DE8317643U1

DE8317643U1 - Messsonde

Info

Publication number: DE8317643U1
Application number: DE19838317643
Authority: DE
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1983-06-14
Filing date: 1983-06-14
Publication date: 1984-06-14

Description

Die Neuerung betrifft eine Sonde zur Ermittlung des Gehaltes an aktivem Sauerstoff. Sowie zur gleichzeitigen Erfassung mindestens eines weiteren kennzeichnenden Wertes einer Metallschmelze.

Für die Beurteilung einer Metallschmelze, insbesondere einer Stahlschmelze, sowohl während der Schmelzperiode als auch nach dem Abstich und noch während des Gießens, ist es zu Untersuchungszwecken als auch 7<ir Produktionskontrolle von großem Interesse, bestimmte chemische oder auch physikalische kennzeichnende Zustandsgrößen zu ermitteln. Zu diesen Kennwerten gehören der freie oder aktive Sauerstoffgehalt, die Temperatur, als Analysenwert mindestens der Kohlenstoffgehalt und nicht zuletzt der Badstand des Metalles im Schmelzgefäß.

Zur Erfassung derartiger Meßwerte haben sich allgemein in letzter Zeit Sonden durchgesetzt, die nur zu einmaligem Gebrauch bestimmt sind. Aufgrund der unterschiedliehen Ausbildung der Sonden und der verschiedenartigen Meßwerterfassung für den jeweiligen Zweck sind Sonden bekannt, die es lediglich erlauben, entweder die Temperatur und den Sauerstoffgehalt, oder die Temperatur bei gleichzeitiger Probenahme für die Analyse und den Kohlenstoffgehalt im Wege der thermischen Analyse (Aufzeichnung der Erstarrungstemperatur der Schmelze) oder den Badstand zu erfassen.

Bei der Sauerstoffbestimmung sind Sonden bekannt, z.B. aus der DE-PS 28 42 136, bei der die Meßfühler für Temperatur und Sauerstoff in der Stirnseite eines keramischen Grundkörpers in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind. Diese Sonde genügt den Anforderungen, die an die Sauerstoffbestimmung unberuhigter Stahlschmelzen gestellt werden. Der freie Sauerstoffgehalt liegt hier in der Größenordnung von mehreren 100 ppm. Bei beruhigten Stahlschmelzen, bei denen der Sauerstoff überwiegend an Aluminium gebunden ist, liegt der freie Sauerstoffgehalt bei Werten von unter 100 ppm.

Es hat sich bei Vergleichsmessungen gezeigt, daß zunächst erklärbare Unterschiede bei der Sauerstoffbe-Stimmung in beruhigten Stahlschmelzen zu verzeichnen waren. Als mögliche Ursache wurde die geringe Konzentration des Sauerstoffgehaltes angesehen. Es ist ein Ziel der Neuerung hier Verbesserungen zu erreichen.

Allgemein ist es wünschenswert, insbesondere bei wissenschaftlichen Untersuchungen, alle entscheidenden Meßwerte gleichzeitig zu erhalten. Man weiß, dabei bei einem dynamisch ablaufenden Prozeß Meßwerte, die in zeitlichem Abstand, also durch aufeinanderfolgende Messungen, erhalten werden, die Aussagekraft sehr beeinträchtigen. Die gleichzeitige Erfassung der o.g. Meßwerte war aber bisher aufgrund der örtlichen und/oder meßtechnischen Gegebenheiten nicht möglich. Es besteht also auch hier ein Bedarf an einer verbesserten Meßwerterfassung.

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Der Neuerung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln eine Sonde zu schaffen, die bessere Meßwerte zumindest im Hinblick auf die Sauerstoffbestimmung liefert und vom Grundaufbau geeignet ist, als Baustein einer kombinierten Meßsonde zu dienen.

Die Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 und angegebene Neuerung. Die in den Unteransprüchen enthaltenen Maßnahmen stellen Weiterentwicklungen der Erfindung dar.

Die Neuerung sei anhand der Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:
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Fig. 1 eine neuerungsgemäße Sonde im Längsschnitt,

Fig. 2 eine Abwandlung der Sonde nach Fig. 1, ebenfalls

im Längsschnitt,
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Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Sonde in der Seitenansicht, wobei der Teil nach der Linie A-A einen Längsschnitt darstellt und gegenüber dem ungeschnittenen Teil um 90° versetzt ist und

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Sonde nach Fig. 3.

In allen Zeichnungen sind gleiche Teile mit derselben Bezugsziffer versehen. Fig. 1 zeigt die neuerungsgemäße Sonde mit dem einteiligen keramischen Grundkörper 1. Dieser Grundkörper 1 besteht aus vier rotationssymmetrisehen Abschnitten 2, 3, 4, 5, von denen die Abschnitte 2, 3, 4 Zylinder darstellen, die in der angegebenen Reihenfolge mit jeweils größerem Durchmesser einander folgen. Der weiter nachfolgende zylindrische Abschnitt 5 ist gegenüber Abschnitt 4 im Durchmesser verringert und der Übergang zum Abschnitt 4 verlaufend gestaltet. An den Abschnitt 5 schließt sich mit gleicher Grundfläche ein kegelstumpfförmiger Abschnitt 6 an, der einseitig eine von der Grundfläche ausgehende und zur Stirnfläche 7 führende stufenförmige Ausnehmung 8 aufweist. In der Stirnfläche 7 des Kegelstumpfes 6 ist die elektrochemische Zelle 9 in Abstand von der Kontaktelektrode 10 angeordnet. In der stufenförmigen Ausnehmung 8 ist ein Thermoelement 11 in der an den Abschnitt 5 angrenzenden Fläche 8^P angeordnet. Die Anschlußleitungen vom Thermoelement 11, elektro-chemischer Zelle 9 und Kontaktelektrode 10 sind durch längsachsparallele Kanäle 12 des Grundkörpers 1 geführt. Die drei genannten Meßfühler sind von einer Metallkappe 13 überdeckt, die auf den zylindrischen Abschnitt 5 aufgesteckt ist. Die Sonde ist mit den zylindrischen Abschnitten 2, 3 in ein Halterohr einsteckbar, das aus zwei konzentrischen, mit Spiel ineinanderliegenden Papprohren 14', 14'' gebildet ist.

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Das Papprohr 14'' hat einen zum Außendurchmesser des Abschnittes 2 passenden Innendurchmesser. Als Anschlag für dieses Papprohr dient die freie Stirnfläche des Abschnittes 3. Das Papprohr 14' ist auf den Abschnitt 3 aufschiebbar und es dient der als umlaufender Ring ge

staltete Abschnitt 4 als Anschlag.

Die Sonde nach Fig. 2 entspricht im Grundaufbau der Sonde nach Fig. 1. In der hier dargestellten Ausführung ist die Sonde als Teil einer kombinierten Meß- und Probe

nahmesonde ausgebildet, wie sie in Fig. 3 im Prinzip dargestellt ist. Zu diesem Zweck ist die Sonde mit einem sich etwa parallel und exzentrisch zur Längsachse des Grundkörpers 1 erstreckenden Kanal 15 versehen, dessen Mündnngsöffnungen 16 einerseits im von der Metallkappe

13 überdeckten Bereich des Kegel stumpfes und andererseits 16' in einer innerhalb des Halterohrs 14' gelegenen Stirnfläche 17 des Grundkörpers 1 gelegen ist.

Der Kanal 15 ist zum achsgleichen Anschluß an den Einläufkanal einer sich anschließenden Probenahmesonde (dargestellt in Fig. 3) versehen. Der zylindrische, im Durchmesser erweiterte Abschnitt 22 des Kanals 16 dient zur Aufnahme eines im Innendurchmesser gleichen Röhrchens 23 (gestrichelt gezeichnet).

Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer kombinierten Meß- und Probenahmesonde gemäß der Neuerung mit einer geänderten Ausführung des Meßkopfes 1 für die Sauerstoff-

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bestimmung. Auch hier ist der zylindrische Abschnitt 3 des Grundkörpers 1 in ein Papprohr 14 eingesteckt, und zwar bis zum Anschlag an den im Durchmesser vergrößerten ringförmigen Abschnitt 4. An den Abschnitt 4 schließt sich zur Meßspitze hin ein zylindrischer Abschnitt 5 an, auf den die Metallkappe 13 zum Schutz der Meßfühler 9, 10, 11, 21, aufgesteckt ist. Der sich an den Abschnitt 5 anschließende kegel stumpf förmi ge Teil 6 weist a^i!ch hier zunächst Mne Ausnehmung 8 auf. In der an den Anschnitt 5 anschließenden Grundfläche 8' dieser Ausnehmung ist sowohl das Thermoelement 11 als auch die Mündungsöffnung 16 des Kanales 15 gelegen. Auf der gegenüberliegenden Seite der Ausnehmung 8 des Kegelstumpfes 6 ist eine weitere Aussparung 20 angeordnet. Diese Aussparung 20 verringert den Kegelstumpf 6 bis auf einen streifenförmigen Steg mit der Stirnfläche 7, in der die elektro-chemische Zelle 9 angeordnet ist. In der Aussparung 20 ist die Kontaktelektrode 10 angeordnet. Die Kontaktelektrode kann in diesem Fall von einem einfachen Graphitstab qebildet sein. Die Aussparung 20 ist derart bemessen, daß sie eine weitere Elektrode 21 aus Graphit aufnehmen kann. Beide Elektroden sind mit ihren freien Enden in gleicher Höhe angeordnet. Durch entsprechende Schaltung der Kontaktelektrode für die Sauerstoffbestimmung lassen sich die Elektroden 21 und 10 als Meßfühler für eine Badstandsmessung in einem Schmelzgefäß benutzen. Zum besseren Verständnis des Gesamtaufbaus ist von Abschnitt 4 ab entsprechend der Linie A-A die Sonde im Schnitt dargestellt und gegenüber den aus den Abschnitten 4, 5, 6 gebildeten Meßkoof um 90 ° gedreht gezeichnet. In der körperlichen

Ausführung setzt sich der durch die Abschnitte 6, 5 und t geführte Kanal 15 im Abschnitt 3 des Grundkörpers 1 achsgleich und fluchtend mit dem Einlaufkanal 18 der Probenahmesonde 19 fort.

Die Mündungsöffnung 16' des Kanales 15 ist damit innerhalb des die Kanäle 15 und 18 verbindenden Verbindungsrohres 23 gelegen. Das Verbindungsrohr 23 ist in erweiterten Abschnitten 22 des Kanales 15 und 24 des Kanales 18 angeordnet. Der Kanal 18 führt in eine Schlackenkamme

25 und von dort über eine weitere Verbindungsleitung

26 in den eigentlichen Proberaum 27. Mit 28 sind Entlüftungsbohrungen bezeichnet, durch die im gesamten Pronahmesystem enthaltene Luft bei Eindringen von flüssigem Metall entweichen kann. Die Probenahmesonde 19 wird an

ihrem freien Ende von dem inneren Papprohr 14'' gehalten Die Ausnehmung 29 ist zur Aufnahme eines Kupplungselemen tes für die von dem Thermoelement 11 der elektrochemischen Zelle 9 sowie den Elektroden 10 und 21 kommenden Leitungen vorgesehen. Der Grundkörper 1 ist um den Ab

schnitt gekürzt, um die Kanäle 15, 18 möglichst kurz zu halten und unnötige Temperaturverluste der einlaufenden Schmelze zu vermeiden- Schließlich kann zur Bestimmung des Kohlenstoffgehaltes, wie an sich bekannt, in die Mischkammer 25 ein weiteres Thermoelement 30 eingesetzt

werden.

Figur 5 zeigt in der Draufsicht das Papproht 14', das zum Teil von dem Abschnitt 4 des Grundkörpers 1 verdeckt ist. Unter der hier nicht gezeichneten Metallkappe 13 ist die Ausnehmung 8 mit ihrer Grundfläche 8' dargestellt, innerhalb der das Thermoelement 11 und die Mün

dungsöffnung 16 des Kanales 15 liegen. Der Ausnehmung 8 gegenüberliegend befindet sich eine weitere Aussparung 20, die die Bezugselektrode 10 aufnimmt. Von dem Kegelstumpf 6 verbleibt ein schräg verlaufender Steg mit der Stirnfläche 7, in der die elektrochemische Zelle 9 an

geordnet ist. Mit 21 ist eine Elektrode bezeichnet, die zusammen mit der Kontaktelektrode 10 bei entsprechender Schaltung ein paar von Meßfühlern für eine an sich bekannte Badstandsmessung bilden.

Die neuerungsgemäße Sonde bietet eine ganze Reihe von Vorteilen. Hinsichtlich der Sauerstoffmessung bei beruhigten Stahlschmelzen ist durch die im Abstand voneinander angeordnete Meßzelle 9 und Thermoelement 11, das wie üblich aus einem Quarzrohr besteht, unterbunden, daß

der durch Reduktion des Silizium-Dioxyds frei werdende Sauerstoff das Meßergebnis beeinflussen. Durch die versetzte Anordnung der Kontaktelektrode 10 kann zu dem billigen Werkstoff Graphit gegenüber dem sonst üblichen Molybdän übergegangen werden.

Dadurch, daß die Meßfühler in Ausnehmungen des Grundkörpers (wie in Figur 1 und 2 gezeigt) eingesetzt und mit entsprechendem Zement befestigt werden, ist eine vielseitige Verwendung eines einheitlichen Grundkörpers für

eine oder mehrere gewünschte Funktionen möglich.

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Es ist also möglich, und mit im Rahmen der Neuerung z.B. nur für die Sauerstoffbestimmung den Grundkörper wie in Figur 3 dargestellt, herzustellen und die nicht benötigten Öffnungen für die übrigen Funktionen durch einen keramischen Stopfen und/oder Zement bei der Montage der benötigten Meßfühler zu verschließen.

Es ist also erstmals möglich, den Sauerstoffgehalt, die Temperatur der Schmelze, den Kohlenstoffgehalt und den Badstand gleichzeitig zu ermitteln und eine Probe der Schmelze zu Analysenzwecken zu entnehmen. Die Badstandsmessung ist wichtig im Hinblick auf die Einstellung der Blasbedingungen bei blasendem Konverter (Abstand der Blaslanze von der Badoberfläche). Weitere Vorteile wie z.B. die Verwendung nur einer einzigen Tauchlanze für alle Messungen liegen klar auf der Hand. Die neuerungsgemäße Sonde ist nicht nur geeignet zum Einsatz für die Meßwerterfassung von Stahlschmelzen in Gießpfannen, sondern auch für die Meßwerterfassung bei blasendem Konverter.

Claims

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1. Sonde zur Ermittlung des Gehaltes an aktivem Sauerstoff in Metallschmelzen, insbesondere beruhigten Stahlschmelzen, die aus einem keramischen Grundkörpor mit einer Schulter, bis 7U der die Sonde in ein Halterohr einsteckbar ist, besteht und mit Meßfühlern, bestehend aus Thermoelement, Kontaktelektrode und einer elektrochemischen Zelle versehen ist, wobei die Meßfühler von einer metallischen Schutzkappe überdeckt sind, die auf den Grundkörper aufgesteckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1) einen von der Schulter in Richtung entgegengesetzt zu dem in das Papprohr (14') eingesteckten Ende ausgehenden Abschnitt (5) aufweist, in dessen Stirnfläche (7) mindestens die

TELEX: TtLEQRAMM. TELEFON: BANKKONTO: POSTSCHECKKONTO 1 -86644 INVENTION _·TELEFAK ¹ ' BtRLINER BANK AQ. P. MEISSNER, BLN-W fnven d BERLIN ' · 030*891 «0371 ' ' ι Ι , Ι , BERLIN 31 404737-103 • ·Ό3θ!βθ1 ίθ2β' ■· ' I '.3095716000

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elektro-chemische Zelle (9) angeordnet ist und daß ein in an sich bekannter Weise ausgebildetes Thermoelement (11) in einem Bereich zwischen der Schulter (4) und der Stirnfläche (7) angeordnet ist.

2- Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Grundkörpers (1) zwischen i.-:r Schulter (4) und der Stirnfläche (7) aus einem an die Schulter (14) anschließenden zylindrischen

Abschnitt (5) besteht, C3r zur Stirnfläche (7) hin nach Art eines Kegelstumpfes (6) ausgebildet ist.

3. Sonde nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoelement (11) in einer sich von der

Grundfläche des Abschnittes (5) ausgehenden, zur Stirnfläche (7) hin erstreckenden, stufenförmigen Ausnehmung (8) angeordnet ist.

4- Sonde nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelektrode (10) als Graphitstub ausgebildet ist und im Bereich der geneigten Wanoflache des Kegel stumpfes (6) angeordnet ist.

5. Sonde nach einem der Ansprüche 1 - 4. gekennzeichnet durch, eine von der Ausnehmung (8) gesonderte Aussparung (20), in dtr die Kontaktelektrode (10) angeordnet ist und von der Ausnehmung (8) durch den verbleibenden, die elektrochemische Zelle (9) tragenden Steg des Kegel stumpfes (6) getrennt ist.

6. Sonde nach einem der Ansprüche 1 - 5, gekennzeichnet durch einen sich etwa parallel und exzentrisch zur Längsachse des Grundkörpers (1) erstreckenden Kanal (15), dessen Mündungsöffnungen (16,16') einerseits im von der Metallkappe (13) überdeckten Bereich des

Kegelstumpfes (6) und andererseits in einer innerhalb des Halterohres (14') gelegenen Stirnfläche (17) des Grundkörpers (1) gelegen ist zum achsgleichen Anschluß an einen Einlaufkanal (18) einer sich an den Grundkörper anschließenden, längsgeteilten Probenahmesonde (19).

7. Sonde zur Ermittlung des Gehaltes an aktivem Sauerstoff in Metallschmelzen, insbesondere beruhigten Stahlschmelzen, die aus einem keramischen Grundkörper mit einer Schulter, bis zu der die Sonde in ein Halterohr einsteckbar ist, besteht und mit Meßfühlern, bestehend aus Thermoelement, Kontaktelektrode und einer elektro-chemisehen Zelle versehen ist, wobei die Meßfühler von einer metallischen Schutzkappe überdeckt

sind, die auf den Grundkörper aufgesteckt ist, gekennzeichnet durch einen sich etwa parallel und exzentrisch zur Längsachse des Grundkörpers (1) erstreckenden Kanal (15), dessen Mündungsöffnungen (16,16') einerseits im von der Metallkappe (13) überdeckten Bereich des Kegelstumpfes (6) und andererseits in einer innerhalb des Halterohres (14¹) gelegenen Stirnfläche (17) des Grundkörpers (1) gelegen ist zum achsgleichen Anschluß an einen Einlaufkanal (18) einer sich zum an den Grundkörper anschließenden, längsgeteilten Probenahmesonde (19).

8. Sonde nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungsöffnung (16) des Kanals (15) innerhalb der das Thermoelement (11) aufnehmenden und an den Abschnitt (5) angrenzenden Fläche (8') der Ausnehmung (8) liegt.

9. Sonde nach den Ansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Aussparung (20) eine Elektrode (21) von gleicher Lände wie die Kontaktelektrode (10) angeordnet ist und die Elektrode (21) und die Kontaktelektrode (10) als Meßfühler für eine Badstandsmessung schaltbar sind.

10. Sonde nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (15) des Grundkörpers (1) im Bereich der Mündungsöffnung (16') in innerhalb des Papprohres (14') gelegenen Teil einen im Durchmesser vergrößerten zylindrischen Abschnitt (22) zur Aufnahme eines Verbindungsrohres (23) zum Einlaufkanal (18) der Probenahmesonde (19) aufweist.

11. Sonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaufkanal (18) mit einer dem äußeren Durchmesser des Verbindungsrohres (23) entsprechenden Öffnung (24) versehen ist.