-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung bezieht
sich im allgemeinen auf Eintauchsonden zur Anwendung bei der Messung
von Parametern von Metallschmelzen und im besonderen auf eine Falltauchsonde
zur Messung von Parametern der Stahlsschmelze in einem Sauerstoff-Aufblas-Konverter.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Die Messung der Badtemperatur von
Metallschmelzen, wie Stahlschmelzen, in einem Sauerstoff-Aufblas-Konverter
besitzt eine wichtige Bedeutung für die Feinung und anschließende Weiterverarbeitung
des in dem Konverter erzeugten Flüssigstahls. Bei einer häufig eingesetzten
Methode zur Messung der Stahlschmelzetemperatur wird der Raffinationsvorgang
vorübergehend
unterbrochen, der Konverter anschließend in eine im allgemeinen
horizontale Lage gekippt und dann eine selbstverzehrende Sonde,
die einen Temperatursensor oder sonstige Sensoren enthält, bis
zu einer bestimmten Tiefe in den Flüssigstahl eingeführt. Diese
Methode hat sich bei der Bestimmung der Temperatur und anderer Parameter
von Stahlschmelzen zwar als wirksam erwiesen, ist aber zeitaufwändig und
unterbricht den Stahlherstellungsprozess.
-
Mitte der 1960er Jahre wurden Sensorgeräte vom Typ
des sogenannten "Throw-In"-Thermoelements (Fallthermoelement) eingeführt zur
Messung der Stahlschmelzetemperatur ohne die kosten- und zeitaufwändigen Schritte
des Kippens und manuellen Messvorgangs. Damals typische Fallsensorgeräte sind
in den US-Patenten Nr. 3,374,122 und 3,497,398 beschrieben. Bei
den in den genannten Patenten beschriebenen Sensorgeräten werden
ein standardmäßiger oder
typischer, aus einem Thermoelement bestehender und an einem Stützrohr aus Papier
oder Pappe angebrachter Sensor sowie ein davon getrenntes Gewichtselement
verwendet, wobei das Gewichtselement mindestens einen Teil des Stützrohr umgibt
und dem Zweck dient, das Absinken des Sensors in der Stahlschmelze
zu bewirken.
-
Dabei verbleibt der Konverter in
einer aufrechten Position und das Sensorgerät wird aus einer Höhe von ungefähr 60 bis
70 Fuß in
die im Konverter befindliche Stahlschmelze fallen gelassen. Ein
Zuleitungsdraht mit einer geeigneten Länge verband den Thermoelementsensor
mit außerhalb
des Konverters angebrachten Instrumenten zur Erfassung der gemessenen
Stahlschmelzetemperatur. Sensorgeräte dieser Art erwiesen sich
jedoch aufgrund ihrer Neigung zum Aufschwimmen an der Grenzfläche zwischen
Schlacke und Metall als mangelhaft, da diese Eigenschaft häufig zu
ungenauen Temperaturmessungen führte.
Das Problem des Aufschwimmens war hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass
die Nettodichte der Sensorgeräte
trotz des zusätzlichen Gewichtselements
geringer war als die Dichte des Flüssigstahls. Außerdem lag
der Schwerpunkt bei den Sensoren der genannten Art hoch, was ebenfalls zu
ungenauen Messungen führte.
-
Bei einer Alternativmethode zur Durchführung von
Temperaturmessungen in einem Sauerstoff-Aufblas-Konverter wurde eine motorbetriebene Lanze
oder ein motorbetriebener Sensor mit Mehrzweck-Temperatur- und/oder
anderen Sensoren verwendet, so dass ebenfalls kein Kippen und keine
Unterbrechung des Raffinationsprozesses erforderlich war. Zwar lieferten
motorbetriebene Systeme der genannten Art im allgemeinen gute Temperaturmessergebnisse,
doch waren diese Systeme mit Aufwendungen für die Systeminstallation in
Höhe von
mehreren Millionen Dollar verbunden und stellten sich auch im Betrieb
und bei der Wartung als kostspielig heraus.
-
Neuere Entwicklungen von Fallsensorgeräten für den Sauerstoff-Aufblas-Konverter
werden in den US-Patenten Nr. 4,881,824 und 5,275,488 offengelegt.
In US-Patent Nr. 4,881,824 wird ein eintauchfähiger Sensor mit einem Gegengewicht
und einem Schwimmer offengelegt, der dazu dient, einen Temperatursensor
zur korrekten Messung der Stahlschmelzentemperatur auf einer vorgeschriebenen Höhe zu halten.
Die beschriebene Sonde besitzt eine niedrigere Nettodichte als Flüssigstahl
und hat zudem einen hochgelegenen Schwerpunkt mit der Folge, dass
die Sonde nur dann in einer im allgemeinen vertikalen Orientierung
in der Stahlschmelze gehalten wird, wenn die Schlackenschicht über dem
Stahl eine ausreichende Mindestdicke erreicht hat. In US-Patent
Nr. 5,275,488 wird eine Sonde mit einer höheren Dichte als die Stahlschmelze
offengelegt. Allerdings werden in diesem Patent zusätzliche
Faktoren, wie der Auftrieb von Gaseinschlüssen und hoher Schwerpunkt
nicht behandelt, die beide einen ungünstigen Einfluss auf die Wirksamkeit
der Temperaturmessung besitzen.
-
Eine Sonde mit einer höheren Dichte
als geschmolzener Stahl wird nicht unbedingt in die Stahlschmelze
einsinken, insbesondere wenn es sich um einen für den Sauerstoff Aufblas-Konverter
typischen sauerstoffreichen und kohlenstoffarmen Stahl handelt.
An der Oberfläche
einer Sonde dieser Art kommt es durch die Reaktion zwischen Kohlenstoff
und Sauerstoff zu einer Gasentwicklung, wenn der relativ kalte Sensorkopf
mit dem hochgradig sauerstoffhaltigen Stahl im Stahlbad in Berührung kommt.
Durch die Gasentwicklung an der Grenzfläche zwischen Sensorkopf und
Flüssigstahl
entsteht eine am Sensorkopf ansetzende Auftriebskraft, welche die
Sonde nach oben drückt
und sie somit von dem Bereich, in dem die Temperaturmessung vorgenommen
werden sollte, weg bewegt. Die in diesen beiden Patenten offengelegten
Sonden besitzen auch ein starres Metallrohr über dem am Sensorkopfende befindlichen
Zuleitungsdraht, das der Verlängerung
der Betriebsdauer des Zuleitungsdrahts im Stahlschmelzbad dienen. Das
starre Metallrohr schützt
zwar den Zuleitungsdraht vor der Stahlschmelze, verschiebt aber
auch den Schwerpunkt der Sonde nach oben, was beim Eintauchen der
Sonde in den Flüssigstahl
zu einer vertikalen Instabilität
führt.
Die äußere Form
der Sensorköpfe
beider Sonden ist für
ein tiefes Eindringen der Sonde in die Stahlschmelze nicht sonderlich
geeignet. Außerdem
führt die
in US-Patent 4,881,824 dargestellte Verwendung von Stützbeinen
aus Metall in der Nähe
der Sensorelemente zu Temperaturmessfehlern aufgrund von Wärmegradienten,
die durch die Erstarrung des Flüssigstahls
an den Stützbeinen
entstehen, sowie zu der bereits oben beschriebenen Gasentwicklung
beim anfänglichen
Eintauchen der kalten Sonde in das Stahlschmelzebad.
-
Auf der Grundlage dieser Ausführungen
wurde festgestellt, dass die zu einer Minimierung des Eindringens
des Sensorkopfes einer Sonde führenden
Kräfte
aus dem Viskositätswiderstand
der Gasatmosphäre
innerhalb des Konverters, der Schlacke und des Flüssigstahls,
aus der Bremswirkung auf den nachlaufenden Zuleitungsdraht der Sonde,
aus der Nettodichte der Sonde im Vergleich zur Dichte des Flüssigstahls,
aus der effektiven Dichtesenkung durch die bei der Einführung in
die Stahlschmelze am Sensor anhaftende Schlacke sowie aus der Gasentwicklung
am Sensorkopf aufgrund der Metallerstarrung resultieren. Auch der
Umlauf der Stahlschmelze im Konverter kann das Eindringen des Sensorkopfes in
die Stahlschmelze fördern
oder behindern. Führen die
genannten insgesamt Kräfte
zu einer nach unten gerichteten Nettokraft, sinkt der Sensorkopf
nach unten bis der Zuleitungsdraht des Sensors straff gespannt ist
oder die Sonde den Konverterboden berührt. Führen diese Kräfte jedoch
zu einer nach oben gerichteten Nettokraft, steigt die Sonde bis
zur Grenzfläche
zwischen Schlacke und Metall oder in die Schlacke hinein.
-
Die vorliegende Erfindung besteht
aus einer selbstverzehrenden Falltauchsonde (engl. drop-in immersion
probe), deren Bauart das Eindringen der Sonde in den Flüssigstahl
auf eine praktische Weise fördert
und gleichzeitig die Brems- und Auftriebskräfte auf ein Mindestmaß beschränkt. Zur
Steigerung der Eindringkraft der erfindungsgemäßen Sonde wird die effektive
Dichte der Sonde durch Verwendung von Stahl als Material für den Sensorkopf
und eine Beschränkung
der Innenhohlräume
auf ein Mindestmaß durch
Verwendung eines Miniatur-Thermoelements
und durch Füllen
sämtlicher
verbleibenden Hohlräume
im Sensorkopf mit einem Material aus dichten Teilchen gesteigert.
Die Bremskräfte
werden weiter verringert durch eine Ausführung der Sonde mit einer projektilähnlichen
Gestalt, die ein tiefes Eindringen der Sonde in die Stahlschmelze
fördert. Durch
die projektilähnliche
Gestalt wird nicht nur der Gaseinschluss auf ein Mindestmaß beschränkt, sondern
auch die beim Eintauchen auf die Sonde einwirkenden Bremskräfte der
Schlacke und der Stahlschmelze. Die Schlackenkappe der erfindungsgemäßen Sonde
und der stählerne
Messkopf werden vorzugsweise mit einem Überzug aus einem Ablationswerkstoff
versehen, um das Anhaften von Schlacke weiter zu verringern. Durch
die kegelförmige
Gestalt des Messkopfes der Sonde werden auch die thermischen Gradienten
im Bereich des Temperaturfühlelements
auf ein Mindestmaß beschränkt, was
eine repräsentativere
Temperaturmessung in der Stahlschmelze ermöglicht. Und schließlich wird
eine hitzebeständige
Ummantelung vorgelegt, die mindestens den mit der Stahlschmelze
in Berührung
kommenden Teil des Zuleitungsdrahts der Sonde umgibt, um die Betriebsdauer
des Zuleitungsdrahts beim Eintauchen des Sensors in die Stahlschmelze
zu erhöhen.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Kurz zusammengefasst besteht die
vorliegende Erfindung aus einer Falltauchsonde mit einer projektilförmigen Gestalt
zur Einführung
in geschmolzenen Stahl (Stahlschmelze). Die Sonde besitzt einen
im allgemeinen zylindrischen Messkopf mit einer Achse und einem
ersten, sich in Richtung zur Achse verjüngenden Achsenende. Der Messkopf
besteht aus einer Kombination von Werkstoffen, deren Gesamtdichte
die Dichte der Stahlschmelze übersteigt. Ein
Sensorelement ragt von dem ersten Ende des Messkopfs in der Nähe der Achse
nach außen.
Eine Schlackenkappe dient zur Abdeckung des ersten Endes der Messkopfes
und des Sensorelementes. Vom Messkopf ragt ein Zuleitungsdraht nach
außen,
dessen eines Ende elektrisch an das Sensorelement angeschlossen
ist. Ein vom Messkopf nach außen
ragender Teil des Zuleitungsdrahtes ist von einem Schutzmantel aus
hitzebeständigem
Material umgeben. Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht der Messkopf
aus Stahl und sowohl die Schlackenkappe als auch der Messkopf sind
mit einem Ablationswerkstoff überzogen,
welches das Anhaften von Schlacke verhindert. Außerdem sind bei dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
sämtliche
inne ren Hohlräume
des Messkopfes mit einem teilchenförmigen Material gefüllt und
es wird zur Stützung
des Zuleitungsdrahtes ein Stützrohr
in Kontakt mit dem zweiten Achsenende des Messkopfes ausgeführt.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Die vorstehende Zusammenfassung sowie die
folgende detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung werden im Zusammenhang mit den im Anhang beigefügten Zeichnungen
besser verständlich.
Anhand der Zeichnungen wird ein derzeit bevorzugtes Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Es
zeigt:
-
1 eine
Draufsicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Falltauchsonde;
-
2 einen
Aufriss in vergrößerter Darstellung
eines Teils der in 1 dargestellten
Sonde entlang der Linie 2-2;
-
3 einen
Aufriss in vergrößerter Darstellung
entlang der Linie 3-3 in 2.
-
Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
-
Bezugnehmend auf die Zeichnungen,
in denen die selbe Nummerierung zur Benennung der selben Elemente
verwendet wird, ist in 1 ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Falltauchsonde 10 dargestellt.
Die Falltauchsonde 10 ist ihrer Bauart nach typisch für den Zweck
der Messung eines oder mehrerer Parameter der Stahlschmelze bei
der Raffination in einem Sauerstoff Aufblas-Konverter (engl.: basic
oxygen furnace, BOF). Im Besonderen wird die vorliegende Ausführungsform
der Sonde 10 zur Messung der Temperatur des geschmolzenen
Stahls in einem solchen Stahlschmelzbad verwendet.
-
Bei der vorliegenden Ausführungsform
besteht die Falltauchsonde 10 aus zwei Hauptbauteilen,
einem Messkopf 12 und einem länglichen, im allgemeinen zylindrischen
Zuleitungsdraht-Stützrohr 14,
wobei ein Teil desselben den Messkopf 12 umschließt. Am besten
ist 2 zu entnehmen,
dass der Messkopf 12 eine allgemeine zylindrische Form besitzt,
im allgemeinen um seine vertikale Achse symmetrisch angeordnet ist
und ein erstes Achsenende 16 umfasst, das sich im allgemeinen
nach innen in Richtung zur Achse verjüngt, so dass das erste Achsenende 16 eine
allgemeine Kegelform annimmt. Vorzugsweise wird der Messkopf 12 aus Werkstoffen
hergestellt, deren Gesamtdichte größer ist als die Dichte der
Metallschmelze, in die die Sonde 10 eingeführt werden
soll. In einem typischen Fall besitzt die in einem Sauerstoff-Aufblas-Konverter produzierte
Stahlschmelze eine Dichte von ungefähr 7,0 Gramm pro Kubik zentimeter.
Die vorliegende Ausführungsform
des Messkopfes 12 besitzt ebenfalls eine Dichte größer als
7,0 Gramm pro Kubikzentimeter. Dabei ist natürlich zu erkennen, dass die Dichte
des Messkopfes 12 mit der im besonderen Fall zu vermessenden
Stahlschmelze, dem im besonderen Prozess eingesetzten Verfahren
und anderen Parametern der Metallschmelze variiert.
-
Bei der derzeit bevorzugten Ausführungsform
besteht der Messkopf 12 hauptsächlich aus Stahl und, vorzugsweise,
aus dichtem Stabstahl und nicht aus Gussstahl. Der Messkopf 12 umfasst
weiterhin eine im allgemeinen zylindrische Bohrung 18, die
sich im allgemeinen durch die Achsenmitte des Messkopfes 12 von
dem ersten Achsenende 16 bis zu dem zweiten Achsenende 20 erstreckt.
Ein Sensorelement – bei
der vorliegenden Ausführungsform handelt
es sich um ein Thermoelement aus einer Platinlegierung mit einer
Typ B-Kalibrierung einer Art, die typisch für den technischen Stand der
Stahlerzeugung ist – wird
von einem im allgemeinen U-förmigen Quarzrohr 22 umgeben,
dessen Enden mit feuerfestem Zement oder einem anderen geeigneten
feuerfesten Werkstoff an einem Keramikgehäuse 24 befestigt sind.
Bei der vorliegenden Ausführungsform besitzt
das Keramikgehäuse 24 eine
im allgemeinen zylindrische Form und ist von seiner Größe her geeignet,
um gut in die Bohrung 18 des Messkopfes 12 zu
passen. Ein Ringflansch 26 mit einem mindestens etwas größeren Durchmesser
als der Rest des Keramikgehäuses 24 stößt an das
erste Achsenende 16 des Messkopfes 12 an und dient
der richtigen Positionierung des Quarzrohrs 22. Das Keramikgehäuse 24 kann
mit feuerfestem Zement oder einem anderen geeigneten Werkstoff im
Innern der Bohrung 18 befestigt werden. Das Quarzrohr 22 ist
anfänglich
von einem fingerhutförmigen
dünnen
Metallschild 28 umgeben und im allgemeinen umschlossen.
Das Schild 28 dient dem Schutz des empfindlichen Quarzrohrs 22 und
des ummantelten Thermoelements zu Beginn der Einführung der
Sonde 10 in das Metallschmelzbad bis das Schild 28 schmilzt,
nachdem es dem Flüssigstahl
für eine
vorbestimmte Zeitdauer ausgesetzt war.
-
Das gegenüberliegende Achsenende des Keramikgehäuses 24 enthält ein Paar
Metallkontakte 30, die elektrisch an das im U-förmigen Quarzrohr 22 enthaltene
Thermoelement angeschlossen sind. Der 2-Leiter-Zuleitungsdraht (typischerweise
18 AWG) und das gummiisolierte und ummantelte 2-Leiter-Kabel 32 sind
an den Kontakten 30 befestigt, durchziehen die Bohrung 18 und
ragen aus dem zweiten Achsenende 20 des Messkopfs 12 heraus.
Das distale Ende des Zuleitungsdrahts 32 ist an ein elektrisches Standard-Anschlussbauteil 36 angeschlossen,
z.B. ein modifiziertes Electro-Nite EN-3-Anschlussbauteil oder ein
sonstiges allgemein bekanntes und im Handel erhältliches Bauteil zur Kopplung
der Sensorausgabe an typische oder Stan dardinstrumente (nicht dargestellt)
zur Erfassung und Verarbeitung der vom Thermoelement durchgeführten Temperaturmessungen.
-
Die Betriebsdauer des Zuleitungsdrahts 32 in
Flüssigstahl
beläuft
sich auf ungefähr
sechs bis acht Sekunden. Die Betriebsdauer lässt sich verlängern durch
Einsatz eines Schutzmantels 34, der zumindest über dem
mit dem Flüssigstahl
in Berührung kommenden
Teil des Zuleitungsdrahts 32 angebracht wird. Der Schutzmantel 34,
der vorzugsweise aus einer gummiartigen Verbindung besteht, bietet
eine thermische Isolation für
den exponierten Teil des Zuleitungsdrahtes 32 beim Eintauchen
der Sonde 10 in die Stahlschmelze. Der Schutzmantel 34 ragt
um eine vorgegebene Länge über den
Messkopf 12 hinaus, wobei diese Länge mindestens der größten vorhersehbaren
Eintauchtiefe der Sonde 10 im Flüssigstahl entspricht. Bei dem
derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel
beträgt
die Länge
des über
den Messkopf 12 hinausragenden Teils des Schutzmantels 34 ungefähr 6 Fuß. Bei einer
bestimmten Anwendung kann die Länge
des Schutzmantels 34 jedoch auch länger oder kürzer sein, je nachdem bis zu
welcher Tiefe die Sonde 10 in die Stahlschmelze eintauchen
soll. Auf die genannte Weise verlängert der Schutzmantel 34 die
Betriebsdauer des Zuleitungsdrahtes und somit auch die Zeitdauer,
während
der Temperaturmessungen im Flüssigstahl
vorgenommen werden können.
Durch den Schutzmantel 34 verlängert sich die Betriebsdauer
des Zuleitungsdrahtes 32 auf ungefähr sechzehn Sekunden. Vorzugsweise
werden der Schutzmantel 34 und der ummantelte Zuleitungsdraht 32 spiralförmig um
das Zuleitungsdraht-Stützrohr 14 herumgewickelt,
wie in 1 am besten zu
erkennen ist. Alternativ können der
Schutzmantel 34 und der Zuleitungsdraht 32 auch
im Innern des Stützrohrs 14 gewickelt
oder gefaltet sein. Eine im Stützrohr 14 ausgesparte Öffnung oder
ein Schlitz 38 dient dem Durchtritt des Schutzmantels 34 und
Zuleitungsdrahtes 32 zur Außenfläche des Stützrohrs 14. Vorzugsweise
wird ein Teil des Zuleitungsdrahts 32 am distalen Ende
des Stützrohrs 14 nur
auf eine labile Weise befestigt, wozu ein im Handel erhältliches
Spannpackungsmaterial 40 dienen kann, das über einem
kleinen Teil des spiralförmig
aufgewickelten Zuleitungsdrahtes 32 angebracht ist. Das
Spannpackungsmaterial 40 besitzt eine ausreichende Stärke, um
den Zuleitungsdraht 32 bei Herstellung, Versand und Umgang
mit der Sonde 10 auf dem Stützrohr 14 zu befestigen,
ist aber gleichzeitig labil genug, damit der Zuleitungsdraht sich
abwickeln und leicht vom Stützrohr 14 abtrennen
kann, wenn die Sonde 10 auf eine an späterer Stelle beschriebene Weise
zur Temperaturmessung verwendet wird.
-
Außerdem wird ein davon getrenntes
längliches
Stützbauteil
zur Abstützung
der Sonde 10 vor der Einführung der Sonde 10 in
die Stahlschmelze ausgeführt.
Bei der derzeit bevorzugten Ausführungsform
besteht das Stützbauteil
aus einem stählernen
Haltekabel 42 mit einem ersten Ende 44, das in
der Nähe
des zweiten Achsenendes 20 des Messkopfes 12 befestigt
ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform
sind das erste Ende 44 des Haltekabels 42 und
der Zuleitungsdraht 32 im Innern der Bohrung 18 des
Messkopfes 12 mit Hilfe eines im Handel erhältlichen
Eselsohr-Kabelschuhbauteils 46 mit einem dem Innendurchmesser
der Bohrung 18 nahezu entsprechenden Außendurchmesser befestigt. Das
Kabelschuhbauteil 46 greift in einen nach innen ragenden
ringförmigen
Absatz neben dem zweiten Achsenende 20 des Messkopfes 12.
Eine Gießharzmasse, z.B.
ein Epoxyharz, feuerfester Vergusszement oder ein sonstiger geeigneter
Werkstoff (nicht dargestellt), kann zur Befestigung des Kabelschuhbauteils 46, des
ersten Endes 44 des Haltekabels 42 und des Zuleitungsdrahtes 32 an
den Messkopf 12 dienen. Das zweite Ende 50 des
stählernen
Haltekabels 42 ist zu einer im allgemeinen kreisrunden
Schlinge 52 geformt. Die Schlinge 52 kann somit
an einem Haken oder sonstigen Bauteil befestigt werden, um die Sonde 10 vor
dem Eintauchen über
einem Stahlschmelzbad zu halten. Vorzugsweise ist das stählerne Haltekabel 42 mindestens
etwas länger
als die Gesamtlänge
des Stützrohrs 14 ,
so dass zumindest ein Teil des Haltekabels 42 über das
distale Ende des Stützrohrs 14 hinausragt.
Zur leichteren Handhabung der Sonde 10 während des
Transportes ist das zweite Ende 50 des Haltekabels 42 durch
einen Klebebandstreifen 54 oder auf eine sonstige geeignete
Weise am distalen Ende des Stützrohrs 14 befestigt.
Die Sonde 10 kann entweder durch Ergreifen des Stützrohrs 14 oder
der Schlinge 52 des Haltekabels 42 aus dem Transportkarton
entnommen werden.
-
Das erste Ende 16 des Messkopfes
ist von einer Schlackenkappe 56 bedeckt. Die aus Stahl
mit einer Dicke von 0,030 Zoll bestehende Schlackenkappe 56 besitzt
im allgemeinen eine kegelstumpfförmige
Gestalt und dient zur Abdeckung und zum Schutz des das Thermoelement
enthaltenden U-förmigen
Quarzrohres 22 beim Durchtritt der Sonde 10 durch
eine Schlackenschicht während
die Sonde in geschmolzenen Stahl eingeführt wird. Wie 1 am besten zu entnehmen ist, nimmt der
Kopf der Sonde 10 durch die Form der Schlackenkappe 56 in
Verbindung mit dem Messkopf 12 und dem Stützrohr 14 ein projektilförmiges Aussehen
an. Bei dem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Außenfläche der
Schlackenkappe 56 von einer Werkstoffschicht 58 überzogen,
die das Anhaften von Schlacke beim Durchtritt der Sonde 10 durch
die Schlackenschicht verringert oder verhindert. Bei der vorliegenden
Ausführungsform
besteht die Werkstoffschicht 58 aus einem Ablationswerkstoff,
doch ist für
den technischen Fachmann zu erkennen, dass alternativ auch andere Werkstoffe
verwendet werden können.
In 2 ist am besten zu
erkennen, dass die Ablationswerkstoffschicht 58 auch die
Außenfläche des
Messkopfes 12 bedeckt. Bei der vorliegenden Ausführungsform
besteht die Ablationswerkstoffschicht 58 aus einer organischen
Verbindung, die sich bei Berührung
mit Schlacke bei hoher Temperatur zersetzt und daraufhin eine Gasschicht
bildet, die das Anhaften von Schlacke an die Schlackenkappe 56 verringert
oder verhindert. Die Schlackenkappe 56 schützt aber
nicht nur den Messkopf 12 vor einer Beschädigung beim Auftreffen
der Sonde auf die Schlacke, sondern verhindert auch das Anhaften
von Schlacke an das Schild 28 oder an das das Thermoelement
enthaltende U-förmige
Quarzrohr 22. Die Schlackenkappe kann außerdem mit
einer Öffnung
in ihrem Achsenende ausgeführt
sein, um das schnelle Schmelzen der Schlackenkappe 56 in
Flüssigstahl
zu ermöglichen.
-
Der von dem zwischen dem Keramikgehäuse 24 und
dem Kabelschuhbauteil 46 gelegenen Teil des Bohrung 18 gebildete
Hohlraum sowie alle sonstigen Hohlräume (nicht dargestellt) im
Innern des Messkopfes 12 sind mit einem teilchenförmigen Material 60 gefüllt, um
die effektive Dichte des Messkopfes 12 zu erhöhen. Bei
der vorliegenden Ausführungsform
besteht das teilchenförmige
Material 60 aus einem Werkstoff mit einer sehr hohen Dichte,
wie zum Beispiel Zirkoniumsand. Allerdings kann es sich bei dem
teilchenförmigen
Material 60 falls gewünscht auch
um ein dichtes Metallmaterial handeln oder eine andere Art von teilchenförmigem Material.
Hierbei wird ein teilchenförmiges
Material gegenüber
einem vergussfähigen
Feststoffmaterial bevorzugt, da bei Verwendung eines teilchenförmigen Materials
die Belastungen der Sensorkomponenten beim Eintauchen der Sonde 10 in
die Stahlschmelze reduziert sind und der Zuleitungsdraht 32 eine
beschränkte Beweglichkeit
zwischen dem Keramikgehäuse 24 und
dem Kabelschuhbauteil 46 besitzt.
-
Beim Einsatz der Sonde 10 zur
Messung der Stahltemperatur im Innern eines Stahlschmelzebads wird
ein geeigneter Fallmechanismus zum Ergreifen der Schlinge 52 am
distalen Ende des stählernen Haltekabels 42 verwendet
und das Konnektorbauteil 36 wird an ein dazu passendes
komplementäres Konnektorbauteil
angeschlossen (nicht dargestellt), das zu den außerhalb des Metallschmelzbades
angeordneten Instrumenten gehört.
Die Sonde 10 wird durch den Fallmechanismus in einer im
allgemeinen vertikalen Orientierung bis auf eine geeignete Höhe über dem
Stahlschmelzebad angehoben, wobei der Messkopf 12 und die
Schlackenkappe 56 nach unten gerichtet sind. In einem typischen
Fall wird die Sonde 10 bis auf eine Höhe von ungefähr fünfzig bis
siebzig Fuß über die
Stahlschmelze angehoben. Anschließend wird die Sonde 10 vom
Fallmechanismus losgelassen und fällt nach unten in die Stahlschmelze hinein.
Während
die Sonde 10 in Richtung der Oberfläche der Stahlschmelze fällt, werden
der Schutzmantel 34 und der Zuleitungsdraht 32 vom Stützrohr 14 abgewickelt.
Die potenzielle Energie und die projektilförmige Gestalt der Sonde 10 führen in
Verbindung mit der hohen Nettodichte des Messkopfes 12 und
der Ablationswerkstoffschicht 58 auf der Schlackenkappe 56 und
dem Messkopf 12 zu einem ausreichenden Eindringen der Sonde 10 durch
die Schlackenschicht und in die Stahlschmelze hinein bis zu einer
geeigneten Tiefe für
die Messung der Temperatur. Die hohe Dichte des Messkopfes 12 trägt in Verbindung
mit dem niedrigen Schwerpunkt der Sonde 10 zur Aufrechterhaltung
der vertikalen Stabilität der
Sonde 10 auf ihrem Weg durch die Schlackenschicht und in
die Stahlschmelze hinein bei. In Verbindung mit der Kegelform der
Schlackenkappe 56 unterstützt die Anwesenheit der Ablationswerkstoffschicht 58 auf
der Schlackenkappe 56 und dem Messkopf 12 die
schnelle Bewegung der Sonde 10 durch die Schlackenschicht
und verhindert die Ansammlung von Schlacke auf der Schlackenkappe 56 und
dem Messkopf 12, oder reduziert diesen Vorgang auf ein
Mindestmaß,
der zu einem Viskositätswiderstand
führen
würde,
der die nach unten gerichtete Bewegung der Sonde 10 verlangsamen
würde, und
außerdem
die Nettodichte der Sonde 10 verringern würde. Nach
der Auflösung
der Schlackenkappe 56 führt
die allgemein kegelförmige
Gestalt des ersten Achsenendes 16 des Messkopfes 12 zu
einer Einschränkung
der Gasbildung und somit der auf die Sonde 10 einwirkenden
Auftriebskräfte
sowie zu einer Einschränkung
der Bildung von Wärmegradienten
im Bereich des das Thermoelement enthaltenden U-förmigen Quarzrohrs 22 auf
ein Mindestmaß und ermöglicht auf
diese Weise eine genauere Messung der Temperatur des geschmolzenen
Stahls. Der Schutzmantel 34 schützt den Zuleitungsdraht 32 für eine beträchtliche
Zeit vor den schädlichen
Wirkungen des geschmolzenen Stahls, was die Stahlschmelze-Messbedingungen verbessert.
-
Der vorstehenden Beschreibung eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels
ist zu entnehmen, dass die vorliegende Erfindung eine Falltauchsonde für die Einführung in
geschmolzenen Stahl darstellt, mit der ein oder mehrere Parameter
der Stahlschmelze gemessen werden können. Für den Fachmann ist offensichtlich,
dass Änderungen
oder Modifikationen in die vorbeschriebene Ausführungsform eingefügt werden
könnten,
ohne den in den beigefügten
Patentansprüchen
definierten Inhalt der Erfindung zu verlassen.