DE2829340A1

DE2829340A1 - Pyrometer-schutzhuelle und pyrometrisches verfahren

Info

Publication number: DE2829340A1
Application number: DE19782829340
Authority: DE
Inventors: Frank Peter Bailey; Clive Keith Coogan
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 1977-07-04
Filing date: 1978-07-04
Publication date: 1979-05-23
Also published as: CA1098337A; US4238957A; JPS5445188A; IT7825214A0; NZ187731A; GB2000642B; FR2396963A1; IT1096953B; FR2396963B3; GB2000642A

Description

Pyrometer-Schutzhülle und pyrometrisches Verfahren

Die Erfindung bezieht sich auf pyrometrische Vorrichtungen und insbesondere auf einen Pyrometer-Mantel bzw. eine -Schutzhülle für Wärmemeß- und andere Meßvorrichtungen zur Anwendung unter erschwerten Einsatzbedingungen, beispielsweise bei sehr tiefen oder sehr hohen Temperaturen und/oder in korrodierenden Atmosphären oder Flüssigkeiten. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf die Verwendung solcher Schutzhüllen bei hohen oder tiefen Temperaturen.

Pyrometervorrichtungen der angegebenen Art werden verbreitet in der Metallurgie sowie in der Keramik- und Glasindustrie verwendet. Bei der Herstellung von Glasfasern ist es beispielsweise wichtig, genaue Temperaturmessungen in den verschiedenen Verfahrensstufen vorzunehmen. Bei der Glasherstellung und -verarbeitung sind im allgemeinen Ofentemperaturen in der Größenordnung von 1100 -. 1300⁰C im Spiel. Da geschmolzenes Glas außerdem sowohl korrodierend als auch leitfähig ist, ist es nicht zweckmäßig, ein Thermoelement z.B. aus einer Platin/Platinmetall-Legierung (Pt/ Rh oder Pt/Ir) in unmittelbare Berührung mit der Schmelze zu bringen. Vielmehr wird das Thermoelement in eine Schutzhülle eingesetzt, die üblicherweise aus einem Rohr aus Aluminiumoxid oder einem anderen feuerfesten Material besteht, welches am einen, d.h. an dem in die Glasschmelze einzutauchenden Ende geschlossen ist.

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Diese Anordnung ist mit dem Nachteil behaftet, daß die Ansprechzeit des Thermoelements auf Temperaturänderungen des zu überwachenden Mediums wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumoxid oder dgl. erheblich verlängert wird, während die Rohrwände zur Gewährleistung zufriedenstellender mechanischer Festigkeit eine erhebliche Dicke (etwa 1-2 mm) besitzen müssen. Die Zeitkonstante einer solchen Anordnung liegt typischerweise in der Größenordnung von einer Minute, was bedeutet, daß das Thermoelement nur wenig bzw. langsam auf Temperaturänderungen anspricht, die innerhalb eines wesentlich unter der Zeitkonstante von Thermoelement und Mantel bzw. Schutzhülle liegenden Zeitraums auftreten. Ähnliches gilt für die Verwendung einer solchen Schutzhülle bei anderen Wärmemeßvorrichtungen, wie Thermistoren.

Ein bisheriger Versuch, die Leistung solcher Sonden für die Glasindustrie zu verbessern, besteht darin, eine offenendige, rohrförmige Keramikhülle zu verwenden, die durch ein mit Schiebesitz mit enger Toleranz in das Rohr eingesetztes Platinplättchen verschlossen ist. Obgleich mit dieser Anordnung eine kürzere Zeitkonstante der Sonde erzielt werden kann, wird bei ihr ein vergleichsweise dickwandiges (und entsprechend teueres) vorgeformtes Platinplättchen verwendet, das zudem beim Einführen der Sonde in die Glaswanne und beim Herausziehen aus dieser herausfallen kann und häufig auch herausfällt. Da das Plättchen außerdem nicht fest am Rohr angebracht ist, besteht dabei immer die Möglichkeit, daß Glasschmelze in das Innere des Rohrs eindringt und das Thermoelement zerstört. Vollständig aus Edelmetallen, wie Platin, hergestellte Rohre sind ebenfalls bereits verwendet worden, doch verbieten die Kosten für solche Vorrichtungen offensichtlich deren praktische Verwendung.

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Weiterhin leiten solche Rohre die Wärme bis zu ihrem Anschlußpunkt an der Außenwand des Ofens, wodurch ihre Anbringung schwierig wird und beträchtliche Meßfehler des Thermoelements hervorgerufen werden können.

Aufgabe der Erfindung ist somit die Schaffung einer Pyrometer-Schutzhülle verbesserter Konstruktion, mit der die den bisher verwendeten Vorrichtungen dieser Art anhaftenden Mängel zumindest zum Teil ausgeräumt werden können.

Diese Aufgabe wird bei einer Pyrometer-Schutzhülle, bestehend aus einem Hohlkörper aus einem Werkstoff mit vergleichsweise schlechten Wärmeübertragungs- bzw. «-Übergangseigenschaften und einer in eine Öffnung des Hohlkörpers eingesetzten Trennwand mit vergleichsweise guter Wärmeleitfähigkeit erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Trennwand um ihren gesamten umfang herum luftdicht mit dem Hohlkörper verbunden ist.

In bevorzugter Ausführungsform umfaßt die erfindungsgemäße Pyrometer-Schutzhülle einen länglichen Rohrkörper aus einem feuerfesten Keramikmaterial, dessen eines Ende durch eine Scheide- oder Trennwand verschlossen ist. Es sind jedoch auch andere Ausführungsformen möglich; beispielsweise kann das Rohr über seine Länge hinweg mit einer Reihe von "bullaugenartigen " Trenn- oder Scheidewänden versehen sein, oder diese Trennwände können in Form eines oder mehrerer Bänder bzw. Ringe ausgebildet, sein, welche das Rohr ganz oder teilweise umschließen. Je nach dem vorgesehenen Verwendungszweck des Mantels bzw, der Schutzhülle können noch weitere Abwandlungen ins Auge gefaßt werden.

Unabhängig von ihrer Konfiguration kennzeichnet sich die erfindungsgemäße Schutzhülle durch eine innige luftdichte Verbindung zwischen dem Hohlkörper und der Trennwand. Dies steht im Gegensatz zu der mangelhaften Abdichtung, die durch die

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beschriebene, bisherige Plättchenanordnung geboten wird. Ersichtlicherweise muß eine solche Abdichtung bei den zu erwartenden Arbeitstemperaturen intakt bleiben, so daß Klebmittel und andere Bindemittel (einschließlich Glas/ Metall-Dichtungen) für den Einsatz bei hohen Temperaturen unbrauchbar s ind.

Die Schutzhülle kann aus einem feuerfesten Keramikmaterial bestehen, während die Trennwand aus einer Metallfolie oder Keramiklage bestehen kann. Zumindest unter bestimmten Bedingungen kann die Trennwand durch Hartlöten oder auf andere bekannte Weise befestigt werden. Bevorzugt werden jedoch Abdichtungen, die durch eine unmittelbare Wechselwirkung von Körper und Metallfolie oder aber zwischen dem Körper und der Metallfolie gebüdet werden, die ihrerseits mit einem passenden Keramikfenster, etwa aus Berylliumoxid, in Wechs elwirkung stent.

In der AUS-PS 452 651 ist die Herstellung von Metall/Keramik-Verbindungen durch Erwärmen von Metall/Keramik-Elementen in Luft (oder anderer Atmosphäre) auf eine unter dem Schmelzpunkt beider Werkstoffe liegende Temperatur beschrieben. Ein ähnliches Verfahren beschreibt die US-PS 3 531 853. Dieses Verfahren eignet sich besonders für Oxidkeramikmaterialien aus feuerfesten Schmelz- oder Sinteroxiden, insbesondere Oxidei der Gruppen II, III, IV und VIII des Periodensystems einschließlich bestimmter Seltener Erde sowie Aktiniden und Metalloiden, wie Silicium, sowie für Metalle der sog. "Übergangsreihe" des Periodensystems. Für die vorliegenden Zwecke eignen sich Übergangsmetalle der Atomzahlen zwischen 21 und 29 (erste Übergangsreihe), zwischen 39 und 47 (zweite Übergangsreihe) und zwischen und 79 (dritte Übergangsreihe). Es ist bekannt, daß sich Platin und Aluminiumoxid nach diesen Verfahren besonders gut verbinden lassen; aus diesem Grund werden derartige Verfahren

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für die Herstellung von Schutzhüllen mit Merkmalen nach der Erfindung besonders bevorzugt.

Tn bevorzugter Ausfuhrungsform der Erfindung besteht die Trennwand daher aus einer Folie eines Metalls der (vorstehend definierten) Übergangsreihen, während der Hohlkörper aus einem feuerfesten Oxidkeramikmaterial (gemäß vorstehender Definition) besteht. Die Verbindung wird zumindest teilweise durch Stoßberührung (abutting) einer ümfangsrandfläche der Metallfolie mit einer Ringfläche des Körpers aus dem feuerfesten Oxidkeramikmaterial und durch Erwärmung zumindest der Stoßflächen auf eine Temperatur unter dem Schmelzpunkt des den niedrigsten Schmelzpunkt besitzenden Bauteils der Anordnung, jedoch auf eine so hohe Temperatur, daß zwischen den Keramik- und Metallkomponenten eine chemische Reaktion eintritt, die zur Ausbildung der Verbindung zwischen den Flächen führt, hergestellt.

Wenn die Trennwand aus einem nichtmetallischen Werkstoff, z.B. Beryllium, bestehen soll, kann die Verbindung der Trennwand mit dem Körper nach einem ähnlichen Verfahren erfolgen, nämlich durch Zwischenfügung einer dünnen Folie aus einem geeigneten Metall, z.B. Platin, zwischen beide Teile, wie dies in der genannten AUS-PS beschrieben ist.

Beispiele für bekannte, erfindungsgemäß verwendbare feuerfeste Keramikmaterialien sind Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-Porzellane, Mullit, Siliciumoxid bzw. Kieselerde, Zirkonoxid und Zirkonoxid/ Aluminiumoxid-Gemische oder -Verbundmaterialien. Als Beispiele für Trennwand-Werkstoffe seien genannt Platin, Gold und andere Edelmetalle sowie Keramikmaterialien und andere feuerfeste Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Beryllium und Diamant. Offensichtlich hängt die Wahl der Körper- und Trennwandmaterialien für die Schutzhülle hauptsächlich vom vorgesehenen Verwendungszweck ab.

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Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion kann die Dicke der Trennwand auf 0,05 - 0,5 mm verringert werden, wobei vorteilhafte Ergebnisse bezüglich des Wärmeleitgrads und
der Ansprechzeit der erfindungsgemäß geschützten Vorrichtungen gewährleistet werden. Diese Vorteile gehen bei
Trennwanddicken von mehr als 0,5 mm verloren, während die Dicke von 0,05 mm die Mindestgröße darstellt, bei der
zufriedenstellende Festigkeit und Elastizität geboten werden können.

Neben den bereits erwähnten Verwendungszwecken kann die erfindungsgemäße Pyrometer-Schutzhülle als Gehäuse für ein
Thermoelement o.dgl. in einer Vielfalt von Einsatzfällen, etwa als Temperaturmeßsonde in öfen verschiedener Bauart, für die Messung der Temperatur von festen, flüssigen oder gasförmigen Medien benutzt werden. Eine solche Sonde eignet sich vorteilhaft auch zur Verwendung in Vakuumöfen, weil die Sonde selbst ohne weiteres vakuumdicht ausgebildet werden kann. Außerdem kann die Sonde für die Temperaturmessung
anhand der Strahlung, etwa in einem Vakuumofen, aber auch auf anderen Gebieten, nützlich sein. Im zuletzt genannten Fall kann es nötig sein, die Trennwand zweckmäßig zu schwärzen und/oder aufzurauhen, um ihr Ansprechverhalten auf die einfallende Strahlung zu verbessern.

Ein besonders vorteilhaftes Anwendungsgebiet ist die Glasherstellung; dabei müssen die Werkstoffe der Schutzhülle
so gewählt werden, daß diese über einen längeren Zeitraum hinweg in einer Umgebung mit einer Arbeitstemperatur von
1100 - 1300⁰C betriebsfähig bleibt. Eine zweckmäßige Schutzhülle für diesen Einsatz ist eine solche aus Mullit mit
einer Platintrennwand.

Die Erfindung besteht damit auch in der Anwendung der

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Schutzhülle gemäß der Erfindung gemäß Anspruch 9.

Im folgenden sind zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Schutzhülle mit einer Metall-Trennwand und

Figur 2 eine Figur 1 ähnelnde Darstellung einer Schutzhülle mit einer Keramik-Trennwand.

Beispiel 1

Gemäß Figur 1 besteht der Pyrometer-Mantel bzw. die -Schutzhülle gemäß der Erfindung aus einem Aluminiumoxid-Rohr 1 mit einem Durchmesser von etwa 10 mm und einer den jeweiligen Anforderungen genügenden Länge; dieses Rohr besitzt vergleichsweise schlechte Wärmeübertragungseigenschaften. Eine Trennwand bzw. ein Deckel mit vergleichsweise guter Wärmeleitfähigkeit in Form einer dünnen Platinfolie 2 mit einer geeigneten Dicke von z.B. 0,08 - 0,5 mm ist an der ringförmigen Stirnfläche des Rohrs 1 nach dem Reaktionsverbindungsverfahren gemäß der AUS-PS 452 651 angebracht. Bei diesem Verfahren wird, kurz gesagt, eine Randfläche der Folie mit der ringförmigen Stirnfläche des Rohrs in Berührung gebracht, worauf ein leichter Verspanndruck ausgeübt und die Anordnung auf etwa 1450⁰C erwärmt wird. Diese Temperatur liegt unter dem Schmelzpunkt beider Komponenten, doch ist sie hoch genug, um eine eine Verbindung zwischen den Berührungsflächen bewirkende chemische Reaktion zwischen den Keramik- und Metallkomponenten herbeizuführen. Da sich Platin unter diesen Bedingungen mit jedem Keramiksubstrat verbindet, ist es aus konstruktiven Gründen vorteilhaft, die Folie 2 mit einem dünnen Ring 3 aus Aluminiumoxid zu hinterlegen, der somit zu einem Teil der fertigen Schutzhüllenanordnung wird und dabei als Schutzmanschette um die Trennwand herum wirkt.

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Im Betrieb wird ein Thermoelement oder dgl. pyrometrisches Meßelement so in das Rohr eingesetzt, daß sich sein empfindlicher Teil nahe an der Platintrennwand befindet oder diese berührt. Die Wärme wird durch die Trennwand absorbiert, weitergeleitet und wieder abgegeben, so daß die Trennwand als thermisches Fenster für das Thermoelement wirkt. In manchen Fällen kann es günstig sein, die thermoelektrisch wirkende Verbindung (Lötstelle) zur Gewährleistung eines optimalen Ansprechens an der Platinfolie anzuschweißen. -

Beispiel 2

Zur Untersuchung der thermischen Leistung der Schutzhülle nach Figur 1 wurde ein Thermoelement in ein Mullitrohr von 10 mm Durchmesser und 1,5 mm Wanddicke mit einer 0,08 mm dicken Platintrennwand eingesetzt. Die Spitze des Thermoelements befand sich dabei im Rohr dicht an der Trennwand.

Die so hergestellte Sonde wurde bei Umgebungstemperatur (20⁰C) in siedendes Wasser eingetaucht. Die Zeit (T-i/o)' die das Thermoelement für die Anzeige der Hälfte des gesamten Temperaturanstiegs benötigte, wurde aufgezeichnet.

Derselbe Versuch wurde mit einem Thermoelement wiederholt, das in einem üblichen, ein geschlossenes Ende besitzenden Mullitrohr mit gleicher Wanddicke und gleichem Durchmesser angeordnet war. Dabei wurden folgende Ergebnisse erzielt:

Normale Mullitsonde (Stand der Technik) ^Ti/2 ^{= 33 s} Mullit/Pt-Sonde (erfindungsgemäß) ^Ti/2 ^{= 3 s}

Der Vergleichsversuch wurde unter Verwendung derselben Sonden in einem mit einer Grundtemperatur von 900⁰C arbeitenden Luft- bzw. Windofen wiederholt. Hierbei wurde ein zusätzlicher Versuch mit einem blanken,, ungeschützten Thermoelement durchgeführt. Folgende Ergebnisse wurden ermittelt:

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Normale Sonde (Stand der Technik) ^Ti /2 ⁼ ^^{0 s} Sonde mit Pt-Trennwand ^Ti/2 ⁼^^{5 s}

Ungeschütztes Thermoelement T₁,, ⁼ 20 s

Ersichtlicherweise hängt das genaue Verhältnis des Unterschieds zwischen T₁ ,,,-Werten für das normale geschützte Thermoelement und das erfindungsgemäße geschützte Thermoelement von zahlreichen Paktoren ab, etwa von der Höhe der Arbextstemperatur, von dem die Schutzhülle umgebenden Medium (z.B. Luft, Wasserstoff, Wasser, Glasschmelze und dgl.) usw.

Beispiel 3

Figur 2 veranschaulicht eine Schutzhülle in Form eines Aluminiumoxidrohrs 1 mit denselben Abmessungen wie in Beispiel 1 Die aus einer 1 - 1,5 mm dicken Berylliumscheibe bestehende Trennwand 2 ist nach dem Verfahren gemäß der genannten AUS-PS unter Zwischenfügung einer Ringscheibe 3 aus Platinfolie mit dem Ende des Rohrs 1 verbunden worden.

Beispiel 4

Eine Schutzhülle aus Aluminiumoxid mit denselben Abmessungen wie in Beispiel 1 wurde mit einer Trennwand bzw. einem Deckel in Form einer dünnen (0,08 - 0,18 mm dicken) Goldfolie versehen, die als Scheibe mit dem Ende des Rohrs verbunden wurde. Die Verbindung erfolgte auf ähnliche Weise wie in Beispiel 1, jedoch bei einer Temperatur von 1000⁰C. Eine Schutzhülle dieser Art eignet sich besser zur Verwendung beispielsweise in schwefelhaltigen Atmosphären .

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Leerseite

Claims

Henkel, Kern, Feiler & Hänzel Patentanwälte Γ ^ Juli 1978 Commonwealth Scientific and Möhlstraße37 B-8000 München 80 Industrial Research Organization ... „ j_ Ί . Tel.: 089/982085-87 Campbell, Australien Telex:0529802hnkld : Telegramme: ellipsoid 0310-GN Patentansprüche

1.) Pyrometer-Schutzhülle, bestehend aus einem Hohlkörper aus einem Werkstoff mit vergleichsweise schlechten Wärmeübertragungs- bzw. -Übergangseigenschaften und einer in eine öffnung des Hohlkörpers eingesetzten Trennwand mit vergleichsweise guter Wärmeleitfähigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (2) um ihren gesamten Umfang herum luftdicht mit dem Hohlkörper (1) verbunden ist.

2. Schutzhülle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper die Form eines Rohrs besitzt, über dessen eines Ende hinweg die Trennwand angebracht ist.

3. Schutzhülle nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand eine Dicke von 0,05 - 0,5 mm besitzt.

4. Schutzhülle nach einem der Ansprüche 1 bis 3/ dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand eine Metallfolie ist.

5. Schutzhülle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall aus einem Übergangsmetall besteht, daß der Hohlkörper aus einem feuerfesten Oxidkeramikmaterial besteht, und daß die Verbindung zumindest zum Teil in der

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ORIQlNAL INSPECTED

Weise hergestellt worden ist, daß eine Umfangsrandflache der Metallfolie mit einer Ringfläche des Hohlkörpers aus dem feuerfesten Oxidkeramikmaterial in Stoßberührung gebracht und zumindest die Stoßflächen auf eine Temperatur unter dem Schmelzpunkt der den niedrigsten Schmelzpunkt besitzenden Komponente, jedoch einer solchen Höhe, daß eine zur Bildung der Verbindung zwischen diesen Flächen führende Reaktion zwischen den Keramik- und Metallkomponenten herbeigeführt wird, erwärmt wurden.

6- Pyrometer-Schutzhülle, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, zur Verwendung bei der Glasherstellung, bestehend aus einem hohlen Rohr aus einem feuerfesten oxidischen Keramikmaterial mit vergleichsweise schlechten Wärmeübertragungs- bzw. -Übergangseigenschaften und einer das eine Ende des Rohrs verschließenden Folie aus einem Übergangsmetall mit vergleichsweise großer Wärmeleitfähigkeit, wobei die Folie eine Dicke von 0,05 - 0,5 mm besitzt und das Keramikmaterial und das Metall so gewählt sind, daß die Schutzhülle über einen längeren Zeitraum hinweg in einer Umgebung mit einer Arbeitstemperatur in der Größenordnung von 1100 1300⁰C zu arbeiten vermag, die Folie um ihren gesamten Umfang herum luftdicht mit dem Rohr verbunden ist und die Verbindung zumindest zum Teil dadurch hergestellt worden ist, daß eine Ümfangsrandflache der Metallfolie mit einer Ringfläche des Rohrs aus dem genannten Keramikmaterial in Stoßberührung gebracht und zumindest die > Stoßflächen auf eine Temperatur unter dem Schmelzpunkt der den niedrigsten Schmelzpunkt besitzenden Komponente, jedoch einer solchen Höhe, daß eine zur Bildung der Verbindung zwischen diesen Flächen führende Reaktion zwischen den Keramik- und Metallkomponenten herbeigeführt wird, erwärmt wurden.

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7. Schutzhülle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet/ daß die Folie eine Platinfolie ist.

8. Schutzhülle nach einem der vorangehenden Ansprüche in Kombination mit einem in die Schutzhülle eingesetzten pyrometrIschen Meßfühler.

9. Anwendung einer Schutzhülle gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche im Rahmen eines bei hohen oder tiefen Temperaturen durchführbaren Verfahrens/ das in Abhängigkeit von der Überwachung dieser Temperaturen mittels eines in eine Wärmeschutzhülle eingesetzten, temperaturempfindlichen Elements regelbar ist.

10. Anwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hohlkörper in Form eines Rohrs verwendet wird, über dessen eines Ende hinweg die Trennwand angeordnet ist.

11. Anwendung nach Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet/ daß die Trennwand eine Dicke von 0/05 0,5 mm besitzt.

12. Anwendung nach Ansprüchen 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand eine Metallfolie ist.

13. Anwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall ein Übergangsmetall ist, daß der Hohlkörper aus einem feuerfesten Oxidkeramikmaterial besteht und daß die Verbindung zumindest zum Teil in der Weise hergestellt worden ist, daß eine ümfangsrandflache der Metallfolie mit einer Ringfläche des Hohlkörpers aus dem feuerfesten Oxidkeramikmaterial in Stoßberüh-

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rung gebracht und zumindest die Stoßflächen auf eine Temperatur unter dem Schmelzpunkt der den niedrigsten Schmelzpunkt besitzenden Komponente, jedoch einer solchen Höhe, daß eine zur Bildung der Verbindung zwischen diesen Flächen führende Reaktion zwischen den Keramik- und Metallkomponenten herbeigeführt wird, erwärmt wurden.

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