DE3725615A1 - Tauchpyrometer zum messen hoher temperaturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Tauchpyrometer nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Derartige Tauchpyrometer werden insbesondere für das Messen der Temperaturen flüssiger Metalle verwendet.

Bei vielen industriellen und wissenschaftlichen Verfahren ist eine Messung und Kontrolle extrem hoher Temperaturen nötig. So ist beispielsweise die Messung der Temperatur ge­ schmolzener Metalle für eine geeignete Verfahrensführung bei der Metallherstellung wesentlich. Zwei der am meisten verwendeten Geräte für die Bestimmung der Temperaturen flüssiger Metalle sind das optische Pyrometer und die ent­ fernbare Thermoelement-Lanze. Das optische Pyrometer ar­ beitet nicht so genau, wie dies wünschenswert ist und kann lediglich die Oberflächentemperatur des flüssigen Metalls messen. Die bewegliche Thermoelement-Lanze ist ungenau. Sie erlaubt nicht die kontinuierliche Messung der Temperatur des flüssigen Materials und ihr Gebrauch wirft verschiedene Sicherheitsprobleme für die Bedienungsperson, welche sie benutzt, auf.

Als Folge der Nachteile sowohl des optischen Pyrometers als auch der jeweils einsetzbaren Thermoelement-Lanze sind er­ hebliche Anstrengungen zur Entwicklung eines Tauchpyrome­ ters gemacht worden, das langzeitig ständig Meßwerte lie­ fern soll. Bei einem Tauchpyrometer ist ein Thermoelement in einem Rohr aus Metall mit hohem Schmelzpunkt einge­ schlossen, welches mit einem keramischen Material, bei­ spielsweise Aluminiumoxid Al₂O₃ oder einer Mischung aus Aluminiumoxid und Chromoxid (Cr₂O₃) beschichtet ist. Die Schichten schützen das Metallrohr gegenüber der flüssigen Metallumgebung. Die Verwendung einer oder mehrerer kera­ mischer Schichten ist jedoch nicht befriedigend, da eine einfach oder mehrfach vorgesehene Keramikschicht zum Ab­ splittern neigt mit der Folge, daß das flüssige Metall die Metallhülse erreichen und angreifen kann. Die innere Me­ tallhülse kann dem Angriff durch die Schlacke und/oder das flüssige Metall nicht standhalten und wird zusammen mit dem eingeschlossenen Thermoelement schnell zerstört. Das Meß­ element, üblicherweise ein Edelmetall-Thermoelement, ist teuer und es ist wünschenswert, dieses vielfach benutzen zu können. Umhüllungen, welche für einen Schutz der Thermoele­ mente entwickelt sind, haben zu einem langsamen thermischen Meßverhalten geführt und dies macht die Entwicklungen für zahlreiche Anwendungszwecke ungeeignet.

In einer älteren amerikanischen Anmeldung (US Serial No. 7 75 183 vom 12. September 1985) wird eine Schutzhülle für ein Thermoelement beschrieben, welche schweren thermischen Schocks widerstehen kann und welche eine gute Widerstands­ fähigkeit gegenüber Korrosion und Erosion durch geschmol­ zene Metalle aufweist. Obwohl die Standzeit dieser Schutz­ hülle bereits relativ lang ist, ist es wünschenswert, die Standzeit noch weiter zu verbessern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Tauch­ pyrometer mit einer Umhüllung für ein Thermoelement zu schaffen, welches für eine möglichst lange Zeitdauer in einer Umgebung aus flüssigem Metall eingesetzt werden kann. Außerdem soll das Tauchpyrometer so ausgebildet sein, daß voneinander zu trennende innere und äußere Gehäuse für das Temperaturmeßelement vorgesehen sind. Das Tauchpyrometer soll eine Mehrzahl von Schutzschichten aufweisen und eine gute Ansprechempfindlichkeit besitzen. Das Tauchpyrometer soll schnell und genau möglichen Änderungen in der Temperatur der flüssigen Metallbäder folgen können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils von Anspruch 1.

Das erfindungsgemäße Tauchpyrometer kombiniert angemessene mechanische Dauerhaftigkeit mit einer guten Widerstands­ fähigkeit gegen Korrosion und Erosion in Anwesenheit von Schlacke und/oder flüssigen Metallen bei einer schnellen thermischen Ansprechempfindlichkeit. So kann beispielsweise eine Lebensdauer in flüssigem Metall von über 100 Stunden erzielt werden bei der Fähigkeit, innerhalb von 8 Minuten von Raumtemperatur auf 1565°C zu gehen. Diese Eigenschaften werden zudem noch mit vergleichsweise niedrigen Kosten erzielt. Dies hat seine Ursache darin, daß zwar das Temperaturmeßelement selbst sehr teuer ist, insbesondere wenn ein Thermoelement aus Edelmetall verwendet wird, daß aber das äußere Gehäuse die Metallröhre gegen eine Korrosion der Umgebung mit hoher Temperatur schützt. Als zusätzlicher Vorteil ist es anzusehen, daß für den Fall, daß das äußere Gehäuse ausfällt, die innere Hülle für eine lange Zeit einen Schutz für das darin befindliche Temperaturmeßelement gibt.

Das äußere Gehäuse kann in einen Bottich oder anderen Behälter für flüssiges Material eingebaut werden. Die innere Umhüllung, welche das Temperaturmeßelement enthält, kann bei Bedarf durch einen Bedienungsmann in das Gehäuse eingesetzt oder daraus entfernt werden. Wenn es nötig ist, das Thermoelement zu entfernen, während sich flüssiges Metall im Behälter befindet, können das Thermoelement und die innere Umhüllung sicher entfernt werden, da diese Teile nicht mit der Schmelze in Berührung stehen. Am Ende des Schmelzvorgangs kann beispielsweise die innere Umhüllung entfernt und in einen anderen Behälter eingesetzt werden.

Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der Er­ findung an der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die innere Umhüllung und das äußere Gehäuse mit einer Zwischenschicht aus keramischem Material,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine innere Umhüllung mit einem darin angeordneten Thermoelement,

Fig. 3 das teilweise geschlossene Ende, welches Details der Schutzschichten der inneren Umhüllung zeigt.

Fig. 1 zeigt, daß das Tauchpyrometer 1 eine innere Umhüllung 11 aufweist, welche ein nicht dargestelltes Temperaturmeßelement enthält. Die innere Umhüllung befindet sich im Zentrum eines äußeren Gehäuses 2. Eine Zwischenlage aus keramischem Vergußmaterial 6 ist zwischen der inneren Umhüllung 11 und dem äußeren Gehäuse 2 vorgesehen. Das Tauchpyrometer 1 ist zum Einsatz in eine Öffnung in den Wänden oder an der Oberseite eines Behälters geeignet, der flüssiges Metall enthält. Es kann mittels eines Flansches 4 am Behälter befestigt werden.

Die innere Umhüllung 11 muß hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen besitzen. Hierzu dient die Verwendung entweder eines Metallrohrs oder eines mit Keramik oder Keramik-Metall-Gemisch (Cermet) beschichteten Metallrohrs. Als geeignete Metallrohre werden unter anderem solche aus Molybdän und Nickel-Chrom-Stahl wie rostfreie Stähle vorgeschlagen. Molybdän ist das bevorzugte Metall für unbeschichtete Rohre, da es vergleichsweise gering mit dem Material des äußeren Gehäuses reagiert.

Obwohl unbeschichtete Metallrohre verwendet werden können, wird vorzugsweise für die innere Umhüllung 11 ein mit Cermet beschichtetes Rohr verwendet. Der bevorzugte Aufbau ist in der amerikanischen Patentanmeldung Ser. No. 7 75 183 mit Anmeldetag vom 12. September 1985 beschrieben. Wie dies dort beschrieben und in den anliegenden Fig. 2 und 3 dargestellt ist, ist ein Metallrohr 12, vorzugsweise aus Molybdän, mit einer Mehrzahl von porösen, einzelnen Schichten 14 aus Keramik-Metall-Gemisch beschichtet und mit einer äußeren Schicht aus einer Keramik. Die einzelnen Cermetschichten sind dünne Schichten und enthalten Aluminiumoxid-Chromoxid (Al₂O₃-Cr₂O₃) und Molybdän in einer von innen nach außen abnehmenden Konzentration.

Das einseitig geschlossene Rohr 12 bildet einen Innenraum 13, welcher die Thermoelementverbindung bzw. Lötstelle 54 enthält. Die Thermoelementdrähte 50 und 52 verbinden den Anschlußkopf 62 mit der Meßstelle 54 und sind durch eine nicht dargestellte, zwei Bohrungen aufweisende Isolierung in der Umhüllung 11 gehalten. Der Anschlußkopf 62 kann nicht dargestellte Dichtungen aufweisen.

Das Metallrohr 12 wird durch bekannte Verfahren aus einem Metall oder einer Metallegierung hergestellt, welche die erforderlichen Eigenschaften aufweist, nämlich einen hohen Schmelzpunkt und hohe Festigkeit gegenüber hohen Tempera­ turen. Molybdän ist das Metall der Wahl zur Verwendung bei sehr hohen Temperaturen, und zwar wegen seiner exzellenten mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen. Die thermische Leitfähigkeit und die spezifische Wärme des Me­ talls des Metallrohres steuern die Temperaturerhöhung im Inneren des Metallrohrs und das Ergebnis sind milde Umge­ bungsbedingungen für das Thermoelement. Es kann auch Molyb­ dän verwendet werden, welches geringe Anteile von Titan und Zirkon enthält. Die entsprechende Legierung hat den Vor­ teil, daß ein stärkeres Metallrohr entsteht als wenn es ausschließlich aus Molybdän besteht, weil die Legierung eine Rekristallisation bei den interessierenden Tempera­ turen verhindert.

Auch Metallrohre aus rostfreiem Stahl sind relativ befrie­ digend zur Verwendung als innere Schutzhülle oder als Be­ standteil der inneren Schutzhülle, wenn Temperaturen von niedrigerschmelzenden Materialien gemessen werden sollen, beispielsweise Aluminium oder Messing. Rostfreier Stahl hat einen Kostenvorteil gegenüber Molybdän und aus diesem Grund kann er in einigen Anwendungsfällen das Metall der Wahl für das Metallrohr sein. Obwohl auch andere Metalle als Molyb­ dän oder Molybdän-Legierungen für das Metallrohr verwendet werden können, wie dies vorstehend erläutert wurde, wird das Metallrohr 12 nachstehend zur Vereinfachung als Molyb­ dänrohr angesprochen. Es ist selbstverständlich möglich, auch andere geeignete Materialien anstelle von Molybdän vorzusehen.

Obwohl Molybdän einen sehr hohen Schmelzpunkt aufweist, oxidiert es bei hohen Temperaturen sehr rasch.

Molybdän wird auch durch chemisch aggressive Gase an­ gegriffen, die in der Umgebung einer Metallschmelze vor­ handen sind. Aus diesem Grund muß eine Schutzschicht ver­ wendet werden, um das Molybdän-Rohr gegenüber der Umgebung zu schützen, wenn es entweder innerhalb oder außerhalb des äußeren Gehäuses 2 liegt.

Das Molybdän-Rohr wird vorzugsweise durch eine Beschichtung geschützt, welche eine Mehrzahl von porösen Lagen aus einem Keramik-Metall-Gemisch, nämlich Aluminiumoxid-Chromoxid- Molybdän aufweist, welche auf die äußere Oberfläche des Metallrohrs mit Hilfe eines Lichtbogen-Plasma-Sprühver­ fahrens aufgebracht werden.

Es ist übliche Praxis beim Aufbringen keramischer Be­ schichtungen auf Träger, die aus Keramik oder Metall bestehen, die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Auftragsmaterials und des Trägers zur Deckung zu bringen, um die thermischen Beanspruchungen, welche aus Temperatur­ änderungen resultieren und welche die Beschichtungen er­ weichen und schließlich zerstören werden, möglichst gering zu halten.

Damit die thermischen Expansionskoeffizienten der Be­ schichtungen mit den Trägermaterialien zusammenpassen, ergeben sich jedoch scharfe Beschränkungen in der Wahl des Materials, welches effektiv für Beschichtungen be­ nutzt werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung wird aus den Abweichungen in der thermischen Expansion zwischen dem keramischen Material und dem Molybdän ein Vorteil in der Weise gezogen, daß man gesteuerte thermisch-mechanische Belastungen erzeugt, welche feine, gut steuerbare Mikrorisse in der Be­ schichtung erzeugen. Solche Haarrisse sind in Fig. 3 mit Bezugszeichen 15 bezeichnet. Das Entstehen solcher Haarrisse oder Feinrisse führt mit einer geeignet großen Porosität in den Schutzschichten zu einem Schutzschild, welches einen sehr guten Widerstand gegen Thermoschocks ebenso wie eine exzellente chemische Dauerhaftigkeit in aggressiven Umgebungen hat.

Die porösen Schichten aus Cermet, insbesondere Aluminium­ oxid -Chromoxid-Molybdän kann direkt auf die äußere Oberfläche des Metallrohrs 12 aufgebracht werden. Dieses Metallrohr ist vorzugsweise aufgerauht, beispielsweise durch Sandstrahlen, um die Adhäsion der Schutzschicht zu verbessern. Bei einem bevorzugten Verfahren zur Her­ stellung des Tauchpyrometers wird jedoch die äußere Oberfläche des Metallrohrs 12 zunächst mit einer porösen Schicht aus Molybdän 16 gebildet, welche aus Molybdän- Pulver gebildet ist. Das Molybdän-Pulver wird mit dem Lichtbogen-Plasma-Sprühverfahren auf die Oberfläche des Metallrohrs 12 aufgesprüht.

Fig. 3 zeigt die aus Einzelschichten ausgebildete Schutzschicht 14. Sie besteht aus einer porösen Verbindungs­ schicht 16 aus Molybdän, auf die poröse Cermet-Schichten 18, 20 und 22 aufgebracht sind und eine Mischung aus Aluminiumoxid-Chromoxid-Molybdän enthalten. Das Molybdän ist in von innen nach außen abnehmenden Konzentrationen in den verschiedenen Schichten enthalten. Die äußere Schicht 24 besteht nahezu vollständig aus Aluminium­ oxid-Chromoxid.

Das Aluminiumoxid-Chromoxid kann Chrom in einer Konzentration von ca. 10 Mol% bis ca. 30 Mol% enthalten. Vorzugsweise enthält das Aluminiumoxid-Chromoxid-Pulver Chromoxid im Bereich von ca. 20 Mol%. Aluminiumoxid-Chromoxid (Al₂O₃- Cr₂O₃), das ca. 20 Mol% Chromoxid enthält, hat einen thermischen Expansionskoeffizienten von ca. 8 Teilen pro Million pro °C.

Das Molybdän hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von annähernd 5,4 Teilen pro Million und °C. Dies führt zu einem Unterschied in den thermischen Expansions­ koeffizienten von 45% zwischen der Keramik und dem Molybdän.

Das Aluminiumoxid und das Chromoxid können durch mechanisches Mischen von Aluminiumoxid-Pulver und Chromoxid-Pulver zubereitet werden. Das bevorzugte Material ist jedoch ein Pulver, das vollständig durch sekundäre Erhitzung reagiert hat.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der inneren Schutz­ hülle wird die erste Schicht auf dem Molybdän-Träger aus Molybdän-Pulver gebildet. Nachfolgende Schichten haben eine abnehmende Konzentration an Molybdän und eine zunehmende Konzentration an Keramik. Die Außenschicht besteht zu 100% aus Keramik. Da das Ausmaß der Verände­ rungen in den Zusammensetzungen von Schicht zu Schicht nicht kritisch ist, erfolgt bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung des Tauchpyrometers die Konzentrationsänderung des Molybdäns in einem geradzahligen Volumen/%-Verhältnis von der inneren Schicht zu den äußeren Schichten.

Während die Zahl der Schichten aus Keramik-Metall-Gemisch von zwei bis zehn betragen kann und vorzugsweise von drei bis neun, erweist es sich jedoch, daß es nur geringe Vor­ teile mit sich bringt, wenn man über fünf Schichten ver­ wendet. Außerdem steigen die Kosten zur Herstellung der inneren Hülle mit der Anzahl der verwendeten Lagen.

Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung der Um­ hüllung besteht die Schutzschicht 14 aus fünf Schichten, beginnend mit 100 Vol% Molybdän in der ersten Schicht, gefolgt von 75 bis 25 Vol% Keramik für die zweite Schicht, 50 Vol% Molybdän-50 Vol% Keramik für die dritte Schicht, 25 Vol% Molybdän-75 Vol% Keramik für die vierte Schicht und 100 Vol% Keramik für die fünfte Schicht.

Die Gesamtdicke der aufgebrachten verschiedenen Schichten kann von ca. 0,5 mm bis ca. 1 mm variieren.

Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung des Tauch­ pyrometers hat die poröse Molybdän-Schicht, die auf dem Molybdän-Rohr liegt, ebenso wie jede der folgenden porösen Keramik-Metall-Gemisch-Schichten eine Dicke von ca. 0,05 mm bis 0,1 mm. Die äußere keramische Schicht hat eine Dicke von ca. 0,4 mm bis ca. 0,6 mm. Eine genaue Kontrolle der Dicken der verschiedenen Schichten ist nicht wesent­ lich zur Erzeugung einer inneren Hülle, welche keramischen Schocks widerstehen kann. Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung des Tauchpyrometers hat jedoch jede der Schichten aus Molybdän und Keramik-Metall-Gemisch annähernd die gleiche Dicke, beispielsweise ca. 0,07 mm.

Es ist wesentlich, daß die Cermet-Schichten eine Porosität von ca. 4 bis ca. 33% haben. Der bevorzugte Bereich der Porosität beträgt ca. 15 bis 30% und das Optimum liegt in der Größenordnung von 20 bis 25%. Die Wirkung der Poren ist nicht vollständig geklärt, es ist anzunehmen, daß die Poren die Ausdehnung des Materials in den Schichten begünstigen, wenn diese einer Umgebung mit hoher Temperatur ausgesetzt werden. Die Bestimmung der angegebenen Porosität erfolgt durch optische Mikroskopie mit Hilfe üblicher stereologischer Technik.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Erzeugung der gewünschten Porosität besteht darin, daß man die Molybdän-Schicht, die Keramik-Metall-Gemisch-Schichten und die Keramik- Schichten mittels eines Plasma-Lichtbogen-Sprühverfahrens aufbringt. Dieses Verfahren hat sich als besonders günstig erwiesen, weil es die Kontrolle der kritischen Parameter, nämlich der Oberflächenstruktur und der Porosität der Schichten, erlaubt. Der Porositätsgrad einer metallischen, keramischen oder Keramik-Metall-Gemisch-Schicht beim Plasmasprühen wird in erster Linie durch die Verfahrens­ parameter bestimmt. Hierzu gehören die eingesetzte Energie für den Lichtbogen, die zugeführte Pulvermenge, der Abstand und der Winkel der Trägeroberfläche von dem Sprühstutzen und die Bewegungsgeschwindigkeit des Sprüh­ stutzens über die Trägeroberfläche.

Der Energieeinsatz liegt üblicherweise im Bereich von ca. 15 bis 45 kW, das bevorzugte Energieniveau der einge­ setzten Energie beträgt ca. 30 bis 40 kW. Eine Absenkung der eingesetzten Energiemenge führt zu einer Vergrößerung der Porosität in der aufgebrachten Schutzschicht.

Die zugeführte Pulvermenge kann im Bereich von ca. 2,5 bis 4,5 Kilo Pulver pro Stunde betragen. Eine Verminderung der Pulverzuführrate verringert die Porosität der aufge­ sprühten Schicht.

Der Sprühstutzen wird vorzugsweise in einem Abstand von 5 cm bis ca. 16 cm von der Oberfläche des Trägers gehalten. Die Porosität der aufgebrachten Schicht wächst mit einem Anwachsen der Distanz zwischen Sprühstutzen und Träger.

Der Winkel der aufgesprühten Teilchen beträgt, bezogen auf eine senkrecht zu dem zu besprühenden Teil liegende Achse, bis zu 30°, der bevorzugte Winkelbereich liegt zwischen 0° bis ca. 10°. Die Porosität wächst mit dem Auftragswinkel. Die Auftragsgeschwindigkeit des Sprüh­ stutzens auf der Trägeroberfläche kann von ca. 10 cm bis ca. 30 cm pro Sekunde betragen. Die Porosität wächst mit der zunehmenden Auftragsgeschwindigkeit.

Bei einem bevorzugten Verfahren wird der Träger beim Besprühen gedreht. Eine typische Drehgeschwindigkeit beträgt ca. 600 Umdrehungen pro Minute für einen rohr­ förmigen Träger von ca. 1,25 cm.

Zum Ausführen des Beschichtungsverfahrens sollte der Träger aufgeheizt werden, vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich von ca. 90°C bis ca. 260°C. Obwohl eine Änderung der Trägertemperatur den Porositätsgrad verändern kann, erscheint dieser Einfluß eher gering. Auch die Art und Stärke der Plasmagase haben geringe Auswirkungen auf die Steuerung des Porositätsgrades. Übliche Gase sind ein Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff im Volumen-Verhältnis Stickstoff : Wasserstoff von ca. 4:1 bis 8:1. Typische zweckmäßige Ausströmraten betragen 70 bis 100 ltr pro Minute für Stickstoff und 8,6 bis 17 ltr pro Minute für Wasser­ stoff.

Wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist, dient das äußere Gehäuse 2 zum Schutz der innenliegenden Teile vor flüssigem Metall und Schlackenschicht. Das äußere Gehäuse 2 ist aus einer Mischung aus Graphit und einem Metalloxid herge­ stellt. Typische geeignete Mischungen sind Aluminiumoxid- Graphit-Siliciumoxid, Zirkonoxid-Graphit, Magnesiumoxid- Graphit oder irgendwelche Kombinationen daraus. Die Konzentration des Graphits ist so ausgewählt, daß eine gute Wärmeleitfähigkeit für das Gehäuse erzeugt wird und sie kann im Bereich zwischen ca. 10 bis 35 Gew% liegen. Die Konzentration des Graphit liegt vorzugsweise im Bereich von ca. 25 bis ca. 35 Gew%.

Das äußere Gehäuse 2 ist an einem Ende geschlossen und besitzt eine Höhlung 3 für die innere Umhüllung 11. Die Ausnehmung 3 hat ein unteres engeres Ende und ein oberes weiteres Ende 9. Sie ist so ausgebildet, daß sie dicht um die Spitze der inneren Umhüllung 11 herumpaßt und hat einen Wärmeweg von niedrigem Wärmewiderstand zur inneren Umhüllung 11 und zur Thermoelement-Meßstelle 54.

Die Dimensionen der Wände, welche die Höhlung 3 bilden, sind so ausgewählt, daß sie gutes thermisches Ansprech­ verhalten mit langer Lebensdauer kombinieren. Wenn die Wände zu dünn sind, ist die Lebensdauer kurz und wenn die Wände zu dick sind, ist das thermische Ansprechverhalten zu schlecht. Eine Wandstärke von weniger als 6 mm ist zu wenig und zu zerbrechlich, während eine Wandstärke am Ende von 25 mm oder darüber zu einem schlechten thermischen Ansprechverhalten führt. Die bevorzugte Dicke der Stirnwand beträgt 6 mm bis 12 mm und die optimale Dicke beträgt ca. 12 mm. Die seitliche Wandstärke sollte nicht geringer als 12 mm sein und ist vorzugsweise von 12 bis 25 mm dick.

Die Ausnehmung 3 muß sich weit genug vom Ende des Gehäuses erstrecken, um das Thermoelement 54 zu umgeben. Je größer die Tiefe der Ausnehmung desto besser ist das thermische Ansprechverhalten. Eine Tiefe von ca. 30 cm. vom unteren Ende 7 zum oberen Ende 9 wird die praktisch obere Grenze sein, wenn man die Herstellungskosten von langen schlanken Ausnehmungen berücksichtigt und der praktische Bereich reicht von einer Tiefe von ca. 1,25 cm bis zu ca. 30 cm. Die bevorzugte Tiefe beträgt ca. 5 cm.

Während die innere Ausnehmung 3 so ausgelegt ist, daß sie eng um die Spitze der Umhüllung paßt, hat bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der äußere Bereich 5 der Ausnehmung im Gehäuse 2 einen Durchmesser, der größer als der der Umhüllung ist. Dieser Bereich 5 hat vorzugsweise einen Durchmesser, der ca. 12 mm bis ca. 25 mm größer ist als der Durchmesser der Umhüllung.

Die innere Umhüllung 11 wird innerhalb des Gehäuses 2 in einem Abstand durch gießbares oder schmelzbares Aluminiumoxid 6 gehalten. Eine Ausnehmung mit geeigneten Abmessungen für die innere Umhüllung wird gebildet, indem man in die Ausnehmung des äußeren Gehäuses einen Gußhilfskörper ein­ setzt, welcher die gleiche Größe und Form wie die innere Umhüllung aufweist.

Es wird dann eine schmelzfähige oder gießfähige feuerfeste Masse, beispielsweise Aluminiumoxid, in die verbleibende ringförmige Höhlung gepackt, bis diese vollständig gefüllt ist. Danach wird der Füllkörper entfernt und die Thermo­ elementeinrichtung in die nach Entfernen des Hilfskörpers verbliebene Ausnehmung eingesetzt. Für ein angemessenes thermisches Ansprechverhalten muß die Spitze der inneren Hülse in direktem thermischen Kontakt mit dem äußeren Ge­ häuse stehen. Demzufolge sollte das gießfähige oder schmelzfähige feuerfeste Material aus der Ausnehmung 6 am Boden des äußeren Gehäuses ferngehalten werden.

Das Graphit dient zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Gehäuses und seine Anwesenheit in der Mischung führt zu einem guten thermischen Ansprechverhalten. Die Konzentration des Graphits kann in gewisser Weise von der Umgebung ab­ hängen, der das Gehäuse ausgesetzt ist. So ist beispiels­ weise Zirkonoxid ein ausgezeichnetes Metalloxid zur Ver­ wendung in Verbindung mit Schlacke. Damit die vollen Vorteile aus den Eigenschaften von Zirkonoxid ausgenutzt werden, kann die Konzentration des Graphits relativ gering gehalten werden, beispielsweise von ca. 10% bis ca. 20%. Als typisch ist die Konzentration des Graphits in der Metalloxid-Graphit-Mischung im Bereich von ca. 20% bis ca. 35% anzusehen und vorzugsweise liegt die Konzentration im Bereich von ca. 25% bis ca. 30%.

Die Metalloxide Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Magnesium­ oxid oder Mischungen dieser Metalloxide können im wesent­ lichen die Reste der Mischung bilden oder auch andere Hochtemperaturmaterialien wie beispielsweise SiC und SiO₂ können in Anteilen von ca. 15 bis 20% vorhanden sein.

Feuerfeste Materialien und Strukturen, welche Zusammen­ setzungen aufweisen, wie sie vorstehend genannt wurden, sind handelsüblich und einige von diesen können zur Ver­ wendung bei der vorliegenden Erfindung verändert werden. Die nachstehende Tabelle zeigt die chemische Zusammen­ setzung einiger dieser feuerfesten Materialien:

Zusammensetzung in %

Wie vorstehend ausgeführt, kann ein unbeschichtetes Molybdän­ rohr als innere Umhüllung verwendet werden. Ein unbe­ schichtetes Molybdänrohr hat den Vorteil gegenüber be­ schichteten Rohren, daß es preisgünstiger ist und daß der Angriff in der Umgebung des Graphit enthaltenden äußeren Gehäuses beispielsweise in der Nähe der Spitze, welche in die Ausnehmung 3 eingesetzt ist, beschränkt ist. Ein Kontakt des Molybdänrohrs mit dem feuerfesten Oxid- Graphit-Material des äußeren Gehäuses führt zu einer gut kontrollierbaren Aufkohlung der Oberfläche des Molybdän­ rohrs. Die Bildung einer Karbid-Oxid-Oberfläche auf dem Molybdänrohr verringert den weiteren Abbau des Rohrs und führt zu einer selbstheilenden Oberflächenschicht, welche eine lange Lebensdauer der Oberfläche erlaubt, beispiels­ weise über 100 Stunden. Die bevorzugte Methode ist die Verwendung einer keramischen Schutzschicht, da sogar dann, wenn das äußere Gehäuse versagt, das Meßelement selbst durch die keramische Beschichtung gegenüber dem flüssigen Metall geschützt ist.

Nachfolgend ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen beschrieben:

Beispiel

Ein Molybdänrohr mit einer Wandstärke von 2,8 mm, einem Durchmesser von ca. 13 mm und einer Länge von ca. 30 cm wird gereinigt, entfettet und seine äußere Oberfläche sandgestrahlt mit feinkörnigem Aluminiumoxid. Das so vorbehandelte Rohr, welches fertig für die Beschichtung ist, wird auf eine Temperatur von ca. 150° gebracht und, während es mit 600 U/min rotiert, im Lichtbogen-Plasma- Sprühverfahren mit Molybdän-Pulver besprüht zur Bildung einer porösen Schicht, die 0,08 mm dick ist. Das Sprühen wird ausgeführt durch Zuführen von Molybdän-Pulver mit einer Menge von 3,5 kg/Std in einem Bogen mit einer Mischung von 85% Stickstoff und 15% Wasserstoff und einer Leistung von 35 kW. Der Sprühstutzen wird ca. 10 cm von der äußeren Oberfläche des sich drehenden Metallrohrs gehalten und parallel zu der Rohrachse mit einer Ge­ schwindigkeit von ca. 20 cm/Sek. bewegt. Der Sprühstutzen wird in einem solchen Winkel gehalten, daß die ge­ schmolzenen Partikel des Molybdäns die äußere Oberfläche des Rohrs unter einem Winkel von 10° von einer Linie treffen, die senkrecht zu der Achse verläuft.

Das mit einer porösen Molybdän-Schicht beschichtete Metall­ rohr wird auf eine Temperatur von ca. 150°C erwärmt und besprüht zur Bildung einer porösen Cermetschicht oben auf die poröse Molybdänschicht. Hierzu wird ein Pulver benutzt, welches aus 75 Vol% von Molybdän und 25 Vol% von Aluminiumoxid-Chromoxid besteht. Das Mol-Verhältnis von Aluminiumoxid zu Chromoxid beträgt 4:1.

Auf eine Schicht in der Dicke von 0,08 mm, welche aus 50 Vol% Molybdän und 50 Vol% Aluminiumoxid-Chromoxid besteht, folgt eine Schicht in der Dicke von 0,08 mm aus 25 Vol% Molybdän und 75 Vol% Aluminiumoxid-Chromoxid. Danach folgt eine Schicht in einer Dicke von 0,5 mm aus im wesentlichen reinem Aluminiumoxid-Chromoxid. Alle diese Schichten sind unter den gleichen Bedingungen wie sie die vorhergehenden Schichten aufwiesen, im Plasma- Sprühverfahren auf das rotierende Rohr aufgesprüht worden.

Jede der porösen Schichten hat eine Porosität im Bereich von 20 bis 25%. Zwischen jedem Beschichtungsschritt wird das Rohr auf ca. 150°C aufgeheizt.

Das äußere Gehäuse für die entstandene innere Umhüllung wird aus einer Pulvermischung gebildet, welche aus Aluminiumoxid-Graphit-Siliciumoxid in den Anteilen von 52 Vol% Aluminiumoxid, 32 Vol% Graphit und 13 Vol% Siliciumoxid besteht. Die Mischung, welche ein Bindemittel enthält, wird isostatisch um einen Dorn gepreßt zur Bildung eines Bereichs, der die Gestalt des Elements 2 aufweist, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Nach dem Pressen wird der resultierende grüne Block gebrannt, damit das Material zusammenschmilzt. Nach dem anfäng­ lichen Brennen wird das Gehäuse an seiner Außenseite mit einem Gemisch aus Glasmasse oder Porzellanmasse beschichtet und anschließend zur Bildung einer glasigen Deckschicht erneut gebrannt. Diese Deckschicht dient dazu, die Oxidation des Graphits zu verhindern. Ein Guß­ dorn, welcher geringfügig größer als die innere Hülle ist, wird in die Ausnehmung eingesetzt und ein gießbares oder schmelzbares Aluminiumoxid wird dann in den sich ergebenden Ringraum gefüllt, bis dieser vollständig ausgefüllt ist. Es wird darauf geachtet, daß kein Aluminiumoxid in die Ausnehmung am Boden des äußeren Gehäuses gerät. Danach wird der Gußdorn, welcher mit einem Entformungsmittel be­ schichtet ist, entfernt. Das Gehäuse wird 24 Stunden lang luftgetrocknet und dann bei 357°C für weitere 24 Stunden gebrannt. Anschließend wird die Thermoelementeinrichtung in die Öffnung eingesetzt, die sich durch das Entfernen des Dorns ergeben hat.

Claims (19)

1. Tauchpyrometer zum Messen hoher Temperaturen, insbesondere für flüssige Metalle, dadurch gekennzeichnet, daß es ein äußeres, zum Schutz dienendes Gehäuse (2) für eine Temperaturmeßeinrichtung (11, 54) aufweist, welches Seiten­ wände und Stirnwände besitzt, wobei die Wände äußere Ober­ flächen zum Kontakt mit flüssigen, in hohen Temperaturen vorliegenden Medien aufweisen, wobei im Inneren des Gehäuses eine Ausnehmung (3) mit Innenwänden vorgesehen ist und die Ausnehmung (3) einseitig offen zum Einsetzen und Entfernen der Temperaturmeßeinrichtung (11, 54) ausgebildet ist, wobei das Gehäuse (3) feuerfestes Metalloxid und Graphit enthält und Graphit in ausreichend hoher Konzentration vorgesehen ist, damit eine gute Wärmeleitung zwischen der äußeren Oberfläche des Gehäuses und den Innenwänden der Ausnehmung (3) gewähr­ leistet ist.

2. Tauchpyrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturmeßelement (11, 54) eine Umhüllung (11) auf­ weist, die ein Thermoelement (54) umschließt und diese Um­ hüllung (11) ein einseitig geschlossenes Metallrohr (12) auf­ weist, wobei das Thermoelement (54) in der Nähe des ge­ schlossenen Endes der Umhüllung (11) angeordnet ist.

3. Tauchpyrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das geschlossene Ende der Umhüllung (11) in engem Kontakt mit einem Teil der inneren Oberfläche der Ausnehmung (3) liegt, wobei der Rest des feuerfest ausgebildeten Metallrohrs (12) mit Abstand von der inneren Oberfläche der Aus­ nehmung (3) angeordnet ist und der Raum zwischen der inneren Umhüllung (11) und der inneren Oberfläche der Ausnehmung (3) im wesentlichen mit feuerfestem Metall­ oxid (6) ausgefüllt ist.

4. Tauchpyrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste Metalloxid Aluminiumoxid ist.

5. Tauchpyrometer nach Ansprch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (3) und die Umhüllung (3) runde Quer­ schnitte aufweisen und daß die Ausnehmung (3) eine kleinere Querschnittfläche an dem inneren geschlossenen Ende als am äußeren offenen Ende aufweist, wobei der Querschnitt am inneren geschlossenen Ende annähernd gleich ist dem Querschnitt in der Nähe des geschlossenen Endes der Umhüllung (11).

6. Tauchpyrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Bereichs der Ausnehmung (3), welche den kleineren Querschnitt aufweist, von ca. 1,2 cm bis ca. 30 cm beträgt.

7. Tauchpyrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Ausnehmung (3), welcher den kleineren Querschnitt aufweist, ca. 1,2 cm bis ca. 5 cm beträgt.

8. Tauchpyrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Ausnehmung (3) an deren äußerer Öffnung ca. 3 mm bis ca. 25 mm größer ist als der Durchmesser der Umhüllung (11).

9. Tauchpyrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Gehäuse (2) Graphit in einer Konzentration von ca. 10 bis 35 Gew.% enthält.

10. Tauchpyrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Gehäuse (2) Graphit in einer Konzentration von ca. 25 Gew.% bis ca. 30 Gew.% enthält.

11. Tauchpyrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (11) ein einseitig geschlossenes feuer­ festes Metallrohr (12) enthält, welches mit einer Mehr­ zahl von porösen Keramik-Metall-Gemisch-Schichten (18; 20; 22) bedeckt ist, wobei die Keramik-Metall- Gemisch-Schichten im wesentlichen aus Aluminiumoxid- Chromoxid-Molybdän bestehen, die eine Porosität von ca. 5% bis ca. 33% aufweisen, wobei eine Beschichtung (24) aus im wesentlichen reinem Aluminiumoxid-Chromoxid die äußere Keramik-Metall-Gemisch-Schicht (22) abdeckt, wobei diese Keramik-Schicht (24) eine Porosität von ca. 4% bis ca. 33% aufweist.

12. Tauchpyrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallrohr (12) Molybdän enthält.

13. Tauchpyrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallrohr (12) Metall enthält aus der Gruppe, die Kohlenstoffstahl und Nickel-Chrom-Legierungen um­ faßt.

14. Tauchpyrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke am geschlossenen Ende des Gehäuses (2) im Bereich von ca. 6 mm bis ca. 25 mm liegt.

15. Tauchpyrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke des Gehäuses (2) am geschlossenen Ende im Bereich von ca. 6 mm bis ca. 12 mm liegt.

16. Tauchpyrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Bereichs der Seitenwände, welche in der Nähe der Stirnwand liegen, eine Dicke von ca. 12 mm bis ca. 25 mm aufweist.

17. Tauchpyrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (3) einen kleineren Querschnitt im der Stirnwand benachbarten Bereich aufweist als an der offenen Seite.

18. Tauchpyrometer nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Bereich mit einem geringeren Querschnitt über einen Abstand von ca. 12 mm bis ca. 30 cm von der Stirnwand (7) erstreckt.

19. Tauchpyrometer nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich mit dem geringeren Querschnitt sich über eine Länge von ca. 5 cm von der Stirnwand (7) erstreckt.