DE69900480T2 - Vorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen Messung der Wandabnutzung eines metallischen Behälters - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ganz allgemein die Messung der Abnutzung der Wände metallurgischer Behälter, wobei betont sei, dass mit dem Ausdruck Wand hier jeder Körper aus feuerfestem Material bezeichnet ist, der bei Berührung mit dem geschmolzenen im Behälter vorhandenen Metall nach und nach aufgebraucht wird. Die Erfindung ist damit anwendbar sowohl für die Messung der kontinuierlichen Abnutzung einer feuerfesten Beschichtung als auch für die Messung de Abnutzung von in eine feuerfeste Beschichtung eingesetzten Bauteilen, beispielsweise die Abnutzung von Rohren für das Einblasen von Sauerstoff in einen Konverter oder die Abnutzung von Bauteilen für das Einblasen von Rührgas oder die Abnutzung von Bodenelektroden in einem elektrischen Lichtbogenofen.
• Die Rohre sind in die Beschichtung des Konverters eingesetzt und durchsetzen dessen Wand wobei sie zum Einblasen eines Behandlungsfluids in das geschmolzene Metall dienen, beispielsweise Sauerstoff, das sich damit während der Behandlung im Kontakt mit den Rohren befindet. Daraus folgt dass die Erosion der feuerfesten Materialien in der Nähe der Eintrittsbereiche für das Gas oder die Flüssikeit in den Behälter, d.h. am Ende der Einlassrohre, besonders ausgeprägt ist. Es ist daher besonders wünschenswert so genau wie möglich den Verlauf dieser Abnutzung zu überwachen, insbesondere um ihren Einfluss auf die Zufuhrparameter des Fluids zu berücksichtigen und vor allem, um das Risiko von Durchbrüchen zu vermeiden, vor allem deshalb, weil der Verlauf der Abnutzung der feuerfesten Materialien der Rohre oder der Stellen in ihrer Nähe nur schwierig vorauszusehen ist.
• Es wurde daher seit langem versucht die Abnutzung von feuerfesten Materialien zu messen und zwar durch Messung der Änderung der Dicke der verbleibenden Wand.
• Eine herkömmliche Technik besteht darin, in das feuerfeste Material der Beschichtung oder in die Rohre eine Vielzahl von Thermoelementen einzusetzen, die in Richtung der fortschreitenden Abnutzung zueinander verschoben sind, d.h. praktisch entlang der Dicke des feuerfesten Materials abgestuft sind. Diese Technik wurde zum Beispiel für Rohre verwendet, die permeable feuerfeste Bauteile vom Typ LBE bilden, wie es in der Veröffentlichung FR-A- 2 518 240 beschrieben ist. Der Verlauf der Abnutzung konnte verfolgt werden durch Beobachtung von Signalen die von verschiedenen Thermoelementen stammen, welchen in ein und dasselbe permeable Bauteil eingesetzt sind, wobei eine plötzliche Änderung des Signals den Beginn der Berührung des flüssigen Metalls mit der Spitze des Thermoelementes signalisiert als Folge der Abnutzung des dieses umhüllenden feuerfesten Materials. Die Abnutzung kann dabei notwendigerweise nur in diskreten Schritten erfolgen, wobei ein neues Signal nur nach der Abnutzung einer Dicke des feuerfesten Materials auftritt, die der Verschiebung zwischen zwei Thermoelementen entspricht.
• Jüngeren Datums sind von Herstellern vorgeschlagene Vorrichtungen zur kontinuierlichen Messung. Das für die Vorrichtungen verwendete Messprinzip besteht darin, kontinuierlich den elektrischen Widerstand eines Widerstandsdrahtes zu messen, der in das feuerfeste Material in dessen Dickenrichtung eingesetzt ist. Die Abnutzung des feuerfesten Materials erfolgt gleichzeitig mit einer Verringerung der Länge des Widerstandsdrahtes und damit dessen Widerstandes. Die Messung des Widerstandes ermöglicht damit eine Überwachung der Änderung der Dicke auf grund der Erosion des feuerfesten Materials. In der Praxis besteht die verwendete Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Länge eines Einlassrohres, wie es zum Beispiel in der Veröffentlichung FR-A-2728336 beschrieben ist, aus einer Sonde, die aus zwei parallelen elektrischen Leitern besteht, die voneinander durch ein elektrisch isolierendes feuerfestes Material isoliert sind. Die beiden Leiter sind mit einer Anordnung zur Messung des elektrischen Widerstandes verbunden, die eine Messung der Änderungen des Widerstandes ermöglicht und damit Änderungen der Länge der Leiter durch die Abnutzung der feuerfesten Beschichtung, wobei der Kreis durch das im metallurgischen Behälter vorhandene geschmolzene Metall geschlossen wird. Wenigstens einer der beiden Leiter besteht aus einem Material, dessen Eigenschaften des spezifischen Widerstandes ausreichen um eine zuverlässige und präzise Messung zu gewährleisten. Es sei betont dass eine derartige Sonde vor allem dazu dient, die Abnutzung auf Höhe der Einlassrohre für ein Fluid zu messen, da ein Fluss des geschmolzenen Metalls in der Nähe des Rohrendes in der Praxis erforderlich ist um die Ablagerung von elektrisch isolierender Schlacke an der Wand zu vermeiden und dadurch die elektrische Verbindung zwischen den Enden der beiden Leiter sicherzustellen.
• Gemäss einem in dieser Veröffentlichung beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die Sonde aus einem Koaxialkabel mit einem Mittenleiter, der von einer isolierenden Hülle aus einem feuerfesten elektrisch isolierenden Material umgeben ist, beispielsweise aus Aluminiumoxyd oder aus InconelTM, die als zweiter Leiter dient und die Sonde mechanisch zusammenhält. Der Mittenleiter, der beispielsweise aus einem Material auf der Grundlage eines silizierten Molybdänstahls besteht, weist einen linearen spezifischen Widerstand auf, der weitaus grösser ist als derjenige der metallischen Hülle und beispielsweise in der Grössenordnung von 45 Ohm pro Meter liegt.
• Die Art der Herstellung der derzeitigen Sonden führt zu einer Sonde, deren Aussendurchmesser in der Nähe von 1,5 mm liegt und deren isolierende Hülle aus Aluminiumoxyd in Form von rohrförmigen Bauteilen, die in eine metallisches Rohr gesteckt werden, eine relativ grosse Dicke aufweist, die in der Grössenordnung von mehreren Zehntel Millimeter liegt. Derartige Sonden sind daher wenig flexibel und oftmals ungeeignet für den Einsatz an schlecht zugänglichen Stellen, wie z.B Rohren für Konverter. Ausserdem führt dies zu einem derartigen Abstand zwischen dem Mittenleiter und der metallischen äusseren Hülle, dass die elektrische Überbrückung zwischen den Enden dieser Bauteile nicht immer korrekt erfolgen kann durch das im Behälter vorhandene Metall, sodass Messfehler für den Widerstand auftreten und damit erhebliche Änderungen des elektrischen Widerstandes festgestellt werden, die auf dieser schlechten Verbindung beruhen ohne dass eine tatsächliche Änderung der Länge des Mittenleiters erfolgt.
• Sofern die Abnutzung des feuerfesten Materials in einem Bereich des Behälters gemessen werden soll, der eine durchgehende feuerfeste Beschichtung aufweist, kann der Einsatz einer derartigen Sonde sogar ausgeschlossen sein, da eine praktisch permanente Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen den beiden Leitern der Sonde auftritt, die darauf beruht, dass eine isolierende Schlackenschicht die Oberfläche der feuerfesten Ziegel bedeckt.
• Ausserdem beschreibt die Veröffentlichung US-A-5158366 ein Verfahren zur Messung der Erosion eines feuerfesten Materials mittels eines Fühlers, der elektrische Leiter aufweist, die durch eine Substanz voneinander getrennt sind, deren elektrischer Isolationswiderstand sich ändert, wenn der Fühler auf eine höhere Temperatur gebracht wird, die eine Abnutzung des feuerfesten Materials darstellt, in das der Fühler eingesetzt ist. Die Feststellung einer Abnutzung ist damit indirekt und resultiert nur aus der Messung einer Änderung, als Funktion der Temperatur, des Isolationswiderstandes der Sonde.
• Die Veröffentlichung JP-A-62080216 beschreibt ein Verfahren zur Feststellung der Abnutzung einer feuerfesten Beschichtung durch Messung einer Änderung des Widerstandes wenn das Ende eines in die Beschichtung eingesetzten Thermoelementes in Berührung kommt mit dem im Behälter vorhandenen flüssigen Metall als Folge einer Abnutzung der Beschichtung. Diese plötzliche Änderung löst einen Alarm aus, ohne dass die Abnutzung kontinuierlich ermittelt werden kann.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und insbesondere, eine zuverlässige Messonde zu schaffen, die selbst in schwer zugänglichen Stellen leicht einsetzbar ist und die ausserdem genauere Messergebnisse liefert. In einem Ausführungsbeispiel zielt sie darauf ab, die Messung de Abnutzung eines feuerfesten Materials auch in dem Fall zu ermöglichen, in dem die Innenfläche der Beschichtung mit einer isolierenden Schicht bedeckt ist. In einem anderen Ausführungsbeispiel zielt sie ferner darauf ab, eine Messung der Temperatur auf Höhe der Fläche der Wand zu ermöglichen, in die die Sonde eingesetzt ist.
• Im Hinblick darauf betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Abnutzung der Wand eines metallurgischen Behälters, mit:
• - einer Sonde, die wenigstens zwei elektrisch leitende Teile aufweist, die im wesentlichen parallel und in einem geringen Abstand voneinander angeordnet sind,
• - einer rohrförmigen Hülle, die eines der beiden Teile darstellen kann und in der das oder die beiden anderen Teile angeordnet sind, die voneinander und von der Hülle durch ein isolierendes feuerfestes Material isoliert sind, wobei die Sonde derart ausgelegt ist, das sie in Querrichtung in die Wand einsetzbar ist und wobei jeweils ein Ende der beiden Teile im wesentlichen mit der
• Innenfläche der Wand fluchtet und
• - einer Anordnung zur Messung, die mit den gegenüberliegenden Enden der beiden Teile verbünden ist zur Messung einer elektrischen Eigenschaft, die von der Länge der Teile abhängt;
• sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde einen Durchmesser von weniger als 1 mm aufweist, der durch einen Gesamtziehvorgang der verschiedenen sie bildenden Teile erhalten wird, nachdem die Teile zu einer Zwischenform zusammengebaut worden sind, deren Querschnitt grösser als derjenige des endgültigen Querschnitts ist.
• Vorzugsweise beträgt der Durchmesser weniger als 0,5 mm und ist insbesondere kleiner oder gleich 0,2 mm.
• Die erfindunggemässe Sonde weist damit einen Durchmesser auf, der erheblich geringer ist als derjenige der bekannten Sonden, wodurch ihr Einsetzen an schwer zugänglichen Stellen erleichtert wird.
• Gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich insbesondere für die Messung der Abnutzung von Rohren eignet, besteht wenigstens eines der beiden Teile aus einem Material mit erhöhter Resistivität, während die Anordnung zur Messung eine Anordnung zur Messung des elektrischen Widerstandes ist zur Messung des Widerstandes des Kreises, der durch diese Teile gebildet wird und der auf Höhe der ersten Enden durch das im Behälter vorhandene Metall geschlossen wird. Der Ausdruck erhöhte Resistivität bedeutet, dass die Resistivität des Materials ausreichen muss damit die Änderungen der Länge der Leiter zu deutlichen und mit ausreichender Präzision messbaren Änderungen des elektrischen Widerstandes führen.
• Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das allgemeine Messprinzip ähnlich demjenigen, das weiter oben im Zusammenhang mit den bekannten Systemen beschrieben wurde. Der wesentliche Vorteil der Erfindung resultiert aus dem geringen Abstand zwischen den Leitern, woduch eine gute Kontinuität des Kreises auf Höhe der mit dem geschmolzenen Metall in Berührung stehenden Enden der Leiter gewährleistet ist
• Die Erfindung betrifft ausserdem ein Verfahren zur kontinuierlichen Messung der Abnutzung der Wand eines metallurgischen Behälters unter Verwendung des obigen Ausführungsbeispiels, wie es im Anspruch 8 beschrieben ist.
• Das Material mit erhöhter Resisitivität wird derart gewählt, dass nach dem Ziehvorgang die elektrischen Eigenschaften über die gesamte Länge des aus diesem Material gefertigten Bauteils im wesentlichen konstant sind. Mit anderen Worten wird ein Material gewählt dessen mechanische Eigenschaften vorteilhaft sind im Hinblick auf eine homogene Verformung durch das Ziehen, beispielsweise Chromel oder Alumel, wobei dieses Material im übrigen bekanntlich für die Herstellung von Thermoelementen Verwendung findet.
• Vorzugsweise werden die die leitenden Teile bildenden Materialien ausgewählt aus Materialien mit im wesentlichen konstanter Resistivität als Funktion der Temperatur oder zumindest aus solchen die keine grosse Änderung in dem für die Anwendung der Erfindung in Frage kommenden Temperaturbereich erleiden. In diesem Zusammenhang sei betont, dass für die vorgesehene besondere Anordnung, nämlich die Messung der Abnutzung von Rohren für Konverter, die Temperatur auf Höhe der mit dem geschmolzenen Metall in Berührung stehenden Oberflache zwar sehr gross ist und in der Grössenordnung von 1300 bis 1500 Grad C liegt, jedoch sehr schnell in Richtung der Dicke der feuerfesten Beschichtung abnimmt und bereits einige Millimeter von der Oberfläche entfernt nur noch in der Grössenordnung von 500 Grad C liegt. Ausserdem wird die Sonde in unmittelbarer Nähe der Durchlässe für das eingeführte Fluid eingesetzt, sodass sie durch dieses Fluid heftig gekühlt wird.
• Die Auswahl des Materials für das Widerstandsteil stellt ganz allgemein einen Kompromiss dar im Hinblick auf einerseits eine Optimierung der gewünschten elektrischen Eigenschaften zur Erzielung eines ausreichend grossen linearen Widerstandes in der Grössenordnung von 40 bis 120 Ohm pro Meter, oder mehr, und einem kleinen Koeffizienten der Änderung der Resistivität als Funktion der Temperatur, sowie andererseits der mechanischen Eigenschaften, die für die Verformung für den Ziehvorgang wesentlich sind. Es kann zum Beispiel, wie weiter oben erwähnt, ein leitendes Teil aus Chromel oder Alumel verwendet werden, oder auch aus einer silizierten Molybdänstahllegierung, die vorteilhaft ist im Hinblick auf ihre elektrischen Eigenschaften, insbesondere im Hinblick auf ihre geringe Änderung der Resistivität als Funktion der Temperatur.
• Die rohrförmige Hülle besteht aus einem Metall, das im wesentlichen eine gute mechanische Festigkeit aufweist, zum Beispiel aus Stahl oder InconelTM. Es sei betont, dass, wie im folgenden noch ausgeführt werden wird, das Material für die Hülle auch als Funktion der elektrischen Eigenschaften ausgewählt werden kann, entweder um einen Rückleiter mit vernachlässigbarem Widerstand zu bilden oder um ein Widerstandsteil zu bilden, das Bestandteil des Messkreises ist.
• Gemäss einer besonderen Ausgestaltung werden die Materialien für die leitenden Teile, die die Bestandteile des Messkreises bilden, derart gewählt, dass der Effekt des Thermoelementes auf Höhe der Enden, die mit dem im Behälter vorhandenen geschmolzenen Metall in Berührung stehen, möglichst vermieden wird. In der Tat tritt an dieser Stelle eine Verbindung zwischen den leitenden Teilen auf, die notwendigerweise leitend sein muss um den Messkreis für den Widerstand zu schliessen und damit die Änderungen der Länge der leitenden Teile ableiten zu können. Theoretisch erfolgt diese Verbindung einfach durch das geschmolzene Metall im Behälter. Praktisch besteht jedoch ein mehr oder minder teigförmiger und zäher Bereich, der aus der Kombination der Abnutzung, dem Abschmelzen der Leiter und der Abkühlung durch die durch die Rohre eingeblasenen Gase resultiert, wobei dieser Bereich die direkte Verbindung zwischen den beiden leitenden Teilen herstellt. Um jegliche Störung der Messung zu vermeiden durch einen auf dieser Verbindung beruhenden thermoelektrischen Effekt, dürfen die vorhandenen Metalle nur in geringst möglicher Weise eine auf dem Seebeck-Effekt beruhende elektromotorische Kraft erzeugen, sodass die Messung des Widerstandes in bestmöglicher Weise die Ermittlung der Länge der Leiter ermöglicht.
• Gemäss einer anderen Ausgestaltung wird hingegen ein Materialpaar verwendet, das in der Lage ist, eine thermisch bedingte elektromotorische Kraft zu erzeugen, wobei der Verbindungsbereich zwischen den Enden der leitenden Teile das heisse Ende eines herkömmlichen Thermoelementes bildet. Dies ermöglicht zwar nicht die genaue Messung der Temperatur, jedoch zumindest eine gute Annäherung an diese mit der Möglichkeit, die Werte der festgestellten Längen zu korrigieren unter Berücksichtigung der Änderungen der Resistivität der leitenden Teile als Funktion der Temperatur. In diesem Fall wird also die Sonde verwendet um abwechselnd und regelmässig Messungen der Temperatur und des Widerstandes durchzuführen, wobei die Ergebnisse der Messung der Temperatur dazu dienen, eine direkte Korrektur der Messung des Widerstandes vorzunehmen unter Berücksichtigung des im Messkreis, dessen Widerstand gemessen wird, vorhandenen Spannungserzeugers, der aus dem heissen Ende des Thermoelementes besteht, wobei ausserdem der berechnete Wert der Länge korrigiert wird unter Berücksichtigung eventuell auftretender Änderungen der Resistivität.
• Gemäss dem zweiten Ausführungsbeispiel, das insbesondere Verwendung findet in dem Fall, in dem die Verbindung zwischen den Enden der beiden Leiter nicht in zuverlässiger Weise hergestellt werden kann, weist die Messanordnung eine Anordnung zur Messung der elektrischen Kapazität zwischen den beiden Leitern auf. In diesem Fall bewirkt eine. Abnutzung des feuerfesten Materials eine Verringerung der Länge der Leiter und damit eine Änderung der elektrischen Kapazität zwischen den beiden Leitern, die benachbart zueinander angeordnet sind. Es sei betont, dass auch hierbei der geringe Durchmesser der Sonde besonders vorteilhaft ist, da ein sehr geringer Abstand zwischen den Leitern eingehalten werden kann, sodass eine leichte Feststellung der Änderungen der Kapazität ermöglicht wird.
• Der feuerfeste Isolator ist vorzugsweise ein Pulver aus Magnesiumoxyd, das während der Verringerung des Durchmessers durch den Ziehvorgang verdichtet wird. Es sei betont, dass in der bekannten, oben erwähnten Sonde der Isolator aus einer Hülle aus Aluminiumoxyd besteht in Gestalt einer feinen Kapillare, die zerbrechlich und schwer herstellbar ist.
• Der Aufbau der erfindungsgemässen Sonde ermöglicht sowohl den Erhalt eines Durchmessers, der geringer als 0,5 mm sein kann, als auch eine erhebliche Vereinfachung ihrer Herstellung und ihrer Verwendung, insbesondere die Herstellung von Sonden mit mehreren Meter Länge, die selbst an schwer zugänglichen Stellen leicht einsetzbar sind.
• Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel besteht darin, als Sonde ein Thermoelement zu verwenden, zum Beispiel aus Chromel-Alumel, wie es bereits kommerziell erhältlich ist, mit grosser Länge und geringem Durchmesser, der bis 0,2 mm heruntergehen kann. Damit steht eine Sonde zur Verfügung, die zwei leitende Widerstandsteile aufweist im Inneren einer Hülle, die als drittes Teil im Messkreis dienen kann, sodass verschiedene Einsatzmöglichkeiten der Vorrichtung zur Verfügung stehen, wie sie im Zusammenhang mit der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben werden, wobei besondere Eigenschaften und Vorteile hervortreten.
• In der beigefügten Zeichnung bedeuten:
• - Fig. 1 eine herkömmliche Anordnung zur Messung der Abnutzung einer Wand, wobei die Sonde in die feuerfeste Beschichtung eines metallurgischen Reaktors eingesetzt ist auf Höhe des Rohres zum Einblasen von Gas
• - Fig. 2 eine vergrösserte Darstellung des in Fig. 1 mit A bezeichneten Bereichs mit dem Ende der Sonde, das das flüssige Metall berührt und mit der elektrischen Verbindung zwischen den Enden der Leiter mittels des geschmolzenen Metalls im Reaktor
• - Fig. 3 eine vergrösserte Teilansicht der Sonde
• - Fig. 4 eine schematische Darstellung von Sonde und Messgeräten gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung unter Verwendung einer Messung des Widerstandes
• - Fig. 5 eine Variante dieses Ausführungsbeispiels und
• - Fig. 6 die Vorrichtung und das Messprinzip gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel unter Verwendung einer Messung der Kapazität.
• Fig. 1 zeigt schematisch die Bodenwand 1 eines metallurgischen Reaktors, zum Beispiel eines Stahlkonverters, in dem geschmolzenes Metall 2 vorhanden ist. Die Wand 1 besteht aus einem metallischen Unterbau 3, der innen mit einer Schicht 4 aus feuerfestem Material beschichtet ist, deren Oberfläche 5 mit dem flüssigen Metall in Verbindung steht. Die Wand 1 ist mit einer Vielzahl von Rohren 6 versehen zum Einblasen von Behandlungsfluiden in das Metall, zum Beispiel Sauerstoff oder ein anderes Gas.
• Ein derartiges Rohr weist in herkömmliche Weise ein oder mehrere konzentrische Rohrstücke 7, 8 auf, die im Inneren des Behälters im wesentlichen auf Höhe der inneren Oberfläche 5 des feuerfesten Materials 4 münden.
• In bekannter Weise ist die Sonde 9 parallel zum Rohrstück angeordnet, vorzugsweise in dessen Inneren in einer Nut, die zu diesem Zweck im äusseren Rohrstück 7 vorgesehen sein kann. Die Sonde erstreckt sich über die gesamte Länge des Rohrstücks, oder wenigstens über die gesamte nutzbare Länge, d.h. von der inneren Oberfläche 5 bis zum Äusseren des Behälters, wo sie mit einer Messanordnung 10 verbunden ist.
• Fig. 2 zeigt eine Einzelheit in stark vergössertem Masstab, und zwar das Ende einer Sonde, die mit der inneren Oberfläche 5 der feuerfesten Beschichtung 4 fluchtet, nachdem diese und das Rohrstück einer gewissen Erosion unterworfen worden sind, die zu einer Verringerung der Länge der Sonde geführt hat. Mit 14 sind in dieser Figur die Strompfade bezeichnet, die die elektrische Verbindung zwischen den Enden des Mittenleiters 11 und dem äusseren Rohrstück 13 der Sonde über das geschmolzene Metall 2 gewährleisten, wobei zwischen ihnen ein Isolator 12 angeordnet ist. In bekannter Weise kann dadurch mit Hilfe der Messanordnung 10 der Widerstand des Kreises gemessen werden, der durch den Mittenleiter 11 und das Rohrstück 11 gebildet wird, sodass ihre Länge berechnet werden kann
• Die beschriebenen Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die Erfindung lässt sich in ihrem ersten Ausführungsbeispiel auf diese Vorrichtungen anwenden. Es sei dabei betont, dass die oben erwähnte Nut für die Positionierung der Sonde nicht unbedingt erforderlich ist, sofern der Durchmesser der Sonde gemäss der Erfindung ausreichend klein ist und insbesondere geringer als 0,5 mm ist.
• Gemäss dem in Fig. 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die erfindungsgemässe Sonde 19 aus einem herkömmlichen Thermoelement vom Typ Chromel- Alumel, das mit Durchmessern von nicht mehr als 0,5 mm und in grossen Längen von mehreren Metern im Handel erhältlich ist. Dieses Thermoelement weist eine rohrförmige Hülle 23, beispielsweise aus Stahl, auf, in deren Inneren die beiden das Thermoelement bildenden Drähte 20,21 parallel zueinander angeordnet sind, welche voneinander und von der Hülle 23 durch einen feuerfesten Isolator, wie pulverisiertes Aluminiumoxyd, isoliert sind. In bekannter Weise wird ein derartiges Thermoelement dadurch hergestellt, dass die verschiedenen oben aufgezählten Bauteile zusammengefügt werden wobei sie einen erheblich grösseren Querschnitt aufweisen als das fertige Thermoelement, um so die Relativpositionierung der Drähte und der Hülle zueinander zuermöglichen, mit einem Abstand der im wesentlichen über die gesamte Länge konstant ist. Danach wird die Anordnung einem Ziehvorgang unterworfen, der den Querschnitt verringert bis zum Erhalt des gewünschten Durchmessers für die Hülle, wobei die Leiter mitgezogen werden und einer dementsprechenden Querschnittsverringerung unterworfen werden unter Beibehaltung der durch das isolierende feuerfeste Pulver gewährleisteten Isolation zwischen den Leitern und der Hülle.
• In Fig. 3 ist die Sonde in ihrem Neuzustand dargestellt, d.h. vor jeglicher Abnutzung. Die Enden der Drähte sind durch eine Schweisstelle 25 verbunden, die die herkömmliche heisse Stelle des Thermoelementes bildet, während die Hülle 23 an ihrem der Schweisstelle 25 benachbarten Ende 26 geschlossen ist. Die Sonde ist damit wie die Sonde 9 nach Fig. 1 einsatzbereit.
• Fig. 4 zeigt schematisch die Vorrichtung zur Messung in einer ersten Variante des ersten Ausführungsbeispiels. Die beiden Drähte 20 und 21 der Sonde sind mit dem Messgerät verbunden. Dieses dient zur Messung des Widerstandes des elektrischen Kreises, der hauptsächlich die beiden Drähte 20,21 aufweist, deren Enden 25' in Reihe mit dem geschmolzenen im Behälter vorhandenen Metall verbunden sind. Nach einer gewissen Abnutzung mit dementsprechender Abnutzung der feuerfesten Beschichtung 4 und des Rohrstücks 6 ist das Ende 26 der Sonde verschwunden, sodass die Hülle 23 und die beiden Drähte 20,21 mit der inneren Oberfläche 5 der Wand fluchten und dabei das geschmolzene Metall 2 berühren, ähnlich wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Es sei hier jedoch betont, dass, im Gegensatz zu Fig. 2, die beiden Drähte 20,21 sehr nahe beieinander liegen, sodass in der Tat keine Strompfade mehr im geschmolzenen Metall vorhanden sind, sondern zwischen den Enden der beiden Drähte eine Verbindung 25' besteht aus mehr oder minder teigförmigem Metall, die die Kontinuität der elektrischen Verbindung zwischen den beiden Drähten gewährleistet. Diese Verbindung regeneriert sich automatisch während der Abnutzung durch entsprechende Ablagerung von geschmolzenem Metall bei Berührung der feuerfesten Beschichtung oder der Rohrstücke, die die Sonde umgeben. Ausser der Gewährleistung der Kontinuität der elektrischen Verbindung dient die Verbindung 25' auch dazu, die ursprüngliche heisse Stelle 25 des Thermoelementes zu ersetzen und damit eine äquivalente Funktion zu erfüllen, nämlich, wenn sie schon nicht eine genaue Messung der Temperatur ermöglicht, so doch wenigstens einen Hinweis zu liefern, der dazu verwendet werden kann, um die Werte der gemessen Widerstände zu korrigieren unter Berücksichtigung eventuell auftretender Variationen der Resistivität des oder der Drähte als Funktion der Temperatur.
• Das Messgerät 10 in Fig. 4 enthält, schematisch dargestellt, einen Stromgenerator 101 und ein Voltmeter 102.
• Die Messung der Spannung V bei konstant gehaltener Intensität I ermöglicht es, den Widerstand R oder die Änderungen des Widerstandes zu berechnen und damit die Länge oder die Änderungen der Länge der Drähte 20 und 21 gemäss R = V/I.
• Durch Absenken der vom Stromgenerator 101 abgegebenen Intensität I auf Null arbeitet das Messgerät wie ein gewöhnliches Thermoelement und erzeugt dabei einen Spannungswert VT, der repräsentativ ist für die Temperatur auf Höhe der Enden der Drähte 20,21.
• Durch zeitlich abwechselnde Messungen einmal mit einer vorgegebenen Intensität I und einmal mit I = 0 kann also zum einen die Messung des Widerstandes korrigiert werden um die Änderungen der Resistivität als Funktion der geschätzten Temperatur zu berücksichtigen, wie oben ausgeführt, und zum anderen der Wert der bei einem erzeugten Strom I gemessenen Spannung V korrigiert werden um die elektromotorische Kraft zu berücksichtigen, die durch den Seebeck-Effekt auf Höhe der Verbindung 25' auftritt.
• Eine derartige Vorrichtung, die zugleich eine Sonde für die Länge und ein Fühler für die Temperatur ist, weist eine Betriebsspanne der Temperatur zwischen 0 und 1370ºC auf, womit weitestgehend den herkömmlichen Ansprüchen auf dem Gebiet der Eisenverarbeitung Genüge getan wird, wie es durch die Erfindung angestrebt wird. Bei einem herkömmliche Thermoelement aus Chromel/Alumel beträgt der lineare Widerstand der Anordnung aus den beiden Drähten grössenordnungsmässig 120 Ohm/m.
• Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel das ebenfalls als Sonde ein Thermoelement mit geringem Durchmesser verwendet, das sich jedoch durch den Aufbau des Messgerätes 10' und durch seine Verbindung mit der Sonde unterscheidet.
• Bei dieser Variante sind die beiden Drähte 20,21 des Thermoelementes und die Hülle 23 mit dem Messgerät verbunden. Ein Stromgenerator 111 und ein erstes Voltmeter sind mit einem der Drähte 21 und mit der Hülle 23 verbunden und ermöglichen die Messung des Widerstandes des Kreises, der durch diesen Draht 21 und die Hülle 23 gebildet wird, deren Enden elektrisch über das geschmolzene Metall oder durch die Verbindung aus mehr oder minder erstarrtem Metall miteinander verbunden sind, das sich zwischen dem Draht und der Hülle befindet. Ein zweites Voltmeter 113 ist mit den beiden Drähten 20,21 verbunden und ermöglicht die Entwicklung der Temperatur auf Höhe der heissen Stelle 25' zu ermitteln um die Messung des Widerstandes zu korrigieren, wie oben ausgeführt.
• Eine Verbindungsanordnung, zum Beispiel ein Doppelschalter 114 ermöglicht es, zeitweise die beiden Drähte 20,21 kurzzuschliessen. In diesem Fall wird der Widerstand eines Kreises gemessen, der aus der Hülle 23 und den parallel geschalteten Drähten 20,21 besteht, wodurch jeglicher störender Einfluss des Effektes des Thermoelementes während der Messung des Widerstandes vermieden wird. Es wird jedoch die Möglichkeit der Korrektur der Messung des Widerstandes beibehalten um mögliche Änderungen der Resistivität der Leiter als Funktion der Temperatur zu berücksichtigen, die gemessen wird, während der Schalter geöffnet ist.
• In Fig. 5 ist ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem an Stelle der Hülle 23 als Teil des Messkreises für den Widerstand ein leitender Körper 27 verwendet wird, beispielsweise ein Rohr aus einer Kupferlegierung, das das Rohrstück 6 bildet. Der leitende Körper stellt einen Rückleiter dar, der mit dem Messgerät über eine Kabel 28 verbunden ist, das in der Figur punktiert dargestellt ist, an Stelle des Kabels 29, das die Hülle mit dem Thermoelement verbindet. Diese Variante kann auch in dem oben erwähnten Fall verwendet werden, in dem die beiden Drähte 20 und 21 miteinander auf der Seite des Messgerätes verbunden sind. Durch Verbindung der Enden der beiden Drähte 20 und 21 mit dem äusseren Ende des Thermoelementes erhält man eine sehr einfache Anordnung, in der der Doppelschalter 114 entfallen kann sowie das Voltmeter 113 und das Verbindungskabel 29.
• Ein besonderer Vorteil der Verwendung eines Thermoelementes als Messonde liegt in den geringen Kosten sowie in der Möglichkeit, Messungen nach den verschiedenen oben erwähnten Arten durchzuführen. Es ist ferner auch möglich, eine Sonde mit einem einzigen Mittenleiter zu verwenden, der in der Hülle angeordnet ist und von dieser durch einen pulverförmigen Isolator isoliert ist, wie zum Beispiel pulverförmiges Aluminiumoxyd, das während des Ziehvorgangs bei der Herstellung der Sonde verdichtet wird, wie oben ausgeführt. Es sei ferner betont, dass das leitende Widerstandsteil der Sonde nicht notwendigerweise der Mittenleiter sein muss, sondern dass stattdessen die rohrförmige Hülle aus einem Material bestehen kann, dessen elektrische Resistivität nicht vernachlässigbar ist und das damit in erheblicher Weise zur Änderung des Widerstandes beiträgt während der Abnutzung und der daraus resultierenden Verringerung der Länge der Hülle.
• Fig. 6 zeigt ein zweite4s Ausführungsbeispiel der Erfindung, das insbesondere dazu dient, die Abnutzung der feuerfesten Beschichtung in Bereichen zu messen, in denen keine elektrische Verbindung zwischen den Enden der Drähte oder Leiter der Sonde möglich ist, zum Beispiel in Wandbereichen, die schnell mit einer isolierenden Schlackeschicht S' bedeckt sind, die in dem Masse der Abnutzung der Beschicht kontinuierlich erneuert wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Drähte des Thermoelementes, die die Sonde bilden, miteinander und mit einem Signalverarbeitungskreis 30 verbunden, der wiederum mit einem Rechner 31 zur Ermittlung der Länge der Sonde und damit der Dicke der feuerfesten Beschichtung verbunden ist.
• Der Kreis 30 enthält zwei MOS-Transistoren 32, 33, deren einer Anschluss mit einer gemeinsamen Stelle 34 verbunden ist, mit der die Drähte des Thermoelementes verbunden sind. Ein zweiter Anschluss des Transistors 32 ist mit einer Spannungsquelle V1 verbunden und der zweite Anschluss des Transistors 33 ist mit dem Rechner 31 verbunden. Ein Zeitschaltkreis, der ein Zeitsignal zum Beispiel bei 20 MHz liefert, steuert die beiden Transistoren derart, dass die durch die Drähte des Thermoelementes und die Hülle gebildete Kapazität abwechselnd mit der Spannung V1 durch den Transistor 32 geladen und in Richtung Rechnerkreis durch den Transistor 33 mit der Spannung V2 entladen wird. Der hierdurch gebildete Kondensator, der abwechselnd mit den Potentialen der Spannungen V1 und V2 beaufschlagt wird, verhält sich in gewisser Weise wie ein äquivalenter Widerstand in dem von V1 zu V2 umschaltenden Kreis, dessen Wert gleich R = I/(C x fh) ist, wobei C die Kapazität der Sonde ist und fh die Frequenz des Zeitschaltkreises 35 ist. Die vom Rechner 31 durchgeführte Messung dieses Widerstandes, oder genauer gesagt des in diesem Kreis fliessenden Stromes, ermöglicht es, die Kapazität der Sonde abzuleiten unter der Annahme, dass der elektrische Widerstand zwischen den beiden Drähten des Thermoelementes und der Hülle unendlich ist. Daraus lässt sich wiederum nach einer Eichung die Länge der Sonde und damit die Dicke der feuerfesten Beschichtung 4 berechnen. Beispielsweise beträgt für einen gemessenen äquivalenten Widerstand von 50 Ohm und einer Zeitfrequenz von 20 MHz die Kapazität 1 nF.
• Ein besonderer Vorteil der Sonde mit geringem Durchmesser besteht bei diesem Ausführungsbeispiel darin, dass der geringe Spalt zwischen den leitenden Bauteilen der gemessenen Kapazität es ermöglicht, ihren Wert entsprechend zu erhöhen.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Abnutzung einer Wand (1) eines metallurgischen Behälters, mit

- einer Sonde (19), die wenigstens zwei elektrisch leitende Teile (20,21;23) aufweist, die im wesentlichen in einem geringen Abstand voneinander parallel zueinander angeordnet sind, sowie eine rohrförmige Hülle (23) aufweist, die eines der Teile bilden kann, wobei das oder die beiden anderen Teile durch einen feuerfesten Isolator (24) voneinander und von der Hülle isoliert sind und wobei die Sonde dazu dient, in Querrichtung in die Wand eingesetzt zu werden, sodass die beiden Teile mit ihrem jeweils ersten Ende mit der Innenfläche (5) der Wand fluchten und mit

- einer Anordnung zur Messung (10,10'), die mit den gegenüberliegenden Enden der Teile verbunden ist um eine elektrische Eigenschaft des durch die Teile gebildeten Kreises zu messen, die von der Länge der Teile abhängt

dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Sonde weniger als 1 mm beträgt und erhalten wird durch einen Gesamtziehvorgang der sie bildenden Bauteile, nachdem diese Bauteile zu einer Zwischenform zusammengefügt wurden, deren Querschnitt grösser als der endgültige Querschnitt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Sonde weniger als 0,5 mm beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der beiden Teile (20,21) aus einem Material besteht mit einer erhöhten Resistivität, die so gross ist, dass die Änderungen der Länge der Teile zu deutlichen und messbaren Änderungen des elektrischen Widerstandes führen und dass die Anordnung zur Messung eine Anordnung zur Messung des elektrischen Widerstandes ist, die mit den entgegengesetzten Enden der Teile verbunden ist zur Messung des Widerstandes des Kreises, der durch die Teile gebildet wird und auf Höhe der ersten Enden (25') durch das im Behälter vorhandene Metall geschlossen wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde aus einem Thermoelement besteht, dessen beide Drähte (20,21) die beiden leitenden Teile bilden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde aus einem Thermoelement (19) besteht und dass die Anordnung zur Messung des Widerstandes zwischen die Drähte (20,21) und die Hülle (23) des Thermoelementes geschaltet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Messung (10') eine Verbindungsanordnung (114) aufweist um die beiden Drähte des Thermoelementes zeitweise zu verbinden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Messung eine Anordnung zur Messung (30,31) der Kapazität zwischen den leitenden Teilen der Sonde aufweist.

8. Verfahren zur kontinuierlichen Messung der Abnutzung einer Wand (1) eines metallurgischen Behälters, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung nach Anspruch 3 verwendet wird, bei der die Sonde aus einem Thermoelement besteht und dass Messungen durchgeführt werden des Widerstandes des Kreises, der wenigstens einen der beiden Drähte (20,21) des Thermoelementes enthält sowie Messungen der elektromotorischen Kraft, die durch die Verbindung der Enden dieser beiden Drähte bei Berührung mit dem im Behälter vorhandenen flüssigen Metall (2) erzeugt wird und dass die Werte für den Widerstand als Funktion des Wertes für die elektromotorische Kraft korrigiert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Messung des Widerstandes mit den beiden Drähten des Thermoelementes verbunden wird und dass abwechselnd Messungen des Widerstandes des durch die beiden Drähte (20,21) des Thermoelementes gebildeten Kreises und der elektromotorischen Kraft durchgeführt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Messungen des Widerstandes des durch wenigstens einen (21) der beiden Drähte des Thermoelementes und die Hülle (23) gebildeten Kreises sowie Messungen der elektromotorischen Kraft durchgeführt werden.