DD202453A5 - Rotierende gasdispersionsvorrichtung zur behandlung von metallschmelzbaedern - Google Patents

Rotierende gasdispersionsvorrichtung zur behandlung von metallschmelzbaedern Download PDF

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DD202453A5
DD202453A5 DD82242755A DD24275582A DD202453A5 DD 202453 A5 DD202453 A5 DD 202453A5 DD 82242755 A DD82242755 A DD 82242755A DD 24275582 A DD24275582 A DD 24275582A DD 202453 A5 DD202453 A5 DD 202453A5
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Jacques Gimond
Richard Gonda
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Pierre Laty
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine rotierende Vorrichtung zur Feinverteilung von Gas in ein zu behandelndes Metallschmelzbad. Ziel der Erfindung ist die Qualitaetssteigerung des behandelten Metalls, ihre technische Aufgabe die Gewaehrleistung einer maximalen Austauschflaeche zwischen Gas und Metallschmelze. Die Vorrichtung besteht aus einem Rotor in zylindrischer Form, der mit Schaufeln bestueckt ist, die in das Metallschmelzbad eintauchen, angeschlossen an eine hohle Antriebswelle, die zur Zufuehrung des Gases dient. Sie ist dadurch charakterisiert, dass der Rotor von schraegliegenden Kanaelen durchbohrt ist, verbunden mit radial verlaufenden Kanaelen, durch die das Metall bzw. das Gas stroemen, bevor sie an der Stelle, wo sich die Kanaele vereinigen und ins Metallschmelzbad muenden, vermischt werden, um eine Feindispersion zu bilden, die danach mit Hilfe der Schaufeln in das besagte Metallschmelzbad zurueckgefuehrt wird. Sie findet Anwendung bei der Behandlung vorwiegend von Aluminium und seinen Legierungen, zur Entfernung von Wasserstoff und anderen nichtmetallischen Unreinheiten.

Description

AP G22B/242 755/8
24 2 7 55 8 1 * °« *
' ' - 30.11.82
Rotierende Gasdispersionsvorrichtung zur Behandlung von Metallschmelzbädern
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine rotierende Gasdispersionavorrichtung zur Behandlung eines Metallschmelzbades insbesondere von Aluminium und seinen Legierungen.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Es ist bekannt, daß es vor dem Abguß eines metallurgischen Halbfertigproduktes notwendig ist, das verwendete Hohmetall so zu behandeln, daß die in ihm gelösten Gase und nichtmetallischen fremdbestandteile, die sich schädlich auf die gewünschten Eigenschaften und das ungehinderte Erstarren des Metalls auswirken können, entfernt werden·
Zwei prinzipielle Wege der Behandlung sind gegenwärtig bekannt :
Der erste besteht darin, das flüssige Metall durch ein inertes oder aktives FiItermedium zu leiten, welches die Fremdbestandteile aufnimmt, und zwar mechanisch, chemisch oder auf beide Arten.
Der zweite Weg beruht auf der Anwendung von" inerten oder reaktiven Gasen oder deren Mischung, die mehr oder weniger intensiv mit dem flüssigen Metall vermengt werden, und zwar mit oder ohne Anwesenheit solcher Produkte wie z, B* Flußmittel. Diese beiden Wege können außerdem miteinander kombiniert werden·
Dem zweiten Weg folgend, sind zahlreiche Ausführungen realisiert worden, unter anderem darauf aufbauend, das Gas in
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das Metallbad einzuleiten, und zwar so, daß eine bessere Dispersion des Gases in der !Flüssigkeit erreicht wird, weil bekannt ist, daß die Wirksamkeit der Behandlung von der Größe der Grenzfläche zwischen beiden Phasen abhängt·
Auf diese Weise wird, entsprechend dem französischen Patent Ur. 1 555 953, das Gas durch einen Tauchkörper eingeleitet, dessen unteres Ende mit einem rotierenden Teil ausgerüstet ist, das die Vermischung und Verteilung des Gases über eine große Badoberfläche gewährleistet.
STach dem französischen Patent Ur. 2 063 916 wird das Gas mit Hilfe einer doppelwandigen,wassergekühlten Lanze in das Metallschmelzbad eingeblasen*
Gemäß dem französischen.Patent Nr. 2 166 014 wird das Gas in ]?orm von einzelnen Bläschen mit Hilfe einer Vorrichtung injiz iert, bestehend aus einer rotierenden Welle,.die mit einem Flügelrad fest verbunden ist, und einer Hülse, die diese Welle umgibt und an seinem unteren Ende mit einem festen Flügelrad verbunden ist.
Welle und Hülse sind getrennt durch eine axiale Passage, durch die die Gase transportiert und dann durch das Hiveau des Flügelrades geleitet werden, wo sie in Bläschen zerteilt und in Kontakt mit dem durch den-Rotor bewegten flüssigen Metall gebracht werden·
lüach dem französischen Patent Ur. 2 200 364 wird das Gas durch das Rotationszentrum eines Turbinenrührwerkes eingeleitet und mit dem flüssigen Metall durch die Strömungsbedingungen in Kontakt gebracht, wobei eine Emulsionsbildung vermieden wird.
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Zahlreiche andere Lösungen sind weiterhin vorgeschlagen worden mit dem Ziel, das Gas in Form sehr, kleiner Bläschen einzuleiten· . Wenngleich auch jede dieser Lösungen spezifische Vorteile bringt, haben doch, alle den lachteil, nur eine unregelmäßige Verteilung der Gasblasen im flüssigen Metall herbeizuführen»
Auch wenn jede abgegebene Gasblase im Moment ihrer Entstehung klein sein mag -und dort auch sofort in eine feinverteilte Dispersion eintritt, so vergrößert sie sich doch auf ihrer Wegstrecke im Bad rapide durch Vereinigung- mit- anderen Bläschen und bildet dadurch nur eine grobe Dispersion· Der Austausch Flüssigkeit - Gas ist besonders an den Stellen des Bades reduziert, die keinen Kontakt mit dem Gas am Ort der Emission haben, was dazu führt, daß die Wirksamkeit der Behandlung auf Zufall beruht. Da man das Phänomen der Vereinigung der Bläschen nicht vermeiden kann, ist es notwendig, ein System zu finden, in welchem jedes Elementarvolumen der Flüssigkeit des zu behandelnden Bades die angestrebte Feindispersion mit dem Gas eingehen kann, um eine optimale Wirkung zu erzielen·
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist es, mittels der erfindungsgemäßen rotierenden Gasdispersionsvorrichtung zur Behandlung von Metallschmelzbädern, die in diesem gelösten Gase und nichtmetallischen Fremdbestandteile optimal wirksam zu entfernen um dadurch die gewünschten Eigenschaften des Metalls und damit eine Erhöhung seiner Qualität zu erreichen. Außerdem soll die Lebensdauer der Vorrichtung verlängert und der technische Mechanismus des Antriebs vereinfacht werden·
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Darstellung des Wesens der Erfindung
Die technische Aufgabe, die durch die. Erfindung gelöst wird, besteht darin, eine rotierende Gasdispersionsvorrichtung zur Behandlung von Metallschmelzbadera zu schaffen, bestehend aus einem.Rotor in zylindrischer Form, bestückt mit Schaufeln, die in das Metallschmelzbad eintauchen und angeschlossen an eine hohle Antriebswelle, die zur. Zuführung,des Gases dient, mit der eine sehr feine Dispersion des Gases in sehr kleinen Bläschen und dazu regelmäßige Verteilung im flüssigen Metall, d. h. eine intensive Vermischung von Gas und Metall und damit eine maximale Austauschfläche zwischen den Medien erreicht werden kann.
Das Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, daß die rotierende Gasdispersionsvorrichtung zur Behandlung von Metallschmelzbadera in einem Behälter aus einem Rotor in zylindrischer Form, bestückt mit' Schaufeln, die in das Metallschmelzbad eintauchen, verbunden mit einer hohlen. Antriebswelle zur Einleitung des Gases, besteht und dadurch charakterisiert -is-tr-d.aß^ der Rotor von Kanalpaaren durchbohrt ist, von denen jedes Kanalpaar einen Kanal zum Durchströmen flüssigen Metalls und einen Kanal zum Durchströmen des Gases enthält. Jedes dieser Kanalpaare mündet separat in einem Punkt an der Mantelfläche des Rotors, so daß sich an dieser Stelle eine Feindispersion flüssiges Metall - Gas bildet, die dann mittels der Schaufeln in das Metallschmelzbad zurückgeleitet wird.
Die Vorrichtung entsprechend der Erfindung enthält bereits bekannte Elemente, wie einen Rotor in zylindrischer Form, der auf seinem äußeren Mantel mit Schaufeln irgend einer Kontur bestückt ist, die axialsymmetrisch verteilt und entweder vertikal angeordnet sind oder schräg, so daß sie eine
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Rechts- oder Linksschraube bilden» Dieser Rotor ist mittig und in axialer Richtung mit dem unteren Teil einer Antriebswelle verbunden, deren oberes Ende unter Zwischenschaltung eines Getriebes durch einen Motor angetrieben wird, der ihm die Drehbewegung erteilt·
Diese Antriebswelle ist hohl, so daß das Gas, welches an ihrem oberen Ende, z. B, über eine Rohrleitung mit Drehverbindung, eingeleitet wird, auf das Niveau des Rotors gelangen kann. Diese Antriebswelle besteht zweckmäßigerweise aus zwei verschiedenen Werkstoffen:
Einen für den unteren Teil, der ins Metallschmelzbad eintaucht und meistens aus Graphit besteht, und den anderen für den herausragenden Teil, welcher aus einer Metallegierung besteht, die korrosionsfest sein muß, weil das verwendete Gas beispielsweise Chlor enthält. Dieser Teil der Antriebswelle kann mit Kühlrippen versehen sein, um eine zu große Temperaturerhöhung zu vermeiden, die der Haltbarkeit der gasführenden als auch der kraftübertragenden Ausrüstung schaden würde.
Das Besondere der angemeldeten Vorrichtung besteht darin, daß im Inneren des Rotors, der meist aus Graphit besteht, Kanalpaare, bestehend aus Kanälen zum Durchströmen des Gases und Kanälen zum Durchströmen des flüssigen Metalls in das Material gebohrt sind, und zwar in einer neuartigen Weise.
Die erfindungsgemäße Gasdispersionsvorrichtung ist in ihrer Form einfach - also leicht zu realisieren - und robust, und mit ihr kann das gesamte letallschmelzbadvolumen, das zwischen Eintritt und Austritt des Badbehälterg zirkuliert, aufgeteilt werden in eine Anzahl von Strömen flüssigen Metalls, in die das Gas in kontinuierlicher Weise eintritt, und zwar so, daß die gesamte Menge des flüssigen Metalls einmal
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während der Behandlung dieses Stadiums feindispergiert wird.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Kanäle, die zum Durchströmen des Gases dienen, radial angeordnet sind. Sie treffen sich in der Mitte des Hotors, entweder direkt verbunden mit dem Hohlraum der Antriebswelle oder durch eine Zwischenkäufer, Sie munden alle an der Mantelfläche des Rotors in das Metallschmelzbad, zweckmäßigerweise zwischen zwei Schaufeln·
Auch darin ist ein Merkmal der Erfindung zu sehen, daß die Kanäle für den Durchfluß des flüssigen Metalls hauptsächlich eine schräge Lage zur Achse des Rotors haben, den sie entweder von der unteren oder von der oberen Fläche aus durchdringen, mit der Mündung in der Mantelfläche des Rotors in dem Punkt, wo auch die Kanäle für das Durchströmen des Gases einmünden«
Erfindungsgemäß ist weiterhin, daß die Heigung der Kanäle, die zum Durchströmen des flüssigen 'Metalls dienen, gegenüber der Waagerechten gewöhnlich-zwischen-IO und- 60 Grad liegt.
Die Erfindung umfaßt gleichfalls das Merkmal, daß der Querschnitt der Kanäle, die zum Durchströmen des flüssigen Metalls dienen, im allgemeinen rund ist· Er ist größer als der der Gaskanäle und hängt ebenfalls von der Durchflußmenge des flüssigen Metalls ab, welches behandelt werden soll, jedoch ist ein Durchmesser zwischen 0,5 und 1,5 cm völlig ausreichend»
Ebenfalls als erfinderisches Merkmal anzusehen ist, daß die Kanäle, die zum Durchströmen des Gases dienen, einen runden Querschnitt und einen Durchmesser von 0,1 bis 0,4 cm haben·
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Sin weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Schaufeln symmetrisch zur Rotationsachse auf der Mantelfläche des Rotors verteilt sind, und zwar zwischen den Punkten, wo die Kanalpaare in das Metallschmelzbad münden·
Die Anzahl der Kanäle beider Typen ist gleich, mit jedem Gaskanal ist ein Flüssigkeitskanal verbunden, weshalb immer ein Kanalpaar einen gemeinsamen Mündungspunkt in Richtung Metallschmelzbad besitzen.
Während des Betriebes bewegt sich das flüssige Metall auf Grund der Zentrifugalkraft, die durch die Drehung hervorgerufen wird, durch die dafür vorgesehenen Kanäle. Je nachdem, ob die Flüssigkeitskanal an der oberen oder an der unteren Seite des Rotors beginnen, bewegt sich die flüssigkeit von oben nach unten oder von unten nach oben« Die erreichte Durchflußmenge ist eine Punktion der Rotordrehzahl, der Anzahl der Kanäle, ihres Querschnitts, ihrer Ieigung gegenüber der Senkrechten, des Niveauunterschieds ihrer Öffnungen und des Abstands zwischen Kanaleintritt und Rotorzentrum·
Wenn die Verbindung der als Hohlwelle ausgebildeten Antriebswelle mit dem unter Druck stehenden Gas hergestellt ist, wird in den Gaskanälen eine Strömung erzeugt, die auf Grund, des geringen Querschnitts derselben zu einer sehr hohen Geschwindigkeit an den Stellen führt, wo die Flüssigkeitsströme in das Metallschmelzbad einmünden· Daraus resultiert dann eine feine Dispersion beider Phasen und eine intensive Vermischung von Gas und Metall über den gesamten Querschnitt der Mündung des Flüssigkeitskanals·
Die so erhaltene Mischung wird sofort, nachdem sie an der Mantelfläche des Rotors austritt, durch die Schaufeln in das Metallschmelzbad zurückgeführt, wo der Austauschvorgang
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erfolgt, bevor sich die Gasbläschen durch Vereinigung mit anderen vergrößern und schließlich an der Oberfläche' zerplatzen·
Auf Grund der zahlreichen Parameter, die auf die Durchflußmenge der Flüssigkeit einwirken, ist es immer möglich, deren Größe so festzulegen, daß eine vollständige Behandlung der gesamten vorgesehenen Durchflußmenge erreicht wird. Gleicherweise kann man die Gasdurchflußmenge so festlegen, wie sie üblicherweise für die Behandlung einer bestimmten Menge Metall vorgegeben wird* Dank dieser Möglichkeit, die oben genannten geometrischen Parameter festlegen zu können, kann man sich auf eine geringe Drehzahl beschränken, die den Vorteil hat, den technischen Mechanismus des Antriebs zu vereinfachen und damit die Haltbarkeit der Ausrüstung zu verlängern.
Man erkennt den lutzen einer solchen Vorrichtung im Vergleich mit andern bis jetzt angebotenen Gaspropellern, denn neben dem umrühren durch die Schaufeln erfolgt ein kontinuierlicher und vollständiger Austausch der zu behandelnden Metallmenge genau dort, wo das Behandlungsgas eingeblasen"wird. Daraus resultiert eine maximale Austauschfläche Gas-Flüssigkeit und in deren Folge eine optimale Wirksamkeit der Behandlung.
Eine solche Vorrichtung entsprechend der Erfindung kann in jeden Behälter plaziert werden, dessen Inhalt behandelt werden soll, sei es eine Gießpfanne, ein Warmhalte- oder ein Verarbeitungsofen, kontinuierlich arbeitend oder nicht, mit oder ohne Zwischenwände, unter Anwendung von Strömung oder nicht, bei Verwendung von Stickstoff, Argon, Chlor oder einer Mischung aus ihnen, von Dämpfen aus Halogenderivaten oder eines jeden anderen gasförmigen, suszeptibleh Produkts, welches eine günstige Wirkung auf die Eeinigüng des Metalls hat.
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Abhängig von der gewünschten Behandlung, der au behandelnden Menge je Zeiteinheit und der vorgesehenen Dauer der Behandlung, kann man mehrere Vorrichtungen verwenden, wahlweise in einem oder in mehreren Behältern, hintereinander oder parallel angeordnet.
Ausführungsbeiapiel
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Pig. 1: die Vorrichtung im senkrechten Schnitt in einer Ebene durch die Rotationsachse und die Achsen von zwei Kanalpaaren;
Pig. 2; den ,Schnitt X-X nach Fig» 1 von unten gesehen;
Fig. 3: die Vorrichtung, senkrecht geschnitten, in einer kontinuierlich arbeitenden Gießpfanne angeordnet.
In Fig. 1 erkennt man die hohle Antriebswelle 1, durch die. das Gas 2 auf das Niveau des Rotors 3 geführt wird über eine Zwischenkammer 4, die an ihrem Umfang mit Kanälen 5 versehen ist, die in Punkt 6 an der Mantelfläche des Rotors 3 münden, genau dort, wo die Kanäle 7 einmünden, die im dargestellten Fall an der unteren Seite des Rotors 3 beginnen und die das flüssige Metall so zuleiten, daß sich eine Feindispersion Flüssigkeit-Gas bildet, die danach durch die Schaufeln 8 mit dem Metallschmelzbad vermischt wird.
In Fig. 2 sieht man das untere Ende der als Hohlwelle ausgebildeten Antriebswelle 1 an der Stelle, wo sich die Zwischenkammer 4 des Rotors 3 anschließt, die durch Kanäle 5
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zum Durchströmen des Gases durchbohrt ist, die in Punkt 6 ins Metallschmelzbad münden, an der gleichen Stelle wie die Kanäle 7 zum Durchströmen des flüssigen Metalls und wo die Feindispersion Flüssigkeit - Gas durch die Schaufeln 8 in das Metallschmelzbad zurückgeführt wird.
In Fig. 3 ist eine Gießpfanne 9 dargestellt, welche durch einen Deckel 10 verschlossen wird, und die mittels einer Trennwand 13 in einen zulaufseitigen Baum 11 und einen ablauf seitigen Raum 12 abgeteilt ist und die durch die Zulaufrinne 14 mit flüssigem Metall beschickt und über die Ablaufrinne 15 geleert wird.
Auf ihrem Wege in der Gießpfanne zwischen der Zulaufrinne 14 und der Ablaufrinne 15 erfährt das flüssige Metall die Wirkung der Vorrichtung entsprechend der Erfindung, bei der man den Rotor 3, versehen mit den Schaufeln 8 und den Kanälen 5; 7, die- im Punkt 6 in das Metallschmelzbad münden, unterscheiden kann und der über die Zwischenkammer 4 mit der als Hohlwelle ausgebildeten Antriebswelle 1 verbunden ist, die im unteren Teil aus Graphit besteht, der an seinem oberen Ende auf einer Metallwelle 16 aufgezogen ist, die mit Kühlrippen 17 versehen ist und durch einen Motor 19 über ein Untersetzungsgetriebe 18 angetrieben wird und die weiterhin mit einer Rohrleitung 20 verbunden ist, die über eine Drehverbindung 21 das Gas 2 von einer außerhalb liegenden Anschlußstelle zuleitet.
Durch die Drehung der Vorrichtung dringt flüssiges Metall in die Kanäle 7 ein und steigt, der Richtung 22 folgend, bis zum Punkt 6, wo sie auf das in der Zwischenkammer 4 ankommende Gas 2 trifft, welches in Richtung 23 durch die Kanäle 5 entweicht, um eine Feindispersion zu bilden, die durch die Schaufeln 8 in Richtung 24 ins Bad zurückgeführt wird.
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Die vorliegende Erfindung wurde erprobt an folgendem Anwendungsbeispiel:
Eine Gießpfanne 9 von 60 cm Durchmesser und 1 m Höhe wurde mit einem Rotor 3 aus Graphit ausgerüstet, der einen Durchmesser von 20 cm und eine Höhe von 8 cm hat. Der Rotor 3 ist ausgerüstet mit acht um.45° gegen die Senkrechte geneigten Kanälen 7 von 1 cm Durchmesser und 7 cm Länge, durch die das Metall strömt, sowie acht waagerecht gebohrten Kanälen 5 von 0,1 cm Durchmesser, durch die das Gas 2 strömt·
Durch die Gießpfanne 9 wurden pro Stunde sechs Tonnen Aluminiumlegierung der Type 2014 geleitet. Der Rotor 3 hatte eine Drehzahl von 150 Umdrehungen pro Minute, und pro Stunde wurden 4-Bm Gasgemisch aus 95 % Argon und 5 % Chlor, bezogen auf das Volumen, eingeblasen.
Am Eintritt in die Gießpfanne 9 war die Metallschmelze stark gashaltig und zeigte in einem Vakuumtest bei einem Druck von 2 Torr einen Wasserstoffgehalt von 0,85 cnr/100 S; am Ausgang wurden bei der Untersuchung der Metallschmelze mit dem gleichen Test nur 0,14 cm /100 g Wasserstoffgehalt festgestellt und keinerlei Anzeichen von Blasen, was die Wirksamkeit der Behandlung mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt.
Die vorgelegte Erfindung findet seine Anwendung überall dort, wo eine gute Dispersion in der Zweiphasenmischung Flüssigkeit - Gas angestrebt wird· Das ist der Pail bei der Behandlung von flüssigem Metall, insbesondere von Aluminium oder seinen Legierungen, mit dem Ziel, den Wasserstoff und andere nichtmetallische Bestandteile zu entfernen.

Claims (7)

24 2 7 5 5 8 - ^ - ^ °^ 27 30.11.82 Erfindungsanspruch
1. Rotierende Gasdispersionsvorrichtung zur Behandlung eines Metallschmelzbades, das sich in einem Behälter befindet» bestehend aus einem Rotor in zylindrischer Form, bestückt mit Schaufeln, die in das Metallschmelzbad eintauchen, angeschlossen an eine hohle Antriebswelle, die zur Zuführung des Gases dient, gekennzeichnet dadurch, daß der Rotor (3) von Kanalpaaren durchbohrt ist, von denen jedes einen Kanal (7) zum Durchströmen des flüssigen Metalls, den anderen Kanal (5) zum Durchströmen des Gases besitzt, und jedes dieser Kanalpaare in einem gemeinsamen Punkt (6) an der Mantelfläche des Rotors (3) separat von den anderen Kanalpaaren einmündet«.
2, Torrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kanäle (5), die zum Durchströmen des Gases dienen, eine radiale Richtung besitzen·
3» Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kanäle (7), die zum Durchströmen des flüssigen Metalls dienen, eine schräge Richtung-gegenüber der Waagerechten haben·
4 2 7 5 5 8 - 13 - 61 043 27
30.11.82
4· Vorrichtung nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Kanäle (7), die zum Durchströmen des flüssigen Metalls dienen, zwischen 10 und 60 Grad gegenüber der Waagerechten geneigt sind,
5» Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kanäle (7), die zum Durchströmen des flüssigen Metalls dienen, einen runden Querschnitt und einen Durchmesser von 0,5 bis 1,5 cm haben·
6. Vorrichtung nach Punkt. 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kanäle (5), die zum Durchströmen des Gases dienen, einen runden Querschnitt und einen Durchmesser von 0,1 bis 0,4 cm haben·
7. Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Schaufeln (8) symmetrisch zur Rotationsachse auf der Mantelfläche des Rotors (3) verteilt sind, und zwar zwischen den Punkten (6), wo die Kanalpaare in das Metallschmelzbad münden·
Hierzu 2 Seiten Zeichnungen
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