DE1906388C3

DE1906388C3 - Einrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung des Sauerstoffgehalts schmelzflussiger Metalle

Info

Publication number: DE1906388C3
Application number: DE1906388A
Authority: DE
Inventors: F D Richardson
Original assignee: Societe Generale Metallurgique de Hoboken SA; Rst International Metals Ltd
Current assignee: Societe Generale Metallurgique de Hoboken SA; Rst International Metals Ltd
Priority date: 1968-02-09
Filing date: 1969-02-08
Publication date: 1978-08-31
Also published as: DE1906388B2; FR1601200A; YU36229B; YU22669A; LU55448A1; FI53174B; DE1906388A1; ZM1269A1; GB1235091A; US3661749A; SE377501B; FI53174C; JPS5527300B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung des Sauerstoffgehalls schmelzflüssiger Metalle, bei der das elektrochemische Potential zwischen zwei Flächen eines festen Elektrolyten festgestellt wird, von denen die eine mit Sauerstoff geregelten Drucks als Bezugselektrode und die andere mit der zu prüfenden Schmelze in Berührung kommt, wobei der feste Elektrolyt umgeben ist von einem jo äußeren Rohr, das gegen mechanische, thermische und chemische Beanspruchung widerstandsfähig ist und eine Kontaktelektrode zur Schmelze bildet.

Es ist ein elektrochemisches Verfahren zur Sauerstoffbestimmung in schmelzfiüssigen Metallen, insbe- r> sondere in flüssigem Kupfer, bekannt. Dieses Verfahren beruht auf der Messung der elektromotorischen Kraft, die zwischen den beiden Flächen eines festen Elektrolyten auftritt, sobald diese Flächen mit Phasen in Berührung stehen, deren Sauerstoffpartialdruck ver- -to schieden ist. Als festen Elektrolyten kann man keramische Stoffe verwenden, die bei hoher Temperatur beständig sind und eine gute loncnlcitfähigkeit aufweisen, wie z. B. partiell mit. CaO oder MgO stabilisiertes ZrOj. -r>

Bei der Messung ist die eine Fläche des festen Elektrolyten in Berührung mit dem Metall, z. B. mit schmclzflüssigem Kupfer, dessen Gehalt an gelöstem Sauerstoff zu bestimmen ist. und in das ein Siromlciter aus hit/ebeständigem Metall eingetaucht wird. Die ίο andere Fläche steht in Berührung mit einer Bezugselektrode bekannten Sauerstoffdrucks, ζ. Β. mit einer bekannten Ni-NiO-Mischung, die mit einem zweiten Stromleiter, z. B. Platindraht, verbunden ist.

Aus der Messung der Spannung E zwischen diesen τ> beiden Stromleitern kann man nach der folgenden bekannten Formel den Sauerstoffgehalt des schmelzflüssigen Metalls ableiten:

E =

RT

iiF

In.

/O₂(ReO"

In der
R =

T =

P =

•ormcl bedeutet:
Gaskonstunie
absolute Temperatur
Valenz des Sauerstoffions
Wert für ein Faraday
Siiuerstoffpurtialdruck

bO

b^r> Diese Spannung wird gemessen mit einem Voltmeter, dessen Eingangswiderstand im Vergleich zur Meßzelle genügend hoch ist.

Aus der DD-PS 21 673 ist eine Meßsonde bekannt, bei der ein Keramikrohr und ein Metallrohr den festen Elektrolyten umgibt. Hierbei kann die zu messende Flüssigkeit mit der ^;Zeft zwischen den verschiedenen Rohren eindringen, wodurch diese Vorrichtung nicht für längere Eintauchzeiten verwendet werden kann. Ferner ist der feste Elektrolyt mit einer Elektrodenschicht überzogen, wodurch die Ansprechzeit verlängert wird. Zwischen dem äußeren Metallrohr und dem festen Elektrolyten besteht keine Isolierung. Sobald sich nur Spuren von Oxid auf der Rohroberflächc bilden, entstehen Streu-EMKs, welche die Meßergebnisse verfälschen.

Der Erfindung liegi die Aufgabe zugrunde, die Mängel der bekannten Vorrichtung zu beseitigen, so daß ein fehlerfreies Arbeiten des Meßfühlers, auch bei langen Eintauchzeiten, und eine lange Lebensdauer der Vorrichtung erreicht ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgeniäß laut kennzeichnendem Teil des Patentanspruchs gelöst.

Es ist vorteilhaft, einen Block aus Kupfer oder einem anderen gut wärmeleitenden und leicht schmelzbaren Material unterhalb und/oder rings um den festen Elektrolyten so anzuordnen, daß dieser Metallblock mit dem Schmelzbad in Berührung kommt und, indem er schmilzt, Wärme absorbiert. Hierdurch erreicht man, daß der Elektrolyt nach und nach erwärmt wird und daß das Elektrolytrohr während seiner Einführung gegen chemische Einwirkungen der Schlacke geschützt wird.

Als für den chemischen und mechanischen Schutz geeignete Stoffe sind hitzebeständige Metalle oder Legierungen oder Cermets zu nennen, z. B. das Cermet Cr+ Al;Oi oder ein ferritischer Stahl oder Chrom oder Eisen.

Der feste Elektrolyt erhält eine Umhüllung in Form eines handlichen Rohres aus hitzebeständigem Metall, das gegen chemische Angriffe widerstandsfähig und elektrisch leitend ist.

Als Bezugselektrode verwendet man einen Luftstrom von konstanter Durchflulinienge, der sich kontinuierlich erneuert, so daß ein konstanter Oi-Gehali gesichert ist.

Im allgemeinen ist es nicht erwünscht,die Luft in einer solchen Menge durchströmen zu lassen, daß eine innere Abkühlung der Bezugselektrode eintritt; dies wirkt sich ungünstig auf die elektromotorische Kraft aus.

Die einzelnen Teile der neuen Einrichtung sind in außerordentlich einfacher und kompakter Weise zu einet robusten und gut zu handhabenden Einheit zusammengebaut.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung werden die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiclc beschrieben.

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt den Aufbau der Einrichtung;

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Einrichtung;

F i g. 3 zeigt die Anbringung der Einrichtung an einer Gießpfanne für Kupfer.

Nach F i g. 1 ist eine nach oben offene, aus einem festen Elektrolyimatcrial gefertigte Kapsel 2 mittels Schichten aus hitzebestiindigein Zement 4 in einem äußeren Rohr 3 befestigt. Das äußere Rohr 3 besteht aus hitzcbesiandigem Material (Metall, Legierung, Cermet), das den elektrischen Strom leitet und gegen mechanische und chemische Angriffe widerstandsfähig ist. Das

II)

I")

unten geschlossene Ende der Kapsel 2 kommt in Berührung mit dem Schmelzbad 1. dessen Sauerstoffgehalt zu bestimmen ist. Mit Vorteil bildet das äußere Rohr 3 einen der beiden Stromleiter, die für die elektrische Messung benötigt werden. Dies gestattet sehr schnelle Messungen und eine sehr kompakte, robuste und handliche Ausführung der' Einrichtung. Der keinen Angriffen ausgesetzte Teil 17 des äußeren Rohres 3 kann z. B. in Weichsiahl ausgeführt sein.

Im Irncnraum des äußeren Rohres 3 ist das Einblasrohr 5 aus hitzebeständigem, aber nicht elektrisch leitendem Material vorgesehen. Das Einblasrohr S reicht bis nahe zum Boden der Kapsel 2, so daß. wie mit den Pfeilen IS angedeutet, die Innenwandungen der Kapsel 2 gleichmäßig vom Luftstrom bestrichen werden.

Ein stromleitender Draht 6 ist mit der Hülse 3 verbunden und ein stromleitcnder Draht 7, z. B. aus Platin oder einer Platin-Rhodium-Leg-?rung, steht in Kontakt mit dem Boden der Kapsel 2. Die Drähte 6 und 7 führen zu einem nicht dargestellten hochempfindlichen Spannungsmesser.

Unter der Kapsel 2 ist der Kupferblock 8 angeordnet, der mit dem Schmelzbad ! in Berührung kommt. Dies bezweckt eine Abschwächung der zur Kapsel 2 gelangenden Wärmestöße. Die Kapsel 2 ist nämlich sehr zerbrechlich. Der Kupferblock 8 ist z. B. mittels einer Stahlschraube 19 am äußeren Rohr 3 befestigt. Mit Vorteil ist ein kleiner Längskanal 18 im Kupferblock 8 vorgesehen, durch den zwischen der Kapsel 2 und dem Kupferblock 8 eingeschlossene Gase entweichen können.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 sind die Kapsel 2, das äußere Rohr 3, die Zementschichten 4 und der Kupferbloek 8 ebenso wie in F i g. 1 ausgebildet. r>

In Abweichung von F i g. 1 ist eine Kühleinrichtung 10 für den oberen Teil der Vorrichtung vorgesehen. Die Kühleinrichtung 10 wird gemäß den Pfeilen 16 von einer Kühlflüssigkeit durchflossen, um im Fall des Auftretens von Flammen oder erhöhter Wärmestrahlung den Kopf 4ii der Vorrichtung zu schützen.

7-ur Verbesserung des Kontaktes zwischen dem .. Elektrolyten (Innenwandung der Kapsel 2). der Bezugselektrode und dem Stromleiter sind am Boden der Kapsel 2 Silbergranalien 11 angeordnet, die bei Einführung der Sonde in das Schmelzbad 1 schmelzen. Der Stromleiter besteht aus dem Einblasrohr 5. das aus den gleichen hitzebeständigen und stromleitenden Materialien wie das äußere Rohr 3 bestehen kann und mit dem Ableitdraht 12 verbunden ist.

Die Mündung des Einblasrohres 5 kann schräg geschnitten sein, so daß das Ende in das flüssige Silber eintaucht und der Luftstrom oberhalb des Silbers 11 austritt. Hierdurch wird ein Brodeln des flüssigen Silbers vermieden, das auftreten würde, wenn die Luft unterhalb des Silberspiegels eingeblasen würde.

Bei dieser Anordnung wird der Strom über das Silberbad 11. das Einblasrohr 5 und den Ableitdraht 12 zum Voltmeter geführt. Das Einblasrohr 5 kann z. B. aus rostfreiem Stahl bestehen.

Bei allen Ausführungsformen besteht die Kapsel 2 vorzugsweise aus ZrO». das partiell durch CaO oder MgO stabilisiert ist. z. B. durch etwa 7% CaO.

Für die Messung in Kupferbädern kann das äußere Rohr 3 aus leitendem Cermet gefertigt sein. /.. B. aus >j Cr + A!>Oj oder aus hilzebeständigem Stahl, wie ferritischer Chromstahl. Für Bleiblöcke verwendet man vorzugsweise eine Eisenhülse.

Der die Kapsel 2 mit dem äußeren Rohr 3 verbindende Zement 4 kann ein aluminöser Zement «ι sein.

Bei beiden Ausführungsformen wird ein Ring 14 aus hitzebesiändigem Material zwischen dem äußeren Rohr 3 und dem festen Elektrolyten 2 angeordnet. Hierdurch wird die Gefahr des Auftretens von Slrcu-EMKs j-) vermieden und ein störungsfreies Arbeiten der Vorrichtung gewährleistet. Ferner erhält man dadurch eine bessere Abdichtung und eine größere Widerstandsfähigkeit.

F i g. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung 20, die an der Wand 21 einer Gießpfanne 22 für Kupfer angebracht ist.

Hierzu 3 Ulatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Einrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung des Sauerstoffgehalts schmelzflüssiger Metalle, bei der das elektrochemische Potential zwischen zwei Flächen eines festen Elektrolyten festgestellt wird, von denen die eine mit Sauerstoff geregelten Drucks als Bezugselektrode und die andere mit der zu prüfenden Schmelze in Berührung kommt, wobei der feste Elektrolyt umgeben ist von einem äußeren Rohr, das gegen mechanische, thermische und chemische Beanspruchung widerstandsfähig ist und eine Kontaktelektrode zur Schmelze bildet, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ring (14) aus hitzebeständigem Material zwischen dem äußeren Rohr (3) und dem festen Elektrolyten (2) angeordnet und mittels Zementschichten (4) festgehalten ist.

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