DE60221554T2

DE60221554T2 - Pyrometer

Info

Publication number: DE60221554T2
Application number: DE60221554T
Authority: DE
Inventors: Paul Van Der Maat; Eric Hanse
Original assignee: Vesuvius Crucible Co
Current assignee: Vesuvius Crucible Co
Priority date: 2001-10-01
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: WO2003029771A3; KR20040049854A; RU2296961C2; CN100351615C; MXPA04003042A; PL202717B1; WO2003029771A2; ZA200401874B; CA2461264A1; RU2004109917A; BR0212753A; EP1438553B1; JP2005504315A; US20050157773A1; ATE368844T1; ES2290360T3; DE60221554D1; EP1438553A2; PL369144A1; CN1561450A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur eines Schmelzebades, eine feuerfeste Montagehülse zur Verwendung in einer solchen Vorrichtung und eine besondere Anordnung von einem optischen Pyrometer mit einem feuerfesten Rohr.
Ein Schmelzebad, zum Beispiel ein Bad aus geschmolzenem Metall, kann eine Temperatur von bis zu 1800°C oder mehr besitzen und muss häufig eingehend und genau überwacht werden, damit viele Reaktionen oder Vorgänge im Schmelzebad ordnungsgemäß gesteuert werden. Normalerweise ist eine solche Umgebung für Thermoelemente oder andere Vorrichtungen der zur Überwachung dienenden Art zerstörerisch.
Strahlungspyrometrie, gewöhnlicher optische Pyrometrie genannt, misst die Temperatur einer Substanz, indem sie die von der Substanz emittierte Wärmestrahlung misst. Wärmestrahlung ist eine universelle Eigenschaft von Materie, die bei jeglicher Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts vorhanden ist. Für die optische Pyrometrie verläuft der nutzbare Teil der von den meisten Substanzen emittierten Wärmestrahlung durchgehend über einen Spektralbereich von ungefähr 0,3 bis 20 μm. Dieser Spektralbereich schließt die Ultraviolett(UV)-Strahlung, bis 0,38 μm, den sichtbaren (VIS)-Bereich, von 0,38 bis 0,78 μm, und die Infrarot(IR)-Strahlung, von 0,78 bis 20 μm, ein. Die IR-Strahlung wird weiter in drei Segmente unterteilt, nahes IR (0,78 bis 3 μm), mittleres IR (3 bis 6 μm) und fernes IR (über 6 μm). Die Verteilung der Wärmestrahlung einer Substanz über den Spektralbereich ist eine Funktion von sowohl der Temperatur und des Emissionsvermögens der Substanz. Höhere Temperaturen verschieben die Verteilung hin zu den kürzeren Wellenlängen. Ein höheres Emissionsvermögen vergrößert die Wärmestrahlung bei einer gegebenen Temperatur, während ein niedrigeres Emissionsvermögen die Wärmestrahlung bei derselben Temperatur verringert. Die optische Pyrometrie nutzt die Strahlungs- und Ausbreitungseigenschaften von Materie aus, um die Temperatur einer Substanz zu ermitteln, indem man die Intensität der thermisch abgestrahlten UV-, VIS- oder IR-Energie der Substanz misst.
Bei einem bekannten Verfahren wird oberhalb des Schmelzebades eine optische Überwachungsvorrichtung (optisches Pyrometer) platziert, um die Badtemperatur zu messen. Jedoch kann die Temperatur schwierig zu messen sein, weil im Allgemeinen über dem Schmelzebad eine isolierende Schlackeschicht vorhanden ist und als Abschirmung für die optische Überwachungsvorrichtung wirkt. Weiter kann in dem Raum oberhalb der Schlackeschicht Staub erzeugt werden und kann die optische Messvorrichtung teilweise blockieren, wodurch eine ungenaue Messung der Temperatur des Bades geliefert wird.
Das USP 5,302,027 offenbart eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur eines Schmelzebades, die einen Teil der oben erörterten Probleme beseitigt. Diese Vorrichtung umfasst

a) eine feuerfeste Montagehülse, die eine äußere Oberfläche zum Kontakt mit dem Schmelzebad und einen inneren Hohlraum aufweist, wobei der innere Hohlraum eine innere Oberfläche, eine äußere Öffnung und ein inneres geschlossenes Ende aufweist; und
b) ein optisches Pyrometer, das auf der Montagehülse angeordnet und angepasst ist, um die Wärmestrahlung zu messen, die von einer im Inneren des inneren Hohlraums der Montagehülse und unter dem Pegel des Schmelzebades gelegenen Messzone emittiert wird. Diese Vorrichtung wird teilweise in ein Schmelzebad eingetaucht. Das Prinzip des Messverfahrens unter Verwendung dieser Vorrichtung basiert auf der Tatsache, dass die Wärmestrahlung, die von dem Feuerfestmaterial emittiert wird, das als Montagehülse verwendet wird, mit der Temperatur des Schmelzebades verknüpft ist. Die feuerfeste Montagehülse wirkt als Abschirmung, die das optische Pyrometer thermisch schützt, gestattet es jedoch auch, die Messungen in einer Messzone vorzunehmen, die unter der isolierenden Schlackenschicht tief in den Pegel des Schmelzebades hinein gelegen ist.

Der Anmelder hat beobachtet, dass die mit einer solchen Vorrichtung gemessenen Temperaturen nicht ganz genau waren. Daher besteht noch immer ein Bedarf an einer neuen Vorrichtung zum genauen und eingehenden Messen der Temperatur eines Schmelzebades.
Der Anmelder hat auch festgestellt, dass die Vorrichtung im Gebrauch solchen Schwingungen und Stößen ausgesetzt ist, dass die Zone, wo vom optischen Pyrometer der Messwert abgelesen wird (d.h. die Ziel- oder Messzone), sich innerhalb des inneren Hohlraums bewegt, so dass genaue und zuverlässige Messungen nicht ausgeführt werden können. Nachdem er das Problem erkannt hatte, hat der Anmelder eine neue feuerfeste Hülse entwickelt, die angepasst ist, um das optische Pyrometer fest aufzunehmen, so dass dieses Problem überwunden wird.
Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel mit einer Vorrichtung zum Messen der Temperatur eines Schmelzebades gemäß Anspruch 1 erreicht.
Die Montagehülse und das optische Pyrometer müssen zusammenwirkende Mittel aufweisen, um eine Relativbewegung des Pyrometers während seines Gebrauchs zu verhindern, so dass die Messzone im Wesentlichen immer in derselben Zone im inneren Hohlraum gelegen ist, und folglich die Messung zuverlässiger ist.
Gemäß der Erfindung umfassen daher die zusammenwirkenden Mittel, welche die Relativbewegung des Pyrometers während seines Gebrauchs verhindern, eine Montageplatte des optischen Pyrometers, die angepasst ist, um in eine komplementäre Ausnehmung einzugreifen, die in der Höhe des offenen Endes der Montagehülse angeordnet ist.
Gemäß einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung ist die Ausnehmung kegelstumpfförmig.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der innere Hohlraum gerade, so dass, wenn sich die Messzone bewegen sollte, die Gefahr, dass die Messzone zum Beispiel auf einer Schulter im inneren Hohlraum gelegen ist, beseitigt wird. Es versteht sich selbstverständlich, dass dieses Geradheitsmerkmal nicht für die Zone der äußeren Öffnung des inneren Hohlraums gilt, die, wie oben angegeben, mit einer Ausnehmung versehen ist.
Vorteilhafterweise befindet sich das innere geschlossene Ende des inneren Hohlraums im Wesentlichen in einer zu einer Längsachse der Montagehülse senkrechten Ebene. In einem solchen Fall kann das innere geschlossene Ende eine Messzone liefern, die im Wesentlichen homogen ist, und folglich ist die Temperaturmessung äußerst genau und zuverlässig.
Gemäß einer Variante der letzten Ausführungsform ist das innere geschlossene Ende im Wesentlichen sphärisch. Die Krümmung des inneren geschlossenen Endes ist vorzugsweise so berechnet, dass der Abstand zwischen der Messzone und dem optischen Pyrometer selbst im Fall einer geringfügigen Verlagerung des optischen Pyrometers im Wesentlichen konstant bleibt.
Der Anmelder hat auch beobachtet, dass eine andere Quelle von Ungenauigkeiten bei der Messung infolge der Emission von Rauchgasen oder anderen flüchtigen Verbindungen durch das Feuerfestmaterial auftreten kann, wenn es auf die Gebrauchstemperatur gebracht wird. Diese Rauchgase oder anderen flüchtigen Verbindungen können auf dem optischen Pyrometer (im Allgemeinen auf dem Sehrohr) kondensieren, wodurch das Messvermögen ganz oder teilweise blockiert wird. In gewissen Fällen führt die Emission von Rauchgasen oder anderen flüchtigen Verbindungen auch zu ernsten Beschädigungen am optischen Pyrometer. Daher ist die feuerfeste Montagehülse gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ausgelegt, um die Emission von Rauchgasen oder anderen flüchtigen Verbindungen zu vermeiden oder zu begrenzen.
Konventionelle Feuerfestmaterialien, die für die Herstellung von Schutzhülsen für Temperaturmessvorrichtungen verwendet werden, werden im Allgemeinen gemeinsam gepresst und bestehen aus 45 bis 70 Gewichts-% Aluminiumoxid und 55 bis 30 Gewichts-% Kohlenstoff. Das in Form gebrachte Material wird dann bei einer zwischen 800 und 1100°C liegenden Temperatur gebrannt. Dieses Material zeigt ausgezeichnete Wärmeschock-, chemische und Korrosions-Beständigkeit.
Obwohl es üblicherweise für die konventionelle Pyrometrie verwendet wird, erzeugt dieses Material im Gebrauch eine beträchtliche Emission von Rauchgasen oder anderen flüchtigen Verbindungen und kann bei der optischen Pyrometrie nicht zuverlässig verwendet werden.
Gemäß einem besonderen Aspekt der Erfindung wird das Material, das die Montagehülse bildet, bei einer Temperatur oberhalb von 1200°C und bevorzugt um die Gebrauchstemperatur des Materials herum gebrannt, wodurch die Emission von Ruchgasen oder anderen flüchtigen Verbindungen dramatisch verringert wird, während die ausgezeichnete Beständigkeit des Materials erhalten bleibt.
Gemäß einer bevorzugten Variante umfasst die feuerfeste Montagehülse ein in den inneren Hohlraum integriertes feuerfestes Rohr. Das feuerfeste Rohr besteht vorzugsweise mindestens teilweise aus einem Material, das die Probleme einer Emission von Rauchgasen oder anderen flüchtigen Verbindungen vollständig beseitigt. Vorzugsweise ist das Material gasdicht, so dass der Eintritt von flüchtigen Verbindungen oder anderen Rauchgasen durch die Wände der Rohre vermieden wird. Geeignete Materialien umfassen Materialien auf Aluminiumoxidbasis, wie Korund oder Mullit (zum Beispiel die ZYALOX^TM-Rohre der Gesellschaft VESUVIUS Mc DANNEL), Zirkoniumoxid (zum Beispiel die ZYAZIRC^TM-Rohre der Gesellschaft VESUVIUS Mc DANNEL), reinen Graphit, Siliziumdioxid, Molybdän und dergleichen. Vorzugsweise sind die Rohrwände dünn genug, zum Beispiel zwischen 0,5 und 5 mm, um eine Erhöhung der Ansprechzeit der Temperaturmessung zu vermeiden. Es ist auch vorteilhaft, dass das Rohr eng anliegend in den inneren Hohlraum der Montagehülse passt, um die Bildung einer Isolierschicht zwischen der äußeren Oberfläche des Rohrs und der inneren Oberfläche der Montagehülse zu vermeiden. Bei einer Variante kann ein wärmeleitender Zement verwendet werden, um das Rohr im inneren Hohlraum zu befestigen.
Das feuerfeste Rohr kann in die Montagehülse eingesetzt oder zusammen mit dieser gepresst werden. Das Einsetzen des Rohrs wird bevorzugt, da es eine Wiederverwendung des Rohrs gestattet.
Gemäß einem noch anderen ihrer Aspekte betrifft die Erfindung eine Anordnung von einem Rohr und einem optischen Pyrometer, wobei das optische Pyrometer eingestellt ist, um die Wärmestrahlung zu messen, die von einer im Inneren des Rohrs gelegenen Messzone emittiert wird, und wobei das Rohr ein geschlossenes Ende aufweist und angepasst ist, um es in einen inneren Hohlraum einer feuerfesten Montagehülse einzusetzen. Eine solche Anordnung ist äußerst vorteilhaft, weil neben dem Problem einer geringen Zuverlässigkeit wegen des Problems einer Emission von Gas oder Rauchgasen die Anordnung, die vormontiert werden kann und nur in die feuerfeste Montagehülse eingesetzt werden braucht, die vor Ort notwendige Handarbeit gewaltig verringert. Weiter kann die Anordnung einfach wiederverwendet werden, wenn die feuerfeste Montagehülse abgenutzt ist.
Vorzugsweise umfasst die Anordnung Mittel, welche die Kontrolle der Atmosphäre im Inneren des Rohrs gestatten. Zum Beispiel kann das Rohr oder das optische Pyrometer einen Gasabführauslass aufweisen, der es gestattet, die innerhalb des Rohrs enthaltene Atmosphäre zu entfernen, zu vermindern oder zu ersetzen.
Vorteilhaft ist mindestens in der Messzone ein Material mit einem hohen Emissionsvermögen bei der Gebrauchstemperatur vorhanden (wie sehr reiner Graphit), wodurch die Genauigkeit der Temperaturmessung erhöht wird. Dieses Material kann als Pastille am inneren geschlossenen Ende des inneren Hohlraums oder des Rohrs vorhanden sein.
Um ein besseres Verständnis der Erfindung zu erleichtern, wird sie nun mit Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, die besondere Ausführungsformen der Erfindung zeigen, ohne jedoch die Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken.
In diesen Figuren
zeigt 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Messen der Temperatur eines Schmelzebades, umfassend eine feuerfeste Montagehülse gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
zeigt 2 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Messen der Temperatur eines Schmelzebades, umfassend eine feuerfeste Montagehülse gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
zeigt 3 eine schematische Ansicht eines Rohrs, das in die Montagehülse eingesetzt werden kann, wie diejenige, die in 2 dargestellt ist;
zeigt 4 eine schematische Ansicht einer Montagehülse mit einem darin eingesetzten Rohr;
zeigt 5 eine Anordnung von einem optischen Pyrometer und einem Rohr.
Sichtbar in den 1, 2 und 4 sind die feuerfesten Montagehülsen 1, 1', die eine äußere Oberfläche 2, welche angepasst ist, um mit einem Schmelzebad in Kontakt zu treten, zum Beispiel einem Bad von geschmolzenem Metall, und einen inneren Hohlraum 3 aufweisen. Der innere Hohlraum 3 weist eine innere Oberfläche 4, ein geschlossenes inneres Ende 5 und ein offenes Ende 6 auf. Das offene Ende 6 ist angepasst, um ein optisches Pyrometer 7 fest aufzunehmen. Das optische Pyrometer ist in 1 und 2 schematisch dargestellt. Es umfasst eine Montageplatte 8, die dazu bestimmt ist, in eine entsprechende, in der Höhe des offenen Endes 6 des inneren Hohlraums 3 vorhandene Ausnehmung einzugreifen, sowie ein in Eingriff in den inneren Hohlraum 3 gebrachtes Sehrohr 9. Das Pyrometer 7 kann durch Drähte oder Kabel (nicht dargestellt) mit einem Prozessor verbunden sein.
Bei der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform fällt die Messzone 10 im Wesentlichen mit dem inneren geschlossenen Ende 5 der Montagehülse zusammen. Die Geradheit des inneren Hohlraums 3 verhindert eine Ungenauigkeit der Messung, die durch eine falsche Ausrichtung des Sehrohrs 9 verursacht werden könnte.
Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform ist ein aus einem Material auf der Grundlage von Aluminiumoxid bestehendes Rohr 11 in die feuerfeste Montagehülse 1 eingesetzt. Das Material, welches das Rohr bildet, enthält keine flüchtigen Substanzen, so dass die Emission von Rauchgasen verhindert und die Lebensdauer des Sehrohr stark verlängert wird.
Das in 3 dargestellte Rohr 11 kann ebenfalls in eine Montagehülse eingesetzt werden. Es umfasst in der Messzone 10 eine Pastille 12 aus einem Material, das aufgrund seiner ausgezeichneten Emissionsvermögenseigenschaften ausgewählt wurde, zum Beispiel ultrareiner Graphit.
5 zeigt eine Anordnung von einem optischen Pyrometer 7' und einem Rohr 11. Die Anordnung kann einfach und schnell in eine feuerfeste Montagehülse 1' (in 5 nicht sichtbar) eingesetzt werden, so dass die Handarbeit vor Ort verringert wird. Bei der dargestellten Ausführungsform wird das Sehrohr 9 des optischen Pyrometers in Eingriff in das Rohr 11 gebracht. Eine gasdichte Verbindung kann mit konventionellem Dichtmittel (nicht dargestellt) erhalten werden. Das optische Pyrometer 7' ist eingestellt, um die Temperatur in der Messzone 10 zu messen.
Vorteilhafterweise umfasst das optische Pyrometer 7' eine Montageplatte 8', die angepasst ist, um in eine entsprechende, in der Höhe des offenen Endes 6 der feuerfesten Montagehülse 1' angeordnete Ausnehmung einzugreifen.

1: feuerfeste Montagehülse
2: äußere Oberfläche
3: innerer Hohlraum
4: innere Oberfläche
5: inneres geschlossenes Ende
6: offenes Ende
7: Pyrometer
8: Montageplatte
9: Sehrohr
10: Messzone
11: Rohr
12: Pastille

Claims

Vorrichtung zum Messen der Temperatur eines Schmelzebades, umfassend a) eine feuerfeste Montagehülse (1, 1'), die eine äußere Oberfläche (2) zum Kontakt mit dem Schmelzebad und einen inneren Hohlraum (3) aufweist, wobei der innere Hohlraum eine innere Oberfläche (4), ein über dem Pegel des Schmelzebades angeordnetes offenes Ende (6) sowie ein inneres geschlossenes Ende (5) aufweist; und b) ein optisches Pyrometer (7), umfassend eine Montageplatte (8), wobei das optische Pyrometer angepasst ist, um die Wärmestrahlung zu messen, die von einer im Inneren des inneren Hohlraums (3) der Montagehülse und unter dem Pegel des Schmelzebades angeordneten Messzone (10) emittiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Montagehülse (1, 1') eine in der Höhe des offenen Endes (6) angeordnete Ausnehmung umfasst, und dass die Montageplatte (8) angepasst ist, um komplementär in die Ausnehmung der Montagehülse (1, 1') einzugreifen, um das optische Pyrometer (7) fest an der Montagehülse (1, 1') zu befestigen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Ausnehmung kegelstumpfförmig ist.
Vorrichtung nach einem von Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Hohlraum (3) gerade ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die feuerfeste Hülse aus einem Material besteht, das bei einer Temperatur gebrannt worden ist, die ausreicht, um die Emission von Rauchgasen oder anderen flüchtigen Verbindungen zu vermeiden oder zu verringern, vorzugsweise oberhalb von 1400°C.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Feuerfestrohr (11) in den inneren Hohlraum (3) der feuerfesten Hülse eingesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (11) eine Dicke von 0,5 bis 5 mm aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (11) aus einem Material besteht, das die Emission von Rauchgasen oder flüchtigen Verbindungen bei der Gebrauchstemperatur verhindert oder vermeidet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (11) aus einem Material auf der Grundlage von Aluminiumoxid besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein der Messzone (10) entsprechender Teil (12) des inneren Hohlraums (3) oder des Rohrs (11) aus einem Material mit einem Emissionsvermögen besteht, das höher als das oder gleich dem Emissionsvermögen von ultrareinem Kohlenstoff ist.
Anordnung von einem feuerfesten Rohr (11) und einem optischen Pyrometer zur Verwendung in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das optische Pyrometer eine Montageplatte (8) umfasst und eingestellt ist, um die Wärmestrahlung zu messen, die von einer innerhalb des Rohrs (11) angeordneten Messzone emittiert wird, und das Rohr (11) ein geschlossenes Ende aufweist und angepasst ist, um in einen inneren Hohlraum (3) einer feuerfesten Montagehülse (1, 1') eingesetzt zu werden, wobei die Montagehülse eine zum Kontakt mit dem Schmelzebad angepasste äußere Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Montageplatte (8) angepasst ist, um in eine komplementäre Ausnehmung einzugreifen, die an der äußeren Öffnung (6) des inneren Hohlraums einer Montagehülse (1, 1') angeordnet ist.