Einsatz von Hochtemperatursensoren in der Pyrometallurgie

Inhaltsverzeichnis

Im weitesten Sinne bezieht sich Metallurgie auf die Prozesse, mit denen Metalle aus ihren Erzen (oder recycelten Materialien) gewonnen und für die Verwendung in der Metallproduktion und -raffination vorbereitet werden. Pyrometallurgie ist der Begriff für Prozesse, bei denen extrem hohe Hitze verwendet wird, um die Metalle durch Schmelzen zu extrahieren, gefolgt von Feuerraffination und möglicherweise Gießen. In einigen Fällen, wie beispielsweise bei der Aluminiumgewinnung, ist Elektrolyse (Elektrometallurgie) als letzter Schritt erforderlich.

Diese Prozesse beinhalten alle eine Temperaturkontrolle für geschmolzene (flüssige) Metalle, die grob in drei Kategorien unterteilt werden:

  • Eisen (Eisenmetalle)
  • Stahl
  • Nichteisenmetalle (Aluminium, Kupfer, Blei, Nickel, Zinn, Titan und Zink sowie Kupferlegierungen wie Messing und Bronze).

Um die Produktqualität und die Anlagenproduktivität sicherzustellen, müssen Metallherstellungs- und Recyclinganlagen das geschmolzene Metall innerhalb exakter Temperaturgrenzen halten, bevor die Schmelze raffiniert und gegossen werden kann. Dies ist unerlässlich, um verschiedene Prozessprobleme zu vermeiden, zum Beispiel: Eine zu niedrige Temperatur kann zu Gussproblemen führen, während zu hohe Temperaturen zusätzliche Energiekosten verursachen. Die Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der Temperaturmessung von geschmolzenem Metall ist daher ein wesentlicher Bestandteil der Pyrometallurgie und bestimmt letztendlich die Qualität des Endprodukts.

Auf dieser Seite sehen wir uns an, wie Kamets (Ultra-)Hochtemperatur-Thermoelemente, auch als exotische Thermoelemente bekannt, als metallurgische Thermometer verwendet werden können. Ihre Funktion besteht darin, die Schmelz-, Raffinations- und Gussprozesse in großen Raffinerien oder Produktionsanlagen oder beispielsweise im Rahmen von Forschungs- oder Recyclinganwendungen zu überwachen und zu steuern.

Welche Hochtemperatur-Thermoelemente eignen sich am besten für die Pyrometallurgie?

Dies sind die Thermoelemente, die am häufigsten in Anwendungen mit geschmolzenem Metall wie Gießereien und Stahlwerken verwendet werden:

TypPositiver
Schenkel
Negativer
Schenkel
TemperaturbereichAnwendung
Typ KNiCrNi-270 bis 1260 °CGeeignet für den etwas niedrigeren Schmelzpunkt von Kupfer und Stahl. Hält auch der rauen Umgebung von Aluminiumschmelzöfen und geschmolzenen Elektrolytbädern stand.
Typ NNiCrSilNiSil-270 °C bis 1260 °CHält extremer Hitze stand und ermöglicht zuverlässige Messungen in der rauen Umgebung von Öfen. Hervorragende Genauigkeit und thermoelektrische Stabilität, insbesondere bei Temperaturen über 900 °C.
Typ SPt10%RhPt0 °C bis 1450 °CÜberwachen und regeln Sie die Temperaturen in Warmhalteöfen während des Schmelzens und Gießens von Metall. Wird häufig für Stahl-, Aluminium- und Zinkschmelzen verwendet. Typ S bietet relativ langfristige Stabilität und Genauigkeit in rauen Umgebungen. Hinweis: Die Ausgangsspannungen für den Dauerbetrieb sind nur bis etwa 1300 °C stabil      
Typ RPt13%RhPt0°C bis 1450°CSehr ähnlich zu Typ S, jedoch aufgrund des höheren Rhodiumanteils etwas stabiler. Es ist zu beachten, dass ein wesentlicher Unterschied zwischen S- und R-Thermoelementen darin besteht, dass Typ R einen um etwa 12 % höheren Temperaturgradienten (Seebeck-Koeffizient) aufweist als Typ S.

Die genaue Wahl des Thermoelements hängt von der jeweiligen Anwendungsumgebung, seiner Position, dem zu messenden Temperaturbereich und der Wahl der Kompensationsdrähte ab. Es ist wichtig, auch thermische und mechanische Belastungsfaktoren zu berücksichtigen.

Wenn Sie einen bestimmten Punkt im geschmolzenen Metall messen, kann ein kleineres Thermoelement ausreichen. Für eine breitere Abdeckung wählen Sie eine größere Größe. Unsere Ultrahochtemperatur-Thermoelemente (exotische Thermoelemente) sind in verschiedenen Längen, Durchmessern und Anschlüssen erhältlich. Verschiedene Thermoelementklassen eignen sich für lokale Instrumente und Konfigurationen.

Thermoelementposition in Metallschmelzöfen

Im Allgemeinen gibt es drei Optionen für die Thermoelementposition beim Schmelzen von Metall. Jede hat spezifische Vor- und Nachteile.

  1. Bei der einfachsten Konstruktion wird das Thermoelement in der Ofenkammer hinter dem Schmelztiegel platziert. Dies ermöglicht schnelle Aufheizzeiten, ist jedoch aufgrund der indirekten Temperaturmessung tendenziell nicht energieeffizient, da häufig höhere Temperaturen als erforderlich verwendet werden.
  2. Eine viel genauere Temperaturmessung erfolgt, wenn das Thermoelement direkt in das geschmolzene Metall gelegt wird (Tauchthermoelement). Aufgrund der extremen Bedingungen einer solchen Platzierung ist das Thermoelement jedoch anfälliger für Ausfälle und die Hüllen gelten als Einwegartikel, da sie nur einmal verwendet werden können.
  3. Das Thermoelement kann auch in einer Tasche in der Wand des Tiegels platziert werden (dafür ist ein speziell konstruierter Tiegel erforderlich). Dies ist nicht so genau wie ein Tauchthermoelement, es ist jedoch eine direktere Messung als die Platzierung in der Ofenkammer (1) und verlängert die Lebensdauer des Thermoelements im Vergleich zum Eintauchen (2).

Wenn möglich, bietet eine Kombination aus mindestens zwei dieser drei Positionen die genauesten Messwerte. Wenn ein Thermoelement ausfällt, sind immer noch Messwerte für das andere vorhanden.

Unabhängig davon, welche (Kombination von) Positionen gewählt wird, ist es sehr wichtig, eine geeignete elektrische Isolierung und eine gute Verbindung zwischen dem Thermoelement und dem Messgerät sicherzustellen.

Schutz des Thermoelements in der Pyrometallurgie

Bei metallurgischen Anwendungen ist es wichtig, die geeignete Baugruppe zum Schutz des Thermoelements zu berücksichtigen: Geschmolzene Metalle und Salze korrodieren ungeschützte Sensoren. Die Thermoelemente können auch durch Schlacken- oder Krätzeschichten sowie die rauchige, schmutzige Umgebung beeinträchtigt werden. Es besteht auch die Herausforderung, ein Gleichgewicht zwischen schnellerer Reaktionszeit (dünnere Ummantelung) und mehr Thermoelementschutz (dickere Wand) zu finden und gleichzeitig eine genaue und zuverlässige Messung sicherzustellen. Die diesbezügliche Entscheidung hängt von der Positionierung und Baugruppe des Thermoelements, der Art des zu messenden geschmolzenen Metalls sowie anderen Umgebungsfaktoren ab.

Bitte beachten Sie, dass für in der Pyrometallurgie verwendete Eintauchthermoelemente spezielle Gehäuse erforderlich sind, um den Sensor vor der Schmelze zu schützen. Dies kann auch für Thermoelemente der Fall sein, die Spritzern ausgesetzt sein könnten. Zu diesem Zweck hat Kamet die folgenden Optionen auf Lager:

Nitritgebundenes Siliziumkarbid (ohne Stahlinnenrohr)

Dieses Thermoelementgehäuse ist für Nichteisenmetallanwendungen bis 1500 °C geeignet. Bei Anwendungen mit geringem mechanischem Verschleiß ist das Lebensdauerpotenzial hervorragend, was sie zu einer sehr wirtschaftlichen Wahl macht. Einige der vorteilhaften Eigenschaften sind:

  • eine Reihe von Größen
  • langlebig
  • kein Vorwärmen erforderlich
  • hervorragende Erosionsbeständigkeit
  • gute Reaktionszeiten

Siliziumkarbid (mit Stahlinnenrohr)

Unsere Siliziumkarbidrohre sind für Messing- und Aluminiumschmelzöfen bis 1000 °C geeignet und schützen das Thermoelement nicht nur vor der hohen Hitze und den aggressiven Chemikalien im Rauch. Darüber hinaus bieten sie:

  • außergewöhnliche Wärmeschockbeständigkeit dank des hohen Graphit- und Siliziumkarbidgehalts (ca. 90 %)
  • können wiederholtem Eintauchen in geschmolzenes Aluminium standhalten, ohne zu reißen
  • sind in verschiedenen Durchmessern und Längen erhältlich
  • benötigen keine zusätzliche Beschichtung

Gusseisen

Die Thermoelement-Schutzrohre aus Gusseisen, erhältlich mit oder ohne Keramikbeschichtung, sind für den Einsatz in Umgebungen mit hohen Temperaturen und hohen mechanischen Belastungen konzipiert. Diese Rohre sind speziell für Anwendungen in Öfen zum Schmelzen von Metallen wie Aluminium, Magnesium und Zink konzipiert. Aufgrund ihres robusten Designs eignen sie sich auch für andere industrielle Anwendungen, bei denen Haltbarkeit und Temperaturbeständigkeit von entscheidender Bedeutung sind.

Sialon/Sylon

Dies ist eine Keramiklegierung und eine beliebte und bewährte Wahl in der Metallindustrie, insbesondere für Aluminium, Kupfer und Messing. Unsere Thermoelement-Schutzrohre aus diesem Material haben einige wichtige Eigenschaften:

  • hervorragende Wärmeleitfähigkeit
  • hohe Temperaturschockbeständigkeit
  • keine Erosion oder chemische Reaktion in Aluminiumschmelzen
  • geeignet zum Eintauchen sowie zur indirekten Temperaturmessung von geschmolzenem Metall
  • nicht benetzend

Wir bieten außerdem eine Reihe von Thermoelement-Ummantelungen für Hochtemperaturanwendungen an, von denen die folgenden auch in bestimmten pyrometallurgischen Anwendungen verwendet werden können (bitte beachten Sie, dass die Temperaturangaben nur Richtwerte sind und von den Anwendungsparametern abhängen):

  • 304 SS (900 °C)
  • 316 SS (900 °C) bietet eine bessere Korrosionsbeständigkeit als 304 SS
  • 310 SS (1500 °C) ist am besten für Metallschmelzen geeignet. Es verfügt über Eigenschaften wie Temperaturschockbeständigkeit, verunreinigt die Schmelze nicht und ist selbst in Aluminium-Lithium-Legierungen beständig gegen Zersetzung.
  • Haynes-Legierung 556 (1000°C) ist eine der wenigen Ummantelungen, die in geschmolzenem Zink überdauern können
  • Aluminiumoxid Al2O3 (1650°C)
  • INC600 (1175°C)
  • INC601 (1200°C)
  • Pyrosil D (1250°C)
  • Syalon/Sialon (bis zu 1400°C, je nach Typ)

Einige spezifische metallurgische Anwendungen unserer Thermoelemente

Aluminiumschmelzen

Die Aluminiumproduktion ist ein komplexer Prozess. Obwohl reines Aluminium (Al) ein in der Natur reichlich vorhandenes Element ist, ist es äußerst schwierig zu extrahieren, da es immer in Form von Salzen oder Oxiden an andere chemische Elemente gebunden ist. Ultrahochtemperatur-Thermoelemente spielen eine wichtige Rolle bei der Temperaturmessung und -kontrolle während der direkten Extraktion mit Aluminiumschmelzöfen. Die erforderlichen sehr hohen Temperaturen und der langwierige Prozess erfordern jedoch sehr spezialisierte und teure Geräte mit enormen Energiekosten.

Aus diesem Grund ist die Extraktion mithilfe einer chemischen Trennreaktion eine gängigere Methode, die durch Elektrolysetöpfe (auch Reduktionstöpfe genannt) erreicht wird. Dieser Hochtemperaturprozess (900 °C–1000 °C) wird von Computern gesteuert, die mit entfernten Hochtemperatur-Thermoelementen verbunden sind, um einen optimalen Betrieb des Elektrolysetopfs zu gewährleisten. Es ist eine anspruchsvolle Umgebung für Sensoren, da die Reduktion von oxidiertem Aluminiumoxid sehr aggressiv ist und das chemische Bad Thermoelemente schnell korrodieren lässt. Typ K ist für diesen Prozess am besten geeignet, insbesondere bei dicken Wänden mit mindestens 5,5 mm Außendurchmesser.

Das Recycling von Aluminiumschrott ist eine weitere Anwendung unserer exotischen Thermoelemente. Das Metall wird wieder eingeschmolzen, was viel billiger und energieeffizienter ist als die Herstellung von reinem Aluminium durch Elektrolyse oder Schmelzöfen. Tatsächlich erfordert das Recycling von Aluminiumschrott nur 5 % der Energie, die zur Gewinnung aus dem Roherz benötigt wird.

Thermoelemente sind in all diesen Aluminiumproduktionsprozessen extremen Umweltbedingungen ausgesetzt. Daher ist ein Schutzgehäuse erforderlich, wie beispielsweise unsere nitritgebundenen Siliziumkarbidrohre oder Syalonkeramiken.

Kupferschmelzen und -gewinnung

Die Kupferproduktion erfolgt normalerweise entweder im Batch-Schmelz- oder im Stranggussverfahren. Es ist der heißeste pyrometallurgische Prozess mit 1150 °C bis 1200 °C. In beiden Fällen spielen entweder Einweg-Hochtemperaturthermoelemente oder Thermoelemente mit kontinuierlichem Sensor eine wichtige Rolle, um sicherzustellen, dass die erforderlichen Temperaturen für geschmolzenes Kupfer während des gesamten Prozesses aufrechterhalten werden.

Insbesondere in der zweiten Phase der Umwandlung von Kupfer in seine endgültige Form, der sogenannten Kupferherstellung, besteht das Hauptziel darin, das ursprüngliche Kupferprodukt mithilfe sauerstoffreicher Luft in Blisterkupfer umzuwandeln, das nahezu reines Kupfer (99–99,5 % Kupfer) ist. Dieser Schritt umfasst bestimmte chemische Reaktionen, die viel Wärme freisetzen, wodurch der Prozess temperaturmäßig selbsterhaltend wird. Um die Temperatur konstant bei etwa 1250 °C zu halten, wird Altmetall oder recyceltes Kupfer hinzugefügt, das nicht erhitzt wurde (sogenannte Kaltladung).

Mit der Kupferverhüttung ist der Prozess der Ressourcenrückgewinnung aus Kupferschlacke verbunden. Kupferschlacke ist ein potenzieller Schadstoff, da Elemente allmählich in den Boden, das (Grund-)Wasser und die Luft sickern. Neuere Forschungen haben sich auf die Tatsache konzentriert, dass der Kupfer- und Eisengehalt von Kupferschlacke höher ist als der des Erzes. Die Verarbeitung dieser Schlacke zur Rückgewinnung von Ressourcen kann auf verschiedene Weise erfolgen, unter anderem durch Pyrometallurgie.

Für die bei der Kupfergewinnung eingesetzten Tauchthermoelemente bieten wir zwei Schutzgehäuseoptionen an: nitritgebundenes Siliziumkarbid oder Syalon-/Sialon-Rohre.

Stahlwerke

Roheisen wird in Stahl umgewandelt, indem Verunreinigungen wie Kohlenstoff und Schlacke entfernt werden, je nachdem, welche Stahlsorte hergestellt wird. Aufgrund der sehr hohen Temperaturen (bis zu 1600 °C) eignen sich unsere Rohre aus Siliziumkarbid (SIC) und Aluminiumoxid (A12O3) gut zum Schutz der Thermoelemente. Diese können in den folgenden Stahlgewinnungsprozessen eingesetzt werden:

  • Sauerstoffstahlherstellung: Geschmolzenes Roheisen wird in einem Sauerstoffkonverter durch Überblasen mit Sauerstoff in Stahl umgewandelt. Die Kenntnis der Temperatur ist wichtig für die Prozessoptimierung und zur Verlängerung der Lebensdauer der inneren Ofenauskleidung.
  • Hochöfen: Eine präzise Temperaturüberwachung und -regelung ist für eine effiziente Eisenproduktion und zur Optimierung des Prozesses entscheidend.
  • Ofenkuppeln: Teil des Hochofenprozesses. Erst wenn es auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wurde, wird es auf Wind gebracht.
  • Lichtbogenöfen: Diese nutzen elektrische Energie, um Stahl aus Schrott herzustellen. Thermoelemente sorgen für Effizienz und gleichmäßiges Schmelzen.
  • Strangguss: Geschmolzener Stahl wird zu einer halbfertigen Bramme verfestigt und dann im Fertigwalzwerk zum Gießen von Metallen in ununterbrochener Länge verwendet. Wie bei anderen Metallproduktionsmitteln muss die richtige Temperatur aufrechterhalten werden, um ein qualitativ hochwertiges Produkt (in diesem Fall Stahlbarren) herzustellen.
  • Weichgruben – das sind Öfen, in denen heiße Stahlbarren aufbewahrt werden, um ihre Temperatur vor der Weiterverarbeitung auszugleichen. Zur Überwachung des Temperaturausgleichsprozesses werden Ultrahochtemperatur-Thermoelemente benötigt.

Zinkpyrometallurgie

Der erste Schritt bei der Zinkherstellung ist das „Rösten“ des Zinksulfids bei hohen Temperaturen (860 °C und 960 °C), um es zu oxidieren und unreines Zinkoxid zu erzeugen, das auch als Zinkkalzinat bezeichnet wird. Hochöfen und Elektroöfen, wie sie zur Stahlgewinnung verwendet werden (siehe oben), können zur Zinkgewinnung verwendet werden, wobei Hochtemperatur-Thermoelemente eine wichtige Rolle bei der Messung und Prozesstemperaturregelung spielen. Die Temperatur der Öfen muss über dem Siedepunkt von Zink (906 °C) gehalten werden. Der zweite Schritt ist normalerweise eine Niedertemperaturelektrolyse zur Herstellung von Zinkkathoden.

Manchmal ist ein dritter Schritt erforderlich: Schmelzen und Gießen. Das Schmelzen von Zink ist aufgrund seines niedrigeren Siedepunkts anspruchsvoller als bei anderen Metallen. Daher ist die Rolle von Thermoelementen für die Kontrolle sehr wichtig, um sicherzustellen, dass die Temperaturen nicht so hoch werden, dass Zink zu einem Gas wird und aus dem Ofen entweicht.

Schließlich sind exotische Thermoelemente bei der Verzinkung wichtig – einem Prozess bei etwa 400 °C bis 500 °C, bei dem Stahl oder Eisen mit Zink beschichtet wird, um es vor Rost zu schützen.

Metallurgiewissenschaft und -forschung

Ultrahochtemperatur-Thermoelemente spielen auch bei allen pyrometallurgischen Forschungsanwendungen mit Öfen und Metallschmelzen eine Rolle. Ein solcher Bereich ist die Forschung zur effizienten Rückgewinnung wertvoller Metalle aus Kathoden von Lithium-Ionen-Batterien. Angesichts der immer stärkeren Verbreitung von Elektrofahrzeugen ist dies ein wesentlicher Forschungsbereich, und Hochtemperatur-Thermoelemente bieten die konsistente und genaue Möglichkeit zur Temperaturüberwachung und -kontrolle in diesen Prozessen.

Kamets Thermoelementsortiment und Supportservices

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass exotische Thermoelemente wie die von Kamet eine hervorragende Wahl für die extremen Temperaturumgebungen im vielfältigen Bereich der Pyrometallurgie sind. Sie können nicht nur die extremen Temperaturen überwachen, sondern verfügen auch über ein hohes Maß an Genauigkeit. Diese Robustheit und Genauigkeit ist die ideale Kombination für die Temperaturmessung in der Metallurgie.

Detaillierte Spezifikationen für das gesamte Sortiment an Hochtemperatur-Thermoelementen und -Hüllen gehen über den Rahmen dieses Artikels hinaus. Unsere internen Thermoelement-Spezialisten helfen Ihnen gerne weiter – bitte kontaktieren Sie uns mit Ihren Fragen.