DE2028735B2

DE2028735B2 - Vorrichtung zum Messen des Kohlenstoffgehaltes eines strömungsfähigen Mediums, insbesondere einer Metallschmelze

Info

Publication number: DE2028735B2
Application number: DE2028735A
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Abingdon Berkshire Long (Grossbritnnien)
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1969-06-13
Filing date: 1970-06-11
Publication date: 1979-05-10
Also published as: GB1315303A; DE2028735A1; DE2028735C3; US3672844A; FR2052557A5; JPS5023837B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß das Vorhandensein von Kohlenstoff in flüssigen Metallen zu Beschädigungen an mit den flüssigen Metallen in Berührung stehenden Teilen führen oder Schwierigkeiten verursachen kann. Beispielsweise kann das Vorhandensein von Kohlenstoff in flüssigem Natrium, welches als Kühlmittel in einem Kernreaktor verwendet wird, ein Karbonisieren bzw. Einsatzhärten von stählernen Konstruktinnsteilcndes Reaktors verursachen. Um dies zu vermeiden, ist es notwendig, den Kohlenstoffgehalt des geschmolzenen Natriums laufend zu überwachen, so daß notfalls ein Teil abgezogen und einem Reinigungssytem zugeführt werden kann. Es besteht daher ein Bedarf an einem Monitor bzw. Überwachungsgerät für den Kohlenstoffgehalt des Natriums in Kernreaktoren. Das obige Beispiel wird nur aus Erläuterungsgründen gegeben. Es gibt natürlich auch andere Umstände, die ein Messen des Kohlenstoffgehaltes eines geschmolzenen Metalls erforderlich oder wünschenswert erscheinen lassen, z. B. in der Stahlindustrie wäre es sehr zweckmäßig, eine schnelle Analyse bezüglich des Kohlenstoffs am geschmolzenen Stahl durchzuführen.

Aus der GB-PS 1 073 198 ist es bekannt, in ein auf seinen Kohlenstoffgehalt zu untersuchendes Strömungsmittel ein Gehäuse aus einem Metall einzubringen, in dem Kohlenstoff bei Betriebstemperatur sowohl löslich als auch beweglich ist, und den durch das Gehäuse hindurchgedrungenen Kohlenstoff mit einem Entkohlungsmittel innerhalb des Gehäuses in Berührung zu bringen sowie die gebildeten Entkohlungsproduktc zu messen. Das Entkohlungsmittel besteht dabei jedoch aus einem Gas, das beim Betrieb über eine entsprechende Einrichtung zugeführt wird. Mit diesem Entkohlungsgas können jedoch Verunreinigungen in das zu prüfende Strömungsmittel eingebracht werden. Ferner kann das Entkohlungsgas Wasser enthalten, das eine Korrosion der Membran, durch die das Gas diffundieren muß, hervorrufen kann. Dies sind nur einige Nachteile der Verwendung eines Entkohlungsgases.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung des Kohlenstoffgehalts eines strömungsfähigen Mediums zu schaffen, welche die mit der Verwendung eines gasförmigen Entkohlungsmitteis verbundenen Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Bei einer zweckmäßigen Anordnung ist das feste Lntkohlungsmittel ein Metalloxid, z. B. ein eisenhaltiges Oxid, welches mit dem Kohlenstoff reagiert, der das Gehäuse bzw. die Hülle durchdringt, um ein gasförmiges Entkohlungsprodukt zu ergeben. Die Reaktionen sind folgende:

FeO + C ^± Fe + CO
wobei unter gewissen Umständen folgt:

FeO + CO ^ Fe + CO₂

Es versteht sich, daß die Reaktionen Gleichgewichtsreaktionen sind. Somit kann die Erzeugung von Kohlenoxiden an dor Innenoberfläche des Gehäuses entweder durch ein statisches oder ein dynamisches Verfahren gemessen werden. Die Kohlenoxidproduktion wird in Beziehung gesetzt zur Kohlenstoffaktivität an der Innenoberfläche des Gehäuses, zum Kohlenstoffkonzentrationsgefälle an der Wand des Gehäuses und zur Kohlenstoffaktivität im geschmolzenen Metall, welches mit der Außenfläche des Gehäuses in Berührung steht. Es sei darauf hingewiesen, daß die Vorrichtung nach der Erfindung in Wirklichkeit die thermodynamische Kohlenstoffaktivität oder das Karbonisierungspotential des Strömungsmittels oder geschmolzenen Metalls mißtvnrt auf festen Kohlenstoff, der darin in Suspension enthalten sein kann, nicht anspricht.

Bei der statischen Methode macht man sich den Vorteil zunutze, daß für eine gegebene Temperatur die Gleichgewichts-Kohlenoxidkonzentration von der Kohlenstoffaktivität im geschmolzenen Metall abhängig ist. Diese Kohlenoxidkonzentration wird in den meisten Fällen leicht dadurch gemessen, daß deren Partialdruck bestimmt wird, der aus der Bestimmung der Druckänderung innerhalb des Gehäuses abgeleitet werden kann.

Bei der dynamischen Methode wird die Kohlenmonoxidkonzentration dadurch auf Null reduziert, daß sie abgeführt wird, sobald sie gebildet wird und dessen Erzeugungsrate gemessen wird. Dies kann leicht durch Vakuumpumpen oder durch Verwendung eines Spülgases erfolgen, wobei das abgeführte Kohlenmonoxid kontinuierlich oder intermittierend quantitativ analysiert wird. Es versteht sich, daß ein Spülgas, wenn es verwendet wird, nicht mit der Oxidschicht oder mit dem Kohlenmonoxid reagieren darf und daß Vorkehrungen getroffen werden sollten, daß das Kohlenmonoxid nicht mit irgendwelchen Teilen des Gerätes reagiert oder sich zersetzt, um Kohlenstoff abzulagern, bevor es analysiert ist. Die gemessene Erzeugungsrate von Kohlenmonoxid wird dann für eine gegebene Dicke und eine gegebene Flächengröße des bekannten Gehäusematerials in Beziehung zur Kohlenstoffaktivität im geschmolzenen Metall gc-

setzt.

Das Gehäuse weist vorzugsweise ein Metall auf bzw. besteht aus diesem, und für die Bestimmung des Kohlenstoffgehaltes von geschmolzenem Natrium kann das Gehäuse zweckmäßig aus Eisen, Nickel oder deren Legierungen bestehen. Es vesteht sich, daß das Strömungsmittel oder geschmolzene Metall keine nennenswerte Menge Wasserstoff enthalten sollte, da dieser im allgemeinen sehr leicht durch Eisen oder Nickel in das Gehäuse gelangt und mit der Oxidschicht zusammenwirkt. Im allgemeinen ist es für Stahl schwieriger, ein geeignetes Metall für das Gehäuse zu finden, und es kann notwendig sein, ein Karbid oder ein ähnliches feuerfestes bzw. schwerschmelzendes Material zu verwenden. Die Wichtigkeit des Fehlens von Wasserstoff im Strömungsmittel, welches überprüft wird, bedeutet, daß der Anwendungsbereich der Vorrichtung für die Analyse des Kohlenstoffgehaltes gasförmiger Systeme bedeutend reduziert wird. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Besondere Ausführungsformen der erfirdungsgemäßen Vorrichtung werden nunmehr anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer abgeänderten Vorrichtung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiterer, abgeänderten Vorrichtung.

Bei allen drei Ausführungsbeispielen wird die Erzeugung von Kohlenoxiden dynamisch gemessen.

Nach Fig. 1 gelangt ein Strömungsmittel oder geschmolzenes Metall über Einlaß- oder Auslaßrohre 11, 12 durch einen Ofen 13 hindurch. In das Strömungsmittel im Ofen ist eine Kammer oder Tauchhülse 14 eingetaucht, die ein Gehäuse bildet. Die Kammer besteht aus Metall, z. B. Eisen, Nickel oder aus einer Legierung von Eisen oder Nickel, in welcher Kohlenstoff '->ei Betriebstemperatur (z. B. 600° C bis 700° C für geschmolzenes Natrium) sowohl löslich als auch beweglich ist. Die Innenoberfläche 15 ist mit einer Schicht aus Oxid überzogen, zweckmäßig einem Oxid des Metalls der Tauchhülse 14.

Eine nicht dargestellte Lieferquelle für ein Spülgas, welches die obenerwähnten Eigenschaften hat, ist über einen Standard-Reinigungszug 16 und eint Rohrleitung 17 mit der Tauchhülse 14 gekoppelt. Ein > Auslaß 18 von der Tauchhülse 14 bringt das Spülgas und das durch Reaktion des Kohlenstoffs mit dem Entkohlungsmittel entstandene Gas zu einem Gas-Chromatographen 19, wo eine Analyse auf Kohlenoxide durchgeführt wird.

in Im Betrieb wandert Kohlenstoff im Strömungsmittel innerhalb des Ofens 13 durch die Wandung der Kammer 14 hindurch und reagiert mit der Oxidschicht, um gasförmige Kohlenoxide zu bilden. Die Konzentration der gasförmigen Kohlenoxide, wie sie mit dem Gas-Chromatographen bestimmt wird, bildet dann die gewünschte Anzeige für das Karbonisierungspotential des Strömungsmittels im Ofen.

Es versteht sich, daß das Innere der Kammer periodisch einer kontrollierten oxidierenden Atmosphäre

j«i ausgesetzt werden muß, um die Oxidschicht wieder herzustellen.

Bei den Ausführungsbeispielen dei Fig. 2 und 3 ist die Anordnung von Ofen und Kammer ähnlich wie bei der Anordnung nach Fig. 1, mit der Ausnahme,

>> daß die Kammer nur eine Rohrleitungsverbindung nach einem Vakuumsystem aufweist.

Bei der Anordnung nach Fig. 2 bildet die durch ein Meßgerät 21 gemessene Änderungsgeschwindigkeit des Druckes eine Anzeige für die Rate der BiI-

JO dung gasförmiger Kohlenoxide. Der Bereich zwischen einer Diffusionspumpe 22 und einem herkömmlichen Vakuumsystem 23 weist ein isoliertes Gegerivolumen auf, dessen Kapazität mittels der Kammern 24, 25, 26 und Ventile 27,28,29 einregelbar ist. Durch diese

ii Regelbarkeit wird die Anlage bzw. das System einem weiten Bereich unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten zugänglich gemacht.

Bei der Anordnung nach Fig. 3 werden die gasförmigen Kohlenoxide durch eine oder mehrere: Kapilla-

Ki ren 31, 32, 34 hindurchgepumpt. Der effektive Druckabfall an dem oder den Kapillaren wird durch einen Druckmesser 35 angezeigt, so daß die Ablesung dieses Anzeigegerätes eine direkte Anzeige für die Strömungsgeschwindigkeit gibt.

Hierzu 1 BIaU Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen des Kohlenstoffgehaltes eines strömungsfähigen Mediums, insbesondere einer Metallschmelze, mit einem in das Medium einbringbaren Gehäuse aus einem Material, in welchem Kohlenstoff bei Betriebstemperatur sowohl löslich als auch beweglich ist, mit einem im Gehäuse befindlichen Entkohlungsmittel zur Bildung gasförmiger Kohlenstoffverbindungen durch Reaktion mit in das Gehäuse diffundiertem Kohlenstoff sowie mit einer Einrichtung zum Messen der gebildeten Kohlenstoffverbindungen, dadurch gekennzeichnet, daß das Entkohlungsmitte! aus einem festen, auf der Innenoberfläche (15) des Gehäuses (14) angebrachten Material besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Entkohlungsmittel ein Metalioxid ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) aus Eisen besteht und daß das feste Entkohlungsittel ein eisenhaltiges Oxid ist.