positionieren. Ein
weiteres Ziel ist es, einen Behälter
mit einem Sensor bereit zu stellen, der in das geschmolzene Metall
ragt, um dadurch das Muster der Metallströmung im Behälter zu verändern und zu steuern.
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Bei
einer Ausführungsform
kann der Sensor ein Temperatursensor sein, wie ein Thermoelement. Der
Temperatursensor kann einfach sein, leicht zu installieren und zu
entfernen und ist vorzugsweise zum einmaligen Gebrauch bestimmt.
Der Sensor gestattet eine kontinuierliche Temperaturmessung von
geschmolzenem Metall in einem Behälter. Bei einer zweiten Ausführungsform
ist der Sensor benachbart zu einem Auslass des Behälters angebracht,
wie demjenigen, der beim Stranggießen verwendet wird, so dass
der Sensor tatsächlich
den Ausfluss aus dem Behälter
misst. Bei einer anderen Ausführungsform kann
der Sensor entlang der Wände
des Behälters oder
innerhalb von Dämmen,
Wehren oder Ablenkeinrichtungen innerhalb des Volumens des Behälters angebracht
sein.
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Bei
noch einer anderen Ausführungsform kann
die schützende
Anordnung der Erfindung so geformt sein, dass sie das Strömungsmuster
von geschmolzenem Metall im Behälter
steuert oder aus dem Behälter
austretendes geschmolzenes Metall genauer misst. Die Erfindung kann
die zur Veränderung
des Strömungsmusters
erforderliche Funktionalität,
wie sie von einer Zwischenpfanne mit einem Damm, einem Prallkissen
oder einer Ablenkeinrichtung bereit gestellt wird, mit der zur Messung
der Temperatur des geschmolzenen Metall erforderlichen Funktionalität kombinieren.
Diese Kombination verringert Kosten und Komplexität der Zwischenpfanne.
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Andere
Vorteile der Erfindung schließen
das Erfordernis einer verhältnismäßig kurzen
schützenden
Anordnung ein, wodurch Kosten verringert werden, sowie einer Konfiguration,
die im Wesentlichen nur Druckkräfte
auf die Anordnung ausübt,
welche Kräfte
eine keramische Anordnung am leichtesten aushält.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines metallurgischen Behälters aus dem Stand der Technik
mit einem Sensor.
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2 zeigt
eine Seitenansicht eines metallurgischen Behälters aus dem Stand der Technik
mit einem Sensor und einem Wehr.
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3a zeigt
eine Seitenansicht eines metallurgischen Behälters mit einem Sensor der
vorliegenden Erfindung.
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3b zeigt
eine Oberseitenansicht des metallurgischen Behälters aus 3a.
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3c zeigt
eine Seitenansicht eines Sensors der vorliegenden Erfindung.
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4a zeigt
eine Oberseitenansicht eines Behälters
mit einem Sensor, der in das Volumen des Behälters ragt.
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4b zeigt
einen Querschnitt des überstehenden
Sensors aus 4a.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 ist
eine Schnittansicht eines metallurgischen Behälters 3 aus dem Stand
der Technik mit einem externen Sensor 2. Der Sensor tritt
in das Bad 8 aus geschmolzenem Metall durch die Oberfläche 9 des
Bades 8 ein. Häufig
schließt
die Oberfläche 9 eine
Schlackenschicht ein, die auf dem Bad 8 schwimmt. Der Sensor
kann zum Beispiel eine Temperaturmessvorrichtung sein, wie ein Thermoelement.
Der Sensor wird mindestens teilweise in einer schützenden
Anordnung 1 eingeschlossen und wird typischerweise mindestens
teilweise durch die Oberfläche 9 in
das Bad 8 eingetaucht. Das Eintauchen ist notwendig, um
Bedingungen im Bad zu messen. Die schützende Anordnung umfasst häufig eine
Feuerfestkeramik und kann auch eine innere Hülle einschließen, in
die der Sensor eingesetzt ist. Die schützende Anordnung aus dem Stand
der Technik muss einer Korrosion durch Schlacke widerstehen und kann
einen schlackebeständigen
Mantel einschließen.
Der Mantel kann eine Feuerfestkeramik oder ein Metall, wie Molybdän, oder
Aluminiumoxid hoher Reinheit umfassen.
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Beim
Stranggießen
von Metall tritt ein stromaufwärtiger
Metallstrom 11 aus einem stromaufwärtigen Behälter (nicht dargestellt) in
ein Gießrohr 6 und dann
als ankommender Strom 12 in den metallurgischen Behälter ein.
Das Gießrohr
gibt den ankommenden Strom 12 typischerweise unter der
Oberfläche 9 des
Bades 8 ab. Eine Abstichöffnung 7 bildet einen
Auslass durch den Boden des Behälters 3 und ermöglicht es
geschmolzenem Metall, aus dem Behälter abzufließen. Ein
Beschleunigungsstrom 14 beschleunigt sich bis zum Einlass
der Abstichöffnung 7. Ein
Ausfluss 13 verlässt
den metallurgischen Behälter 3 durch
eine Abstichöffnung 7.
Die höchsten
Geschwindigkeiten des Stroms von geschmolzenem Metall im metallurgischen
Behälter
findet man typischerweise in zwei Bereichen, nahe dem Auslassende
des Gießrohrs 6,
wie durch den ankommenden Strom 12 dargestellt, sowie an
dem Punkt, wo der Beschleunigungsstrom 14 in die Abstichöffnung 7 eintritt.
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Ein
Sensor, der durch die Oberfläche
in das geschmolzene Metallbad eintritt, muss an irgendeiner externen
Halterung befestigt werden, damit er eingetaucht und an Ort und
Stelle bleibt. Die externe Halterung muss die Sensorposition trotz
Trägheits- und
Auftriebskräften
fixieren. Trägheitskräfte werden durch
den Strom von geschmolzenem Metall im Bad hervorgerufen. Auftriebskräfte treten
auf, weil der Sensor typischerweise eine wesentlich geringere Dichte
als das geschmolzene Metall besitzt, das er verdrängt. Im
Allgemeinen ist die Auftriebskraft viel größer als die Trägheitskräfte. 1 zeigt
eine externe Halterung 4, die an der Sensoranordnung und
an irgend einer zweckmäßigen externen
starren Vorrichtung 5, wie einer Abdeckung des metallurgischen
Behälters,
einem Wagen des metallurgischen Behälters oder einer benachbarten
baulichen Vorrichtung befestigt ist.
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Wie
in 2 dargestellt, kann der Stand der Technik einen
Damm 21 innerhalb eines metallurgischen Behälters 3 einschließen. Der
Damm 21 wird benutzt, um den internen Metallstrom 22 nach
oben abzulenken. Die Ablenkung vermindert Stagnation im oberen Teil
des Behälters
und gestattet es, dass der Sensor 2 Bedingungen des Ausflusses 13 und
des in die Abstichöffnung
eintretenden Beschleunigungsstroms 14 genauer misst. Selbstverständlich misst der
Sensor 2 aus dem Stand der Technik den Ausfluss 13 oder
den Beschleunigungsstrom 14 nicht tatsächlich. Der Damm 21 lenkt
nur einen größeren Teil des
Stroms am Sensor 2 vorbei. Der Damm 21 ist nur eine
Art von Vorsprung, die verwendet werden könnte, um den internen Strom 22 zu
lenken. Andere Beispiele schließen
Ablenkeinrichtungen und Prallkissen ein. In jedem Fall sind diese
Vorrichtungen von der schützenden
Anordnung 1 getrennt und führen zu zusätzlichen Kosten und Komplexität.
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Wünschenswerterweise
misst ein Sensor einen Ausfluss aus einem Behälter. Der Stand der Technik
weist insofern Mängel
auf, als Sensoren oben in das Bad eingeführt werden, während das
geschmolzene Metall unten aus dem Bad austritt. Die 3a, 3b und 3c zeigen
eine erste Ausführungsform
der Erfindung. 3a ist eine Schnittansicht eines
Sensors der Erfindung, wie er in einem metallurgischen Behälter 3 verwendet
wird. 3b ist eine Oberseitenansicht
desselben. 3c ist eine Ansicht, welche
die Sensoranordnung 36 zeigt, umfassend einen Sensor 2,
eine schützende
Anordnung 1, die einen oberen Teil des Sensors umgibt,
sowie wahlweise eine schützende
Umhüllung 31,
die zumindest einen Teil eines unteren Teils des Sensors umgibt.
Der Sensor kann eine Temperaturmessvorrichtung, ein chemischer Sensor
oder irgendeine andere Art von Sensor sein, die dem Fachmann bekannt
ist. Die schützende
Anordnung umfasst eine erste Feuerfestzusammensetzung. Zweckmäßigerweise
umfasst die Zusammensetzung eine Feuerfestkeramik, wie Aluminiumoxid
oder Zirkoniumoxid. Die schützende
Umhüllung
umfasst eine zweite Feuerfestzusammensetzung, welche dieselbe oder
nicht dieselbe wie die erste Feuerfestzusammensetzung sein kann.
Die erste und zweite Zusammensetzung können gepresst, ausgehärtet oder
gebrannt werden, um ihr eine ausreichende mechanische Festigkeit
zu verleihen, um den Sensor vor Beschädigung zu schützen.
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3a zeigt
den Behälter 3 mit
einem Boden 32, der eine Öffnung 33 für die Sensoranordnung
begrenzt. Der Behälter
kann eine beliebige Art von metallurgischem Behälter sein, ist jedoch gewöhnlich eine
Zwischenpfanne oder ein anderer Behälter, aus dem während des
Betriebs ein bedeutendes Volumen des Behälters über einen relevanten Zeitraum ausströmt. Die
Sensoranordnung erstreckt sich durch die Öffnung 33. Zweckmäßig ruht
die schützende
Anordnung 1 auf der Innenseite 34 des Bodens 32.
Eine schützende
Umhüllung 31 kann
verwendet werden, um den Sensor vor Beschädigung zu schützen. Vorzugsweise
umgibt ein Feuerfestmaterial 35 die schützende Anordnung 1.
Das Feuerfestmaterial kann eine oder mehrere Feuerfestzusammensetzungen
umfassen, einschließlich
gießbare
oder rüttelbare
Materialien. Bevorzugter haftet das Feuerfestmaterial 35 an
der schützenden
Anordnung 1 und an der Innenseite 34. Zweckmäßig kann
das Feuerfestmaterial auch unterhalb von der schützenden Anordnung 1 verwendet
werden, um die Öffnung 33 zu füllen und
die Wahrscheinlichkeit eines Entweichens von geschmolzenem Metall
durch die Öffnung 33 zu verringern.
Das Feuerfestmaterial kann die schützende Anordnung 1 auch
gegen Trägheitskräfte stabilisieren,
die aus einem Strom von geschmolzenem Metall resultieren.
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Ein
Behälter
der Erfindung kann vor einer Bewegung des Behälters in eine Betriebsposition
gemäß der obigen
Beschreibung zusammengesetzt werden. Nach dem Betrieb kann der Behälter aus
der Betriebsposition heraus bewegt werden. Restliches Metall kann
aus der Zwischenpfanne entleert werden. Nach dem Gießen, und
typischerweise während oder
nach dem Entleeren von restlichem Metall, wird der Sensor weggeworfen
oder geborgen. Der Behälter
wird dann erneut betriebsbereit gemacht.
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Der
Sensor der Erfindung bietet dem geschmolzenen Metall im Wesentlichen
nach oben weisende oder im Wesentlichen vertikale Oberflächen dar.
Solche aufwärts
weisenden oder vertikalen Oberflächen
sind geringen oder keinen Auftriebskräften ausgesetzt. In der Tat übt das geschmolzene
Metall hauptsächlich
Druckkräfte
auf die schützende
Anordnung aus. Feuerfeste Keramikmaterialien, aus denen die schützende Anordnung
typischerweise besteht, sind unter Druck am stärksten, so dass die Sensoranordnung
keine externe Halterung benötigt.
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Eine
Anbringung des Sensors am Boden des Behälters gestattet es auch, Bedingungen
im unteren Teil des Behälters,
speziell des Ausflusses, bequemer zu messen. Die Sensoranordnung
kann nahe bei der Abstichöffnung 7 angebracht
werden. Anders als im Stand der Technik, wo sie sich durch die Oberfläche des
Bades von geschmolzenem Metall erstreckt, macht eine Anbringung
nahe der Abstichöffnung
keine Verlängerung
des Sensors erforderlich. Trägheitskräfte werden
nicht vergrößert und
die zur Herstellung der Sensoranordnung erforderliche Materialmenge
ist unverändert.
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Bezug
nehmend auf 3a, tritt der ankommende Strom 12 in
den Behälter 3 durch
ein Gießrohr 6 ein,
das in das Bad von geschmolzenem Metall eingetaucht ist. Der Ausfluss 13 verlässt den
Behälter durch
eine Abstichöffnung 7.
Unmittelbar um die Abstichöffnung 7 herum
bewegt sich ein Beschleunigungsstrom 14 zur Abstichöffnung 7 hin.
Bezug nehmend auf 3b, ragt die schützende Anordnung
in das Volumen des Behälters
und lenkt den Beschleunigungsstrom 14 teilweise um. Der
Beschleunigungsstrom 14 tritt in die Abstichöffnung 7 ein
und wird zum Ausfluss 13. Mit anderen Worten stellt die
Positionierung der schützenden
Anordnung 1 im unteren Teil des Behälters nahe der Abstichöffnung 7 sicher,
dass der Sensor Bedingungen des Stroms kurz vor seinem Eintritt
in die Abstichöffnung 7 misst. "Nahe" bedeutet eine Position
um die Abstichöffnung
herum, aus der ein Sensor imstande ist, den Beschleunigungsstrom während des
Gießens
zu messen. Eine Anbringung des Sensors nahe dem Auslass verringert
Unterschiede zwischen der Sensormessung und dem tatsächlichen
Zustand des Ausflusses.
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Die 4a und 4b zeigen
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung. 4a ist eine Oberseitenansicht
einer Sensoranordnung der vorliegenden Erfindung in einem metallurgischen
Behälter. 4b ist
eine Querschnittsansicht der Sensoranordnung 36. Die Anordnung
schließt
die schützende Anordnung 1,
den Sensor 2 und wahlweise das schützende Rohr 31 ein.
Diese Ausführungsform zeigt
eine alternative geometrische Konfiguration der schützenden
Anordnung 1, bei der die schützende Anordnung 1 in
Gestalt eines Damms vorliegt. Bei dieser Ausführungsform wird die Gestalt
der schützenden
Anordnung 1 benutzt, um den Beschleunigungsstrom 14 weiter
zu verändern,
umzulenken und zu steuern. Selbstverständlich können andere Geometrien für eine schützende Anordnung 1 verwendet werden,
einschließlich
Ablenkeinrichtungsformen, Aufprallkissenformen, Wehre und andere
Formen, die dem Fachmann bekannt sind.
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Natürlich sind
zahlreiche Abwandlungen und Veränderungen
der vorliegenden Erfindung möglich. Es
versteht sich daher, dass die Erfindung innerhalb des Umfangs der
nachfolgenden Ansprüche
anders als speziell beschrieben ausgeführt werden kann.