PL70884B1 - - Google Patents

Description

Pierwszenstwo: 15.07.1970 Stany Zjednoczone Ameryki Zgloszenie ogloszono: 30.04.1973 Opis patentowy opublikowano: 08.09.1975 70884 KI. 421, 3/04 MKP GOln 27/46 CZYTELNIA Urzedu Potento Pilskie) Rzenw r' Twórcy wynalazku: Robert Samuel Rittiger, Charles Krumbach Russell Uprawniony z patentu USS Engineers and Consultants, Inc.Pittsburgh, (Stany Zjednoczone Ameryki) Urzadzenie do mierzenia zawartosci tlenu w plynie o podwyzszonej temperaturze Przedmiotem wynalazku jest urzadzenie do mierzenia zawartosci tlenu w plynie o podwyzszonej tempe¬ raturze, a zwlaszcza urzadzenie do szybkiego wyznaczania ilosci tlenu zawartego w cieklej stali w piecu lub pojemniku, bez pobierania próbek. Urzadzenie wedlug wynalazku moze byc stosowane do oznaczania ilosci tlenu w róznych plynach, których temperatura wynosi nieco powyzej 700°C, takich jak ciekla miedz i gorace gazy piecowe.Znane sa juz urzadzenia do osiagania takiego samego celu, jednak sa to urzadzenia laboratoryjne, które nie moga byc stosowane w skali przemyslowej ze wzgledu na ich duzy koszt i delikatna konstrukcje, a ponadto musza byc one obslugiwane tylko przez wysokokwalifikowanychpracowników.Celem wynalazku jest wyeliminowanie tych trudnosci i opracowanie urzadzenia, które nadawaloby sie do stosowania wprzemysle. ' Cel ten osiagnieto przez opracowanie urzadzenia wedlug wynalazku, sluzacego do mierzenia zawartosci tlenu wplynie o podwyzszonej temperaturze zawierajacym gaz, takim jak ciekly metal lub inna ciecz. Urza¬ dzenie wedlug wynalazku zawiera ogniwo galwaniczne oraz przyrzad do pomiaru sily elektromotorycznej ogniwa jako wskaznika zawartosci tlenu. Ogniwo galwaniczne ma tlenkowy elektrolit w postaci stalej, stanowiacy prze¬ wodnik jonów tlenowych o malej przewodnosci elektronicznej kontaktujacy sie z plynem, który stanowi elek¬ trode ogniwa galwanicznego oraz z elektroda wykonana z mieszaniny sproszkowanego metalu i jego tlenku.Ponadto urzadzenie zawiera przewód elektryczny stykajacy sie z elektroda bedaca w kontakcie z elektrolitem oraz elementy przewodu elektrycznego majace jeden koniec przystosowany do stykania sie z plynem a drugi koniec zaopatrzony w styki polaczone z przyrzadem rejestrujacym. Urzadzenie wedlug wynalazku charak¬ teryzuje sie tym, ze elementy przewodu elektrycznego zawieraja drugi przewód wykonany z takiego samego materialu jak przewód pierwszy, przy czym oba przewody, elektroda i elektrolit sa osadzone w elemencie ognio¬ trwalym i wystaja na zewnatrz z jegp dolnej czesci, a na jego górnej czesci osadzone sa zaciski obydwu przewo¬ dów, przy czym element ogniotrwaly oraz poszczególne czesci ogniwa galwanicznego stanowiace zespól czujni¬ kowy polaczone sa oddzielnie za pomoca zacisków z przyrzadem wskazujacym.Przedmiot wynalazku jest przedstawiony przykladowo na rysunku, na którym fig. 1 pokazuje urzadzenie wedlug wynalazku w pierwszym przykladzie wykonania, w widoku z boku w czesciowym przekroju,2 70 884 fig. 2 — przekrój podluzny dolnej czesci urzadzenia w drugim przykladzie wykonania, fig. 3 — przekrój wzdluz linii III- III na fig. 2, fig. 4- przekrój wzdluz linii IV- IV na fig. 2, a fig. 5 - przekrój dolnej czesci urzadzenia w trzecim przykladzie wykonania.Urzadzenie wedlug wynalazku jest wyposazone w zespól"czujnikowy.2. Zespóhczujnikpwy 2 zawiera ele¬ ment 4 wykonany z materialu ogniotrwalego, odpornego-na*wysoka temperature i wstrzasy.cieplne, takiego jak tlenek glinowy. W elemencie 4 jest wykonany przebiegajacy wzdluznie otwór 6,'Wlkt'órym osadzona jest rura 8,. wysiegajaca w dól ponizej poziomu cieklego metalu L. Rura 8 jest'wykonana z materialu stanowiacego izolator elektryczny takiego jak stopiona krzemionka. Elektrolit, staly w postaci*krazka 10 wykonany z ZrÓ2 zawie¬ rajacy 3 do 10% wagowych GaÓ jest wtopiony do wnetrza rury 8. Elektroda 12 w postaci mieszaniny sprosz¬ kowanego Cf i Gr203.jest umieszczona na górnej czesci*elektrolitu 10 i styka'sie ona.z koncem preta 14 umiesz¬ czonego w rurze 8. Pret 14 jest wykonany z przewodnika elektrycznego, najlepiej z-molibdenu. Drugi wzdluzny otwór 16 w elemencie 4 przebiega w poblizu rrównólegle dó otworu" 6. Rura 18 podobna do rury 8 umieszczona jest w otworze 16, a w jej wnetrzu znajduje sie pret 20 wykonany z takiego samego, materialu jak pret 14. * Obrzeze krazka 10 jest pokryte powloka ogniotrwala 22, a obrzeze dolnego konca, preta 20 pokryte jest po¬ dobna powloka 24. Powloki te zabezpieczaja krazek i pret pirzed.zbyt szybkim rozpadem-.Trzeci wzdluzny otwór 26 jest usytuowany w poblizu, i.pfawie równolegle, do; otworów 6 i 16 lecz nie przebiega wzdluz calej dlugosci elementu 4. W otworze 26: jest- umieszczona nira 28/. wykonana z materialu izolacyjnego takiego jak stopiona krzemionka lub kwarc* zaopatrzona w dwukanalowa rurke" 30 dla termoelek- trod termoelementu 32, który jest wykonany najlepiej z Pt lub'Pt+'l0%Rh., Górne koncktermoelektrod powle¬ czone materialem stanowiacym izolacje elektryczna sa zacisniete w zaciskach 34 termoelementu. Górne konce pretów 14 i 20 równiez stanowia zaciski 14T i 20T.Zespól czujnikowy wykonuje sie w sposób nizej opisany. Krazek 10.jest umieszczony w.koncowej czesci rury 8 w ten sposób aby nieco z niej wystawal. Koncówke rury podgrzewa sie. do takiej temperatury, w której nastepuje plyniecie materialu dokola obrzezy krazka 10. Po ochlodzeniu, stopiona krzemionka tworzy doklad¬ ne uszczelnienie krazka 10, które zapobiega przeciekom stali podczas zanurzania urzadzenia. Nastepnie mie¬ szanine 12 ubija sie w rurze 8 i wprowadza sie pret 14 az do zatkniecia z mieszanina 12. Pret.20 umieszcza sie w rurze 16, a nastepnie montuje sie rure 28 oraz elementy 32 i 34. Wszystkie trzy rury umieszcza sie we wnece formy i ustawia sie je równolegle w stosunku do siebie i w stosunku do osi wneki formy. Mieszanine czastek ogniotrwalych i spoiw z woda wlewa sie nastepnie do wneki formy. Konce wszystkich rur, które maja stykac sie z ciekla stala, wystaja z formy na dlugosci okolo 2 cm. Równiez przeciwlegle konce rur wystaja z formy, wskutek tego konce rur nie sa pokryte zawiesina czastek ogniotrwalych i spoiw. Niewielka ilosc tej zawiesiny jest nanoszona na boczne powierzchnie wystajacej czesci krazka 10 i koniec rury 8, Jednakze koncowa powierzchnia krazka elektrolitycznego nie jest pokryta ta zawiesina. Równiez wystajaca czesc preta 20 jest pokryta zawiesina czastek ogniotrwalych z wyjatkiem samej jego koncówki.Po zwiazaniu zawiesina czastek ogniotrwalych tworzy twarda scisla mase ogniotrwala. Odlew wyjmuje sie z formy i poddaje suszeniu w kilku etapach.Koncówki zespolu czujnikowego 2 wystajace ponizej elementu 4 nakrywa sie kapturkami 40 i 42 przy czym kapturek 42 oslania kapturek 40 ijednoczesnie element 4. Ciekla stal powoduje topnienie kapturków, które przez krótki okres czasu zabezpieczaja krazek elektrolityczny przed zanieczyszczeniem zuzlem podczas zanurzenia. Kapturki te zabezpieczaja równiez koncówki zespolu czujnikowego przed uszkodzeniem mecha¬ nicznym. Kapturki wykonane sa ze stali lub aluminium, przy czym topienie ich nastepuje w okreslonym czasie po zanurzeniu.Stalowa lanca 44 jest polaczona ze zbiornikiem 46, osadzonym w jej dolnej czesci, w którym osadzone sa zaciski 14T, 20T i 34. Zaciski te sa polaczone z przyrzadem rejestrujacym 48, najlepiej dwupisakowym typu potencjometrycznego, za pomoca dwuprzewodowego doprowadzenia 52, które jest podlaczone do termoele¬ mentu oraz za pomoca dwuprzewodowego doprowadzenia 50, które jest podlaczone do elementu wskazujacego tlen. Dlugosc lancy 44 moze byc rózna w zaleznosci od potrzeby. Ceramiczne albo tekturowe tuleje 54 i 56 sluza do zabezpieczania urzadzenia przed przegrzewaniem. Praktycznie czas zanurzenia w cieklej stali jest mniejszy niz 20 sekund, w czasie którego scisla tektura zostanie zweglona lecz nie zapali sie poniewaz ciekla stal nie dopusci tlenu do spalania.Podczas dokonywania badan zespól czujnikowy zanurza sie w cieklej stali na odpowiednia glebokosc.Tuleje 54 i 56 które znajduja sie powyzej powierzchni kapieli, zabezpieczaja górrui czesc zespolu^czujnikowego pized zniszczeniem przez ciekly metal, w którym mierzy sie zawartpsc tlenu. Gdy krazek elektrolityczny ze stabilizowanego tlenku cyrkonu kontaktuje sie z ciekla stala, nastepuje dzialanie'elektredy i ogniwa galwanicz¬ nego, które mozna przedstawic tak jak to podanoponizej. ' '"*'¦*70 884 Mo, Cr + Cr203, Zr02 (CaO) Fe-O, Mo Mo, Cr, Cr203, Zr02 (CaO- w stanie stalym i Fe- O w postaci cieczy) Napiecie pradu w elektrolicie jest zgodne z podanym ponizej równaniem.E = 2,303 ^ log #?/2,gdzie P02 E = napiecie pradu w elektrolicie w voltach, R = 1,987 kal/g-atom stala gazowa, T — temperatura w stopniach Kelvina, n = 2, co stanowi gramorównowaznik tlenu, F = 23,061 kal/równowaznik wolt, stala Faradaya, P02 = preznosc dysocjacji tlenu C203 w odniesieniu do czystego chromu, K = stala równowagi dla reakcji tlenu z cieklym zelazem, 1/2 02 (glatm) = O (1 ciezar w % w Fe).Temperatura zalezy od stalej K i od P02 1/2 dla Cr — Cr203 odpowiednio do znanych zaleznosci termody¬ namicznych log K = 6i?° +0,15 -19 700 logpo2 l/2(atml/2)= iy^/UU + 4,47 Przez kombinacje podanych wyzej zaleznosci i podstawianie wartosci stalych otrzymano nastepna zalez¬ nosc dla zawartosci tlenu w procentach wagowych w cieklej stali, E w miliwoltach i T w stopniach Kelwina dla elektrody Cr-Cr203 log(%0) = 4)62-13'580f10'08E Ustalona sile elektromotoryczna otrzymuje sie po kilku sekundach od zanurzenia czujnika w kapieli meta¬ lowej, a zawartosc tlenu zostaje zmierzona w czasie do 40 minut.Przy mierzeniu zawartosci tlenu w cieklej stali przy zastosowaniu opisanych powyzej elementów uzyskuje sie bardzo dobre wyniki. Dla uzyskania dobrych wyników pomiaru konieczne jest aby elektrolit 10 byl w stanie stalym i mial bardzo male przewodnictwo jonowe tlenu zwlaszcza przy stosowanej temperaturze i cisnieniu czastkowym. Tlen nie moze reagowac ze skladnikami z którymi sie kontaktuje podczas pomiaru. Odpowiednimi materialami do wytwarzania elektrolitu sa Zr02 z 3 do 10% wagowych CaO lub MgO, Th02 z 3 do 10% wago¬ wych J203, A1203 lub MgO, przy czym jezeli dokonuje sie pomiaru zawartosci innego gazu niz tlen, nie wszystkie one beda odpowiednie.Elektroda 12 musi byc wykonana z mieszaniny metalu i tlenku, które nie topia sie podczas pracy ani tez nie reaguja w znacznym stopniu z innymi skladnikami. Cr—Cr203 jest najbardziej odpowiedni przy dokonywaniu pomiarów w cieklej stali. Mo—Mo02, Ta—Ta02,W-W02, Ni-NiO, Fe-FeO oraz Co—CoO, równiez moga byc stosowane lecz nie wszystkie nadaja sie do pomiaru kazdego gazu.Zamiast Mo do wytwarzania pretów 14 i 20 mozna zastosowac Pt, Rh, Pt i Rh, W, Ta,W i Re, Cr oraz ich stopy. Ni, Co, Fe, Cu, Al, Sn, Zn, Mg i ich stopy moga byc stosowane przy badaniu metali niezelaznych zawierajacych Al, Zn, Cu, Cr, Ni, Co i Sn oraz do badania gazów. Jest jednak oczywiste, ze na uzyskiwane rezultaty ma wiekszy wplyw konstrukcja urzadzenia wedlug wynalazku niz zastosowane materialy.Urzadzenie wedlug wynalazku w drugim przykladzie wykonania zawiera element 58 wykonany z takiego samego materialu jak element 4. W pierwszym wzdluznym otworze 60 elementu 58 jest osadzona rura 62, która wysiega ponizej poziomu cieklej stali lub innego plynu L. Rura 62 jest wykonana z izolatora elektrycznego takiego jak stopiony kwarc, staly elektrolit w postaci krazka 63 z Zr02 zawierajacego 3 do 10% wagowych CaO jest wtopiony do wnetrza rury 62, a elektroda 64 w postaci mieszaniny sproszkowanego Cr i Cr203 jest osadzona na wierzcholku elektrolitu 63 i utrzymywana w tym polozeniu za pomoca ogniotrwalej podkladki ustala¬ jacej 65. Pret 66 w rurze 62 jest zagiety na górnym i dolnym koncui wystaje w dól ponizej elementu 58. Pret 66 jest wykonany z materialu przewodzacego prad elektryczny, korzystnie z molibdenu. W podkladce 65 jest wyko¬ nany otwór 68 poprzez który przelozony jest zagiety koniec preta 66 stykajacy sie z elektroda 64. Drugi wzdluzny otwór 70 jest wykonany w elemencie 58 w poblizu i prawie równolegle do otworu 60. W otworze 60 jest osadzony pret 72 wykonany z takiego samego materialu jak pret 66.Wystajacy dolny koniec rury 62, obrzeza krazka 63" oraz wystajaca czesc preta 72 sa pokryte powloka ogniotrwala z pominieciem krótkiego odcinka preta 72 i krazka 63.Otwory 74 i 76 równolegle do otworów 60 i 70 stanowi U — rurka 78 wykonana z kwarcu lub podobnege materialu izolacyjnego. Elektrody 80 i 82 termoelementu sa osadzone wewnatrz U-rurki 78 i polaczone sa4 70 884 w miejscu jej zagiecia. Nakladka 84 z polietylenu lub podobnego materialu izolacyjnego przylega do górnego konca elementu 58 i jest polaczona z rura 86 wykonana równiez z polietylenu. Pret 66 przechodzi poprzez rure 86 od jej górnego konca, zagina sie dookola dna szczeliny 88 i zawraca w dól na zewnatrz rury. Pret 72. podobnie przechodzi przez rure 86 i zagina sie dookola górnego konca rury. Elektroda 80 termoelementu jest polaczona z przewodem 90 który przechodzi poprzez rure 86 od jej górnego konca, zagina sie dokola szczeliny 92 i przechodzi na zewnatrz. Elektroda 82 termoelementu jest polaczona z przewodem 94, który prze* chodzi poprzez rure 86 zagina sie dookola szczeliny 96 w rurze 86 i przechodzi na zewnatrz tej rury. Górne konce elektrod 80 i 82 sa pokryte iftaterialem izolacyjnym. Oprawka 98 wykonana z materialu izolacyjnego, takiego jak guma, wyposazona jest w cztery pierscienie stykowe 98a, 98b 98c i98d otaczajace rure 86, przy czym te pierscienie stykaja sie z przewodami 90,94,66 i 72. Cztery koncówki lOOa, lOOb, lOOc i lOOd zamoco¬ wane w górnej czesci oprawki 98 sa polaczone odpowiednio z pierscieniami 98a, 98b, 98c i98d. Zlaczka 102 w postaci rurki wykonanej ze stali lub czarnej blachy otacza oprawke 98 i jest polaczona za pomoca gwintowanej wkladki 104 z lanca 106. Tekturowa tuleja 108 otacza element 58, nakladke 84 oraz czesci 102 i 106. Stalowy kapturek ochronny 110 zaopatrzony w otworek 112 jest zamocowany do tulei 108.Urzadzenie wedlug wynalazku w trzecim przykladzie wykonania nie zawiera termoelementu. Pozostala czesc konstrukcji oraz zastosowane materialy sa takie same, jak w poprzednich przykladach. Urzadzenie zawiera element 114 wykonany z takiego samego materialu jak element 4. Pierwszy wzdluzny otwór 116 przebiega wzdluz elementu 114 i zawiera rure krzemionkowa 118, która dolnym koncem wysiega ponizej poziomu cieklej stali lub innego plynu L. Staly elektrolit w postaci krazka 120 jest wtopiony do wnetrza rury 118, a elek¬ troda 122 w postaci mieszaniny sproszkowanego Cr i Cr203 jest umieszczona na górnej czesci elektrolitu 120, przy czym styka sie ona z dolnym koncem preta 124 osadzonego wewnatrz rury 118. Drugi wzdluzny otwór 126 jest wykonany w elemencie 114 w poblizu i równolegle do otworu 116. Rura 128 podobnie jak rura 118 jest osadzona w otworze 126, a w jej wnetrzu znajduje sie pret 130 wykonany z takiego samego materialu jak pret 124. Mozna jednak* równiez nie stosowac rury 128 i pret 130 umiescic bezposrednio w otworze 116. Pozo¬ stale elementy urzadzenia sa takie same jak w poprzednio opisanych przykladach i w zwiazku z tym nie sa pokazane na rysunku, za wyjatkiem tulei tekturowej 132 i stalowej nakladki 134. PL PL PL

Claims (10)

1. Zastrzezenia patentowe 1. Urzadzenie do mierzenia zawartosci tlenu w plynie o podwyzszonej temperaturze, zawierajacym gaz oraz ciekly metal lub inna ciecz, za pomoca ogniwa galwanicznego oraz przyrzadu do pomiaru sily elektromotorycz¬ nej ogniwa jako wskaznika zawartosci tlenu, które to ogniwo galwaniczne zawiera tlenkowy elektrolit w postaci stalej stanowiacy przewodnik jonów tlenowych o malej przewodnosci elektronicznej kontaktujacy sie z plynem, który stanowi elektrode ogniwa galwanicznego oraz z elektroda wykonana z mieszaniny sproszkowanego metalu i jego tlenku, a ponadto urzadzenie zawiera przewód elektryczny stykajacy sie z elektroda bedaca w kontakcie z elektrolitem oraz elementy przewodu elektrycznego majace jeden koniec przystosowany do stykania sie z plynem, a drugie konce zaopatrzone w styki polaczone z przyrzadem rejestrujacym, znamienne tym, ze ele¬ menty przewodu elektrycznego zawieraja drugi przewód wykonany z takiego samego materialu jak przewód pierwszy, przy czym oba przewody, elektroda i elektrolit sa osadzone w elemencie ogniotrwalym i wystaja na zewnatrz z jego dolnej czesci, a najego górnej czesci osadzone sa zaciski obydwu przewodów, przy czym element ogniotrwaly oraz poszczególne czesci ogniwa galwanicznego stanowiace zespól czujnikowy polaczone sa od¬ dzielnie za pomoca zacisków z przyrzadem wskazujacym.

2. Urzadzenie wedlug zastrz. 1, znamienne tym, ze elektroda i elektrolit sa osadzone w koncowej czesci rury zamocowanej w elemencie ogniotrwalym, przy czym koncowa czesc rury i osadzony w niej elektrolit wystaja na zewnatrz elementu ogniotrwalego w celu kontaktowania sie z badanym plynem.

3. Urzadzenie wedlug zastrz. 2, znamienne tym, ze elektrolit ma ksztalt krazka, którego obrzeza sa wto¬ pione w wystajaca czesc rury.

4. Urzadzenie wedlug zastrz. 2, znamienne tym^e rura zawierajaca elektrode i elektrolit oraz druga rura zawierajaca drugi przewód wystajacy na zewnatrz w celu kontaktowania sie z plynem, przebiegaja wzdluz calko¬ witej dlugosci elementu ogniotrwalego.

5. Urzadzenie wedlug zastrz. 3 i 4, znamienne tym, ze brzegowa czesc krazka elektrolitycznego oraz drugiego przewodu wystajacego na zewnatrz rury sa powleczone powloka ochronna z materialu ogniotrwalego.

6. Urzadzenie wedlug zastrz. 1, zawierajace termoelement zlozony z dwu róznych termoelektrod pola¬ czonych przy jednym koncu oraz polaczonych do przewodu przyrzadu wskazujacego temperature plynu, zna¬ mienne tym, ze termoelektrody sa osadzone w rurze ochronnej, zamocowanej w elemencie ogniotrwalym i wy-5 70 884 staja ponizej tego elementu w celu kontaktowania sie z badanym plynem, przy czym styki tych termoelektrod powyzej elementu ogniotrwalego sa podlaczone oddzielnie do przyrzadu wskazujacego.

7. Urzadzenie wedlug zastrz. 1 do 6, znamienne tym, ze element ogniotrwaly stanowi odlew zawierajacy poszczególne czesci ogniwa galwanicznego.

8. Urzadzenie wedlug zastrz. 1 do 7, znamienne tym, ze element ogniotrwaly jest polaczony rozlacznie z lanca zawierajaca w dolnej czesci pojemnik, w którym osadzone sa styki, polaczone oddzielnie ze stykami zespolu czujnikowego.

9. Urzadzenie wedlug zastrz. 8, znamienne tym, ze styki zespolu czujnikowego sa osadzone w rurowej oprawce zawierajacej pewna liczbe wzdluznie przebiegajacych szczelin, znajdujacych sie na róznej wysokosci, w których styki zagiete sa hakowo, a ponadto oprawka zawiera pewna liczbe pierscieni stykowych w liczbie równej liczbie styków, przy czym pierscienie stykowe sa zamocowane w zlaczce rurowej z materialu izolacyj¬ nego, osadzonej w lancy i znajduje sie na róznej wysokosci w celu laczenia kazdego pierscienia z róznymi kon¬ cówkami stykowymi.

10. Urzadzenie wedlug zastrz. 1, znamienne tym, ze pierwszy i drugi przewód stanowia prety wykonane z molibdenu, staly elektrolit jest wykonany z Zr02 zawierajacy 3 do 10% wagowych CaO, a elektrode stanowi mieszanina sproszkowanego Cr Cr2 03. F/G I r48 i'1'ri'i'i'rrrm '1'1'ITI'lTlTl'l1KI, 421.3/04 70884 MKPGOln 27/46 c/a 2 m*\ OT na 4 WOt na 3 l — — — y/2 -*uo Proc, Poligraf..UPPRL. naklad 120+18 Cena 10 zl. PL PL PL