DEVICE FOR MEASURING THE CONCENTRATION OF OXYGEN AND TEMPERATURE OF MOLTEN METALS DURING REFINING

Abstract: 1. Device for measuring the oxygen content and the temperature of molten baths, comprising a measuring head (3) consisting of an EMF cell (1) and a thermocouple (2) in which device the base of the measuring head (4) at the lower end of a supporting tube (5), preferably of paperboard, is partly inserted into the supporting tube and is held by the supporting tube, the supporting tube (5) is surrounded, essentially down to its lower end, by at least one sheath (9, 10) as protection against the metal bath, and to protect them before the device is immersed in the metal bath, the EMF cell (1) and the thermocouple (2) are surrounded, viewed from the inside to the outside, by a metal cap (12) and a protective hood (13) of a combustible material which are held by the part of the measuring head projecting over the supporting tube and the sheath, characterized in that the sheath (9, 10) consists exclusively of paper-board and the supporting tube (5) and the sheath (9, 10) are protected at their lower end by a shield (7a, 7b, 7c) which essentially covers only the underside of the sheath.

Description: Vorrichtung zum Messen des Sauerstoffgehaltes und der Temperatur von Metallschmelzen während des Frischens in einem Konverter Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Mes sen des Sauerstoffgehaltes und der Temperatur von Metall schmelzen mit Hilfe eines aus einer EMK-Zelle und einem Thermoelement bestehenden Messkopfes - beispielsweise Eine derartige Vorrichtung, die sich/für Messungen des Sauerstoffgehaltes und der Temperatur von Metallschmel zen in Pfannen eignet., ist bekannt (Prospekt der Firma Ferrotron Elektronik GmbH "Sauerstoffmesssonde für flüs sige Metallbäder", Februar 1982). Sie besteht aus einer EMK-Zelle und einem Thermoelement, die zusammen mit der sie haltenden Tonerdemasse den Messkopf der Vorrichtung bilden und dessen Fuss in ein Trägerrohr, vorzugsweise aus Pappe, eingeschoben und von dem Trägerrohr gehalten wird. ---Um das Trägerrohr vor einer zu schnellen Zerstörung durch das Metallbad in der Pfanne zu schützen bzw. zur Gewähr leistung einer genügend grossen Standzeit dieser Vorrich tung für die Messung ist das Trägerrohr bis auf sein unteres Ende über die gesamte in das Metallbad eintauchende Länge der Vorrichtung von einer zylindrischen Hülle, vor zugsweise ebenfalls aus Pappe, umgeben. Im unteren Bereich *) t'iron ladles" oder steel ladles") des Trägerrohres in der Nähe des Messkopfes werden dagegen das Trägerrohr und ein Teil des Messkopf-Fusses durch eine zylindrische feuerfeste Schutzhülse vor dem Metallbad geschützt Diese feuerfeste Schutzhülse besitzt annähernd den gleichen Durchmesser wie die sich unmittelbar daran anschliessende, das Trägerrohr umgebende Hülle. Mit Hilfe der Schutzhülse werden die beim Verbrennen der Hülle entstehenden, die Messergebnisse negativ beeinflussenden Verbrennungsprodukte, insbesondere Gase, von dem Messkopf ferngehalten. In der Praxis wird dies in jedem Fall gewährleistet, wenn bei einem Durchmesser der das Trägerrohr umgebenden Hülle und der Schutzhülse von etwa 40 bis 55 mm die Länge der feuerfesten Schutzhülse etwa 100 mm beträgt Zwar ist zwecks Materialeinsparung bereits versucht worden, die Zwänge der Schutzhülse zu reduzieren. Versuche haben jedoch gezeigt, dass bei einer Länge der Schutzhülse von kleiner als 50 mm keine genauen Messergebnisse erzielt werden konnten. Um nun den Sauerstoffgehalt und die Temperatur einer Metallschmelze zu messen, wird diese vorbekannte Vorrichtung an dem Ende eines Halterohres bzw. einer Lanze befestigt und in das Metallbad eingeführt. Dazu wird die Vorrichtung mit ihrem dem Messkopf gegenüberliegenden Ende mit einem üblicherweise ringförmigen Querschnitt über das Kontaktstück auf das Kontaktrohr des Halterohres geschoben und von dem Kontaktrohr gehalten. Anschliessend wird sie mit Hilfe des Halterohres in das Metallbad gegebenenfalls manuell eingeführt, nach der Messung wieder ausgefahren und im Anschluss daran gegen eine neue ausgetauscht. Unmittelbar im Anschluss daran kann eine zweite Messung des Sauerstoffgehaltes und der Temperatur erfolgen, wobei das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen primär durch die Zeit bestimmt wird, die für den Austausch der verbrauchten Vorrichtung gegen eine neue Vorrichtung benötigt wird, Es hat sich gezeigt1 dass diese vorbekannte Vorrichtung aus den folgenden Gründen nicht geeignet ist, den Sauerstoffgehalt und die Temperatur von Metallschmelzen während des Frischens bzw. Blasens in einem Konverter zu messen: Zum einen liegt dies an dem zu geringen Schutz des Trägerrohres der Vorrichtung nicht nur gegenüber den Metallbad, sondern insbesondere vor den heissen Verbrennungsgasen im Konverter mit einer wesentlich höheren Temperatur in der Grössenordnung von ca. 2.0000C. Insbesondere beim Einfahren der Vorrichtung mittels einer Sublanze in den Konverter reicht der bisherige Schutz des Messkopfes nicht aus. Zum anderen ist die Ansprechzeit dieser Sonde, die etwa 10 bis 15 s beträgt, zu lang, um die Werte des Sauerstoffge- haltes und der Temperatur der Metallschmelze während des Frischens im Konverter in noch kürzerer Zeit zu erhalten. Darüber hinaus dringen in den Spalt zwischen dem oberen, dem Messkopf gegenüberliegenden Ende der Vorrichtung und dem Ha- terohr, insbesondere aufgrund der Bad- und Schlackenbewegung während des Frischens der Metallschmelze in dem Konverter, verstärkt Spritzer aus *) ein. Dies bedeutet aber, dass in diesem Bereich, insbesondere an dem üblicherweise aus metallischem Material bestehenden Halterohr, eine sogenannte Ver Stahlsritzer bärung durch erstarrte Schlacken- und Stahlspritzer auftritt. indem die Stahlspritzer sehr heissen Schlacken- und auf die wesentlich kühlere Oberfläche auftreffen und auf dieser erstarren. Insbesondere wenn mehrere aufeinanderfolgende Messungen durchgeführt wer Stahlspritzer den ohne ein Entfernen der erstarrten Schlacken- und bei jedem Wechsel einer verbrauchten Vorrichtung gegen eine neue, schliesst das obere Ende der Vorrichtung häufig bereits nach einem zweimaligen Wechsel der Vorrichtung nicht mehr bündig mit dem Halterohr bzw. mit der Sublanze ab. Wird jedoch der Abstand oberes Ende der Vorrichtung/Halterohr aufgrund der *)heissem Stahl und überwiegend aus heisser Schlacke in den Spalt eingedrungenen und erstarrten Spritzer zu gross, so ist der elektrische Kontakt zwischen dem Messkopf der Vorrichtung und dem Kontaktstück des Halterohres bzw. der Sublanze nicht mehr gewährleistet. Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die exakte Messungen des Sauerstoffgehaltes und der Temperatur während des Frischens in einem Konverter ermöglicht. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Trägerrohr und die das Trägerrohr umgebende Hülle oder Hüllen, vorzugsweise aus Pappe, an ihrem unteren Ende durch einen Schirm vor den heissen Verbrennungsgasen und dem Metallbad geschützt sind. Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass mit ihr Messungen im blasenden Konverter ermöglicht werden. Darüber hinaus kann mit der erfindungsgemässen Vorrichtung der gleiche bezüglich seiner Herstellung kostengünstige Messkopf, wie er bei Messungen in Pfannen eingesetzt wird, auch für Messungen des Sauerstoffgehaltes und der Temperatur im blasenden Konverter benutzt werden. Wird der Durchmesser der das Trägerrohr umgebenden äusseren Hülle den höheren Temperaturen im blasenden Konverter derart angepasst, dass eine Standzeit der erfindungsgemässen Vorrichtung von ca. 8 bis 10 s gewährleistet ist, so ist es mit ihr möglich; den Sauerstoffgehalt und die Temperatur bereits nach einer Ansprechzeit von nur ca. 3 bis 6 s zu messen. Daraus resultiert ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung, der darin zu sehen ist, dass *) im Konverter,insbesondere kurz vor Blasende'durchgeführt werden können. *) eine oder sogar mehrere Messungen hintereinander Darüber hinaus kann nunmehr der Kohlenstoffgehalt in der Metallschmelze mit einer wesentlich höheren Genauigkeit gemessen bzw. bestimmt werden, als dies bisher mit Hilfe des thermischen Verfahrens, das heisst mittels der beispielsweise in der DE-AS 15 98 830 beschriebenen thermischen Analyse einer Probe, möglich war. Im Unterschied zu der vorbekannten für Messungen des Sauerstoffgehaltes und der Temperatur von Metallschmelzen in Pfannen geeigneten Vorrichtung, die mit der feuerfesten Schutzhülse ausgerüstet iSt, hat sich überraschenderweise gezeigt, dass für Messungen im Konverter lediglich das untere Ende des Trägerrohres und der das Trägerrohr umgebenden Hülle oder Hüllen durch einen Schirm geringer Dicke geschützt werden muss. Erfindungsgemäss reicht dabei bereits eine Dicke des Schirmes von maximal 4 cm aus. Vorzugsweise beträgt die Dicke des Schirmes etwa 1,5 cm. Der Schirm besteht dabei aus einem Material, das Sauerstoff nicht bzw. nur in ganz geringen Mengen abgibt oder aufnimmt, d.h. sauerstoffneutral ist,um die Sauerstoffmessung nicht zu stören, und Wärme praktisch nicht leitet, d.h. eine mit Pappe vergleichbare wärmeisolierende Wirkung besitzt, um die Temperaturmessung nicht zu verfälschen. Ferner ist das Material mechanisch widerstandsfähig und besitzt eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit, um den heissen Verbrennungsgasen und der Metallschmelze länger Widerstehen zu können, als die das Trägerrohr umgebende Hülle oder Hüllen. Ein geeignetes Material kann sich beispielsweise aus einem magnesithaltigen Pulver feiner Körnung, aus aufgeschlämmten Papierfasern und einem chemischen Binder als wesentliche Bestandteile des Materials zusammensetzt. Vorzugsweise besteht das Material aus ca. 60 - 95 Gew.-% eines im wesentlichen Magnesit enthaltenden Pulvers feiner Körnung, aus ca. 5 - 35 Gew.-% anorganische und/oder organische Fasern, Rest Harz und einem chemischen Binder. Diese Komponenten werden innig vermischt und anschliessend getrocknet bzw. getempert. Bevorzugt ist der Radius des Schirmes grösser als die Länge des über den Schirm hinausragenden Teils des Messkopf es. Ferner sollte der Durchmesser des Schirmes mindestens dem Durchmesser der das Trägerrohr umgebenden jeweils äussersten Hülle entsprechen, um den Messkopf vor den Verbrennungsprodukten der Hüllen zu schützen. Vorzugsweise ist der Schirm nicht integraler Bestandteil bzw. Teil des Messkopfes der erfindungsgemässen Vorrichtung sondern ist ein separates Bauteil und kann aus einem anderen Material als die Messkopffassung bestehen. Dadurch wird die Fertigung des Schirmes vereinfacht und verbilligt, und es kann der gleiche Messkopf, wie er bei Messungen in der Pfanne eingesetzt wird, verwendet werden unter Hinzufügung des Schirmes als separatem Bauteil. Dabei soll der Schirm einfache geometrische Gestalt bevorzugt die Form einer Scheibe oder einer Buchse haben. Insbesondere aufeinanderfolgende Messungen des Sauerstoffgehaltes und der Temperatur von Metallschmelzen mit Hilfe der erfindungsgemässen Vorrichtung während des Frischens in einem Konverter sind dann gewährleistet, wenn die das Trägerrohr der Vorrichtung umgebende Hülle bzw. Hüllen, die gleichzeitig au das Kontaktrohr des Halterohres bzw. der Sublanze umschliessen, an ihrem--oberen, dem Messkopf gegenüberliegenden Ende durch einen ringförmigen elastischen Spritzschutz geschützt sind. Vorzugsweise besteht dabei der Spritzschutz aus einem feuerfesten faserförmigen Material, wie zum Beispiel Mineralwolle. Durch diese erfindungsgemässen Massnahmen wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass nach jedem Wechsel einer verbrauchten Vorrichtung gegen eine neue erfindungsgemässe Vorrichtung der elektrische Kontakt zwischen dem Messkopf und dem Kontaktstück des Halterohres stets gewährleistet ist. Es braucht nun nicht mehr Sthl- und die Verbärung durch die erstarrten/Schlackenspritzer in die sem Bereich nach jeder Einzelmessung entfernt zu werden. In vorteilhafter Weise können dadurch aufeinanderfolgende Messungen in wesentlich kürzeren Zeitabständen durchgeführt werden. Bezüglich ihrer Eignung für Messungen des Sauerstoffgehaltes und der Temperatur von Metallschmelzen während des Frischens in einem Konverter kann die erfindungsgemässe Vorrichtung weiter dadurch verbessert werden, dass die die E.tE-Zelle und das Thermoelement umgebende erste Kappe aus metallischem Material und die diese erste Kappe umgebende Schutzhaube aus einen verbrennbaren Material von einer weiteren, zweiten Kappe aus metallischem Material umgeben werden. -¯¯ir.durgsgemäss liegt dabei die zweite Kappe mit ihrem Fuss an dem Schirm an und wird über eine Bohrung durch den Schirm mittels Halteelemente an der Hülle bzw. den Hüllen der Vorrichtung mechanisch befestigt. Durch diese Massnahmen wird primär ein mechanischer Schutz, aber auch Schutz gegen die heissen, aus dem Konverter austretenden sowie Stahl- und Schlackenspritzer Gase/erzielt. Insgesant wird dadurch erreicht, dass weit weniger erfindungsgemässe Vorrichtungen bereits vor der eigentlichen Messung ausfallen. Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen Fig. l eine zum Stand der Technik zählende Vorrichtung für - die Messung in einer Pfanne, Fig. 2 die erfindungsgemässe Vorrichtung im Längsschnitt in einer Ausführung und Fig. 3 den Längsschnitt einer weiteren Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung Fig. 4 den Längsschnitt einer weiteren Ausführung der er findungsgemässen Vorrichtung, die von dem zugehörigen Halterohr bzw. einer Sublanze gehalten wird. GleicheTeile sind in den verschiedenen Abbildungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Der die EMK-Zelle 1 und das Thermoelement 2 umfassende Messkopf 3 ist bei allen in der Zeichnung dargestellten Ausführungen mit seinem Fuss 4 in das untere Ende eines aus Pappe bestehenden Trägerrohres 5 eingeschoben. Die EMK Zelle 1, das Thermoelement 2 und das sie haltende Material bilden den Messkopf 3. Der Durchmesser des Messkopfes wird dabei möglichst klein gewählt und im wesentlichen durch die Dimensionen von EMK-Zelle und Thermoelement bestimmt. Um die für die EMK-Zelle erforderliche äussere Ableitung, das heisst ihren Kontakt mit dem Metallbad sicherzustellen, besteht das die EMK-Zelle und das Thermoelement haltende Material des Messkopfes 3 vorzugsweise aus einer graphitisierten Tonerdemasse. nur Bei der vorbekannten Vorrichtung gemäss Fig. 1, die sich/für Messungen des Sauerstoffgehaltes und der Temperatur von Metallschmelzen in Pfannen eignet, ist der Hesskopffuss 4 des Messkopfes 3 und das untere Ende des Trägerrohres 5 von einer feuerfesten Schutzhülse 6 umgeben. Daran schliesst sich eine zylindrische Hülle 8 aus Pappe an, die das Trägerrohr ebenfalls zum Schutz vor einer zu schnellen Zerstörung durch das Metallbad umgibt und sich über die noch verbleibende gesamte in das Metallbad eintauchende Länge der Messvorrichtung erstreckt. Bei den Ausführungsbeispielen der erfindungsgemässen Vorrichtung gemäss Fig. 2 und Fig. 3 wird demgegenüber das Trägerrohr 5 nicht durch eine einzige dickere Hülle, sondern vielmehr durch zwei das Trägerrohr 5 umgebende Hüllen 9 und 10 aus Pappe vor dem Metallbad und den heissen Verbrennungsgasen im Konverter geschützt. Im Unterschied zu der vorbekannten Messvorrichtung gemäss Fig. 1 weist die erfindungsgemässe Vorrichtung gemäss Fig. 2 am unteren Ende des Trägerrohres 5 jedoch keine feuerfeste Schutzhülse, sondern vielmehr einen als kugelig gekrümmte Scheibe ausgebildeten Schirm auf, der das Trägerrohr 5 und die das Trägerrohr umgebenden Hüllen 9 und 10 aus Pappe schützt. Erfindungsgemäss ist dabei der Schirm nicht Bestandteil des Messkopfes 3 und besteht vorzugsweise aus einem anderen Material als die Fassung des Messkopfes. Die Fig. 3 zeigt als Alternative zu der Auswührungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung gemäss-Fig. 2 im linken Bildteil einen als ebene Ringscheibe 7b ausgebildeten Schirm. Im rechten Bildteil der Fig. 3 besitzt der Schirm die Form einer Buchse 7c. Die Fig. 4 zeigt die Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung gemäss Fig. 3, linker Bildteil zusammen mit dem Halterohr bzw der bzw. der Sublanze, an dem/die Vorrichtung befestigt ist und mit den bzw.der sie in das Metallbad eingeführt wird. Dazu wird die äussere zylindrische Hülle 10 der in Fig. 4 dargestellten Ausführungs- form der erfindungsgemässen Vorrichtung über das Kontaktstück 21 auf das Kontaktrohr 22 des Halterohres 23 geschoben und von dem Kontaktrohr gehalten. Ferner zeigt Fig. 4 den erfindungsgemässen ringförmigen elastischen Spritzschutz 20, der das obere Ende der Hülle 10 abdeckt und den Spalt zwischen vorzugsweise Hülle 10 und Halterohr 23 voliständig ausfülìt. Im nicht zusammengedrückten Zustand besitzt der ringförmige Spritzschutz eine Stärke von ca. 4 mm bis 1 cm. Durch diesen elastischen Schutz wird einerseits die Vérbärunq aieses Be Stahl- und - --reiches durch erstarrterschlackenspritzer verhindert, anderer- seits der elektrische Kontakt zwischen den Leitungen 18 des Messkopfes und dem Kontaktstück 21 des Halterohres 23 über einen nicht dargestellten Steckkontakt stets gewährleistet. Ferner zeigt die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform die erste Kappe 12 aus metallischem Material, die diese Kappe umgebende Schutzhaube 13 aus einem verbrennbaren Material und die erf in- dungsgemässe zweite Kappe aus metallischem Material, mit denen die EMK-Zelle 1 und das Thermoelement 2 der erfindungsgemässen Vorrichtung umgeben sind und gegenüber mechanischer (gegen Stösse oder dgl.) Beanspruchungrn, den heisses Gasen und den Schlacken- sowie Stahl- spritzern geschutzt werden. Während die erste Kappe 12 und die Schutz haube 13 von dem Fuss des Messkopfes gehalten werden, liegt die zweite Kappe 14 auf dem Schirm 7b auf und ist über eine Bohrung 15 durch den Schirm mittels mindestens zwei Halteelemente 16 an der Hülle 10 mechanisch befestigt. Diese Halteelemente können beispielsweise Nägel, Schrauben oder dergleichen sein.

Claims: Patentansprüche 1. Vorrichtung zum Messen des .Sauerstoffgehaltes und der Temperatur von Metallschmelzen mit einem aus einer EMK-Zelle und einem Thermoelement bestehenden Messkopf dessen Fuss an dem unteren Ende eines Täger rohres, insbesondere aus Pappe, teilweise in das Trä gerrohr eingeschoben und von dem Trägerrohr gehalten wird, welches von mindestens einer weiteren Hülle, insbesondere aus Pappe, zum Schutz des Trägerrohres gegenüber dem Metallbad umgeben ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Trägerrohr (5) und die Hülle (9, 10) an ihrem unteren Ende durch einen Schirm (7a, 7b, 7c) geschützt sind. 2. Vorrichtun- nach Anspruch 1, d a d u r- c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Schirm (7a, 7b, 7c) eine Dicke von maximal 4 cm besitzt. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Schirm eine Dicke von etwa 1,5 cm hat. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Schirm (7a, 7b, 7c] aus einem sauerstoffneutralen, wärmeisolieren den, mechanisch widerstandsfähigem Material mit hoher Temperaturwechselbeständigkeit besteht. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Radius des Schirmes (7a, 7b, 7c),grösser ist als die Länge a des über den Schirm hinausragenden Teiles des Messkopfes (3). 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Durchmesser des Schirmes (7a, 7b, 7c) mindestens dem Durchmesser 2 b der das Trägerrohr (5) umgebenden jeweils äussersten Hülle (9 bzw. 10) entspricht. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Schirm (7a, 7b, 7c) ein separates Bauteil ist. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Schirm eine Scheibe (7b) ist. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Schirm eine Haube in der Form einer Buchse (7c) ist. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet , dass die Hülle (9, 10) an ihrem oberen, dem Messkopf gegenüberliegenden Ende durch einen ringförmigen elastischen Spritz schutz (20) geschützt ist. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzschutz (20) aus einem feuerfesten, faserförmi gen Material, insbesondere Mineralwolle, besteht. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, dass die die EMK-Zelle und das Thermoelement umgebende erste Kappe (12) aus metallischem Material und die diese erste Kappe umgebende Schutzhaube (13) aus einem verbrennbaren Material von einer weiteren, zweiten Kappe (14) aus metallischem Material umgeben werden. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kappe (12) und die Schutzhaube (13) von dem Fuss des Messkopfes gehalten werden und die zweite Kappe (14) an dem Schirm anliegt und über eine Bohrung (15) durch den Schirm mittels Halteelemente (16) an der Hülle (9, 10) me chanisch befestigt ist.

Inventors: FLORIN, WOLFRAM, HOFFKEN, ERICH, DR., MACH, JOHANNES, DR., Höffken, Erich, Dr.
Applicants: FERROTRON ELEKTRONIK GMBH, THYSSEN STAHL AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1984
Main classification: G01N27
IPC codes: G01N33, G01B7, G01K7, C21C5, G01N25, G01N27