DE10110113C1

DE10110113C1 - Gasdosiermodul zum gegendruckunabhängigen Einbringen von Gasen in Metallschmelzen

Info

Publication number: DE10110113C1
Application number: DE2001110113
Authority: DE
Inventors: Walter Vetterli; Hans-Peter Wagner; Juergen Kerndlmaier
Original assignee: Finze & Wagner GmbH
Current assignee: Finze & Wagner GmbH
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2002-05-16
Anticipated expiration: 2021-03-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gasdosiermodul zum Einbringen von Gasen in Metallschmelzen, insbesondere NEM und Al-Schmelzen, mit einem Steuerblock zum Einstellen einer Gesamtgasdurchflußmenge und einem Controller 14 zum selbsttätigen Regeln eines konstanten, vom Ausgangsdruck unabhängigen Gasflusses. Der Controller 14 weist eine Düse 22 mit einer Prallplatte 21 auf, die so angeordnet ist, daß der Controller selbsttätig und unabhängig vom Gegendruck einen im wesentlichen konstanten Gasfluß durch die Düse regelt. Um das Flattern der Prallplatte 21 auf der Düse 22 zu verhindern, hat die Düse 22 an der Eintrittsöffnung 31, die umfangsseitig durch einen inneren Rand 28 begrenzt ist, einen Ansatz 29 mit einem im wesentlichen umlaufenden, äußeren Rand 30, wobei der Ansatz 29 zwischen dem inneren Rand 28 und dem äußeren Rand 30 eine Ausnehmung 34 aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasdosiermodul zum gegendruckunab hängigen Einbringen von Gasen in Metallschmelzen gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 und die Verwendung eines solchen Moduls für die Begasung von Nichteisenmetall schmelzen (NEM), insbesondere Aluminiumschmelzen, gemäß An spruch 17.

Gasdosiermodule bilden einen wesentlichen Bestandteil in Sy stemen für die Schmelzgutbehandlung. Bei der Schmelzgutbe handlung wird ein bestimmtes Gas, wie z. B. Chlor oder Stick stoff, oder ein Gasgemisch über eine Begasungseinrichtung in eine Metallschmelze geleitet, wodurch eine wesentliche Ver besserung der Schmelzequalität erreicht werden kann. Aus schlaggebend für die Effektivität dieses Verfahrens ist nicht nur die Wahl einer passenden Begasungseinrichtung (Spülstei ne, Lanzen), sondern auch die Wahl einer optimal auf den Pro zeß abgestimmten Gasdosieranlage.

Bei einer konventionellen Gasdosieranlage, die beispielhaft in Fig. 1 dargestellt ist, wird das der Schmelze 1 zugeführte Arbeitsgas über eine Zuführleitung 2 zugeführt, in der nahe dem Eingang 3 ein Druckminderer 4 vorgesehen ist. Ein in der Leitung angeordnetes Gasdosiermodul 12, das im wesentlichen aus einem Steuerblock 13 und einem Controller 14 besteht, re gelt den Gasdurchfluß zur Metallschmelze 1.

Der Steuerblock 13 wird von einer Regeleinheit 9 über eine Steuerleitung 10 gesteuert. Auf diese Weise können verschiedene Dosier- und Spülprozesse gefahren werden, die beispiels weise von einer (nicht gezeigten) Bedieneinheit unter Auswahl des entsprechenden Programms gestartet werden können.

Wie sich gezeigt hat, ist der durch die Begasungseinrichtung bzw. Metallschmelze bestimmte Verbraucherdruck relativ un gleichmäßig und kann sich insbesondere bei längerem Betrieb des Begasungssystems stark ändern. Ein Grund für den varia blen Verbraucherdruck ist, daß sich die freie Strömungsfläche von Porössteinen, die üblicherweise als Begasungseinrichtung in Metallschmelzen eingesetzt werden, durch Metallablagerun gen verringert. Auch bei der Einbringung von Gasen durch Lan zen in Metallschmelzen mit variablem Niveau kommt es zu einer Änderung des Verbraucherdrucks und damit zu einer Änderung des Gasdurchsatzes.

Das Gasdosiermodul ist so ausgelegt, dass es bei Änderungen des Gegendrucks den Gasdurchfluß durch die Leitung selbsttä tig (ohne Hilfsenergie) regelt, wodurch eine gleichmäßige Be gasung der Metallschmelze 1 erreicht wird.

Der prinzipielle Aufbau eines solchen Gasdosiermoduls 12 ist in Fig. 2 dargestellt.

Das gezeigte Gasdosiermodul 12 besteht im wesentlichen aus einem Steuerblock 13 und einem Controller 14. Der Steuerblock 13 umfaßt mehrere parallel geschaltete Ventile Y1-Y5, eine erste Druckkammer 15, in der das Gas einen Eingangsdruck P1 aufweist, und eine zweite Druckkammer 16, in der das Gas ei nen Arbeitsdruck P2 aufweist.

Die Ventile Y1-Y5 haben unterschiedliche Durchflußwerte und sind einzeln ansteuerbar. Bei insgesamt fünf Ventilen Y1-Y5 ist die gesamte Durchflußmenge über 31 Stufen einstellbar. Dabei gilt für den in den Druckkammern 15 und 16 vorherr schenden Druck im wesentlichen:

P1 - P2 = konstant.

Ein Ausgang der ersten Druckkammer 15 ist über eine Lei tung 17 mit einem Eingang des Controllers 14 verbunden. Ein zweiter Ausgang des Steuerblocks 13 ist über eine weitere Leitung 18 mit einem zweiten Eingang des Controllers 14 ver bunden.

Der Controller 14 umfaßt eine erste Kammer 19, in der im we sentlichen der Eingangsdruck P1 vorherrscht, und eine zweite Kammer 20, in der im wesentlichen der Arbeitsdruck P2 vor herrscht.

Die Grenze zwischen den beiden Kammern 19, 20 bildet eine be wegliche Prallplatte 21, die nahe an der Einlaßöffnung einer Düse 22 angeordnet ist. Die Prallplatte 21 ist mittels einer Feder, hier einer Spiralfeder, in Richtung von der Düse 22 weg vorgespannt, so daß sie knapp oberhalb der Einlaßöffnung der Düse 22 angeordnet ist.

Der in der zweiten Kammer 20 des Controllers 14 anliegende Druck P2 wird zu Zwecken der Drucküberwachung von entspre chenden Aufnehmern 23 erfaßt.

Das durch die Druckkammern 15, 16 und die Leitung 18 in die Kammer 20 eingeführte Gas entspannt sich im Controller 14 über die Prallplatte 21 und die Düse 22.

Am Ausgang des Controllers 14 hat das Gas den Ausgangsdruck P3.

Wenn sich der Ausgangsdruck P3 z. B. aufgrund einer vorstehend beschriebenen Verringerung der freien Fläche eines (nicht dargestellten) Porössteines erhöht, wird die Prallplatte 21 von der Düseneintrittsöffnung weg gedrückt und gibt somit ei nen größeren Strömungsquerschnitt (Spalt) frei, durch den das Gas zum Ausgang strömen kann. Umgekehrt bewegt sich die Prallplatte 21 bei geringer werdendem Ausgangsdruck P3 gegen die Düse 22 und verringert damit den freien Strömungsquer schnitt. Diese selbsttätige Regelung liefert bei konstantem Eingangsdruck P1 einen konstanten Gasfluß, unabhängig vom Ge gendruck P3.

Bei den bislang verwendeten Gasdosiermodulen ist der vorste hend beschriebene Regelmechanismus jedoch relativ instabil, da die Prallplatte auf der Ventilöffnung oftmals flattert bzw. vibriert, wobei ein ratterndes Geräusch auftritt.

Gasdosiermodule zum Einbringen von Gasen in Metallschmelzen sind z. B. in der WO 95/23239 und in der US-Patentschrift US 5,917,114 beschrieben. Die Funktionsweise dieser bekannten Gasdosiermodule unterscheidet sich jedoch wesentlich von dem erfindungsgemäßen Gasdosiermodul.

Gasdosiermodule, die unabhängig vom anliegenden Gegendruck einen konstanten Gasdurchfluß gewährleisten sind beispiels weise aus der DE 196 46 665 A1, der DE 42 17 577 A1 und der DE 37 36 701 A1 bekannt. Die hier eingesetzten Regelmechansi men zur Regelung des Gasdurchflusses unterscheiden sich je doch wesentlich von denjenigen des erfindungsgemäßen Gasdo siermoduls.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gas dosiermodul zu schaffen, bei dem die Prallplatte stabil über der Eintrittsöffnung der Düse liegt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im unabhängigen An spruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Gasdosiermodul zum Einbringen von Gasen in eine Metallschmelze besteht im wesentlichen aus einem Steuerblock und einem Controller. Der Steuerblock umfaßt üb licherweise mehrere parallel geschaltete Ventile, an deren Eingang das zugeführte Gas mit einem Eingangsdruck (P1) und an deren Ausgang das Gas mit einem Arbeitsdruck (P2) anliegt.

Der wesentliche Bestandteil des Controllers ist eine Düse, die mit einem Stellglied zusammenwirkt, das so angeordnet ist, daß es selbsttätig und unabhängig vom Gegendruck (P3) einen im wesentlichen konstanten Gasfluß durch die Düse (22) regelt.

Um das erwähnte Flattern bzw. vibrieren des Stellgliedes, vorzugsweise einer Prallplatte zu vermeiden, hat die Düse des Controllers an ihrer Eintrittsöffnung, die umfangsseitig durch einen inneren Rand begrenzt ist, einen Ansatz mit einem im wesentlichen umlaufenden, äußeren Rand, wobei der Ansatz zwischen dem inneren Rand und dem äußeren Rand eine Ausneh mung aufweist.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfaßt die Ausnehmung mehrere unterschiedlich tiefe Bereiche, wobei die Ausnehmung in radialer Richtung vorzugsweise von außen nach innen tiefer wird.

Die maximale Tiefe der Ausnehmung ist vorzugsweise kleiner als 2 mm und insbesondere kleiner als 1,5 mm. Dabei erstreckt sich die Ausnehmung vorzugsweise über einen wesentlichen Teil, insbesondere über mehr als die Hälfte, des Ansatzes in radialer Richtung.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung schließt der äußere Rand auf der Seite der Prallplatte bündig mit dem inneren Rand ab, wobei er vorzugsweise in Umfangsrichtung durch we nigstens eine Aussparung unterbrochen ist.

Bei den Aussparungen handelt es sich vorzugsweise um mehrere im Ansatz vorgesehene Nuten, die z. B. in äquidistanten Ab ständen in Umfangsrichtung angeordnet sind.

Die inneren Flächen der Nuten verlaufen in radialer Richtung vorzugsweise schräg nach außen, wobei die Tiefe der Nuten vorzugsweise größer ist als die Tiefe der Ausnehmung.

Die im Steuerblock enthaltenen, parallel geschalteten Ventile sind vorzugsweise Drosselventile und insbesondere drosselbare Magnetventile.

Die Drosselventile haben vorzugsweise unterschiedliche Durch flußwerte und sind insbesondere in konstanten Schrittweiten, z. B. von 0,5 Nl/Stufe, abgestuft.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel mit fünf Ventilen, die Durch flußwerte von 0,5-1-2-4-8 Nl - min. aufweisen, beträgt der kleinste Durchfluß 0,5 Nl/min und der größte Durchfluß 15,5 Nl - min.

Die Magnetventile sind vorzugsweise in Normally-Open- Ausführung vorgesehen, wodurch auch bei Stromausfall eine Be gasung der Metallschmelze gewährleistet ist.

Die Ventile können zur Durchführung unterschiedlicher Dosier- und Spülprogramme beispielsweise von einer SPS angesteuert werden.

Die im Steuerblock befindlichen Ventile können auch in Abhän gigkeit vom Eingangsdruck (P1) angesteuert werden, um auch bei variablem Eingangsdruck einen konstanten Gasdurchfluß zu ermöglichen. Die Gasdosieranlage wird dadurch auch vom Vor druck unabhängig.

Die im Controller angeordnete Prallplatte ist vorzugsweise gegen den Eingangsdruck vorgespannt.

Mit dem erfindungsgemäßen Gasdosiermodul ist es möglich, eine Aluminiumschmelze mit Hilfe eines Porössteines zu begasen. Dabei wird die Qualität der Aluminiumsschmelze aufgrund des vom Gasdosiermodul gelieferten konstanten, gegendruckunabhän gigen Gasflusses wesentlich verbessert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeich nungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine konventionelle Gasdosieranlage mit Regler;

Fig. 2 ein konventionelles Gasdosiermodul; und

Fig. 3a-c ein Beispiel einer in einem Gasdosiermodul verwen deten Düse gemäß der Erfindung.

Bezüglich der Fig. 1 und 2 wird auf die Beschreibungseinlei tung verwiesen.

Fig. 3a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Düse 22 mit typi schen Merkmalen konventioneller Düsen, insbesondere einem oberen Abschnitt 35 mit einer Eintrittsöffnung, einem mittle ren Abschnitt 36 zum Ansetzen eines Werkzeugs, und einem un teren Gewindeabschnitt 37, mittels dessen die Düse 22 an ei nem Sockel festgeschraubt werden kann.

Der Wesentliche Unterschied zu den herkömmlichen Düsen liegt in einem am oberen Abschnitt 35 vorgesehenen kranzförmigen Ansatz 29, der in Fig. 3b vergrößert dargestellt ist.

In Fig. 3b ist deutlich zu erkennen, daß die Düse 22 an der Eintrittsöffnung 31, die umfangsseitig durch einen inneren Rand 28 begrenzt ist, einen Ansatz 29 mit einem äußeren Rand 30 hat, wobei der Ansatz 29 zwischen dem inneren Rand 28 und dem äußeren Rand 30 eine Ausnehmung 34 aufweist.

Die Ausnehmung 34 hat mehrere unterschiedlich tiefe Bereiche 32, 33, wobei die Ausnehmung 34 in radialer Richtung von au ßen nach innen tiefer wird. Die seitlichen Flanken der Berei che 32, 33 verlaufen dabei schräg in radialer Richtung.

Die maximale Tiefe der Ausnehmung 34 liegt zwischen 1,0 und 1,5 mm und beträgt insbesondere 1,3 mm. Sie erstreckt sich über einen wesentlichen Teil, etwa über ¾ des Ansatzes 29 in ra dialer Richtung.

Der Ansatz 29 hat vom inneren Rand 28 aus gemessen eine Stär ke von 5-15 mm, insbesondere 10 mm.

Der äußere Rand 30 schließt oben bündig mit dem inneren Rand 28 ab. Im übrigen sind drei Aussparungen bzw. Nuten 38 im An satz 29 vorgesehen, die den äußeren Rand 28 unterbrechen.

Die Nuten 38 sind in äquidistanten Abständen in Umfangsrich tung angeordnet, wobei die inneren Flächen der Nuten 38 n ra dialer Richtung schräg nach unten/außen verlaufen. Die Nei gung dieser Flächen beträgt etwa 40-65° und insbesondere 54° von der Horizontalen.

Bezugszeichenliste

1

Metallschmelze

2

Zufuhrleitung

3

Eingang

4

Druckminderer

9

Regler

10

Steuerleitung

12

Gasdosiermodul

13

Steuerblock

14

Controller

15

Druckkammer

16

Druckkammer

17

Leitung

18

Leitung

19

Kammer

20

Kammer

21

Prallplatte

22

Düse

23

Drucksensor

28

Innerer Rand

29

Ansatz

30

Äußerer Rand

31

Eintrittsöffnung

32

Erster Bereich

33

Zweiter Bereich

34

Ausnehmung

35

Oberer Abschnitt

36

Mittlerer Abschnitt

37

Unterer Gewindeabschnitt

38

Aussparung

Claims

1. Gasdosiermodul zum Einbringen von Gasen in eine Metall schmelze, umfassend einen Steuerblock (13) zum Festle gen eines bestimmten Gasdurchflusses und einen Control ler (14) zum selbsttätigen Regeln des Gasdurchflusses, wobei der Controller (14) eine Düse (22) mit einem Stellglied (21) aufweist, das so angeordnet ist, daß es selbsttätig und unabhängig vom Gegendruck (P3) einen im wesentlichen konstanten Gasfluß durch die Düse (22) re gelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (22) an der Eintrittsöffnung (31), die um fangsseitig durch einen inneren Rand (28) begrenzt ist, einen Ansatz (29) mit einem im wesentlichen umlaufen den, äußeren Rand (30) aufweist, wobei der Ansatz (29) zwischen dem inneren Rand (28) und dem äußeren Rand (30) eine Ausnehmung (34) hat.

2. Gasdosiermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (34) mehrere unterschiedlich tiefe Bereiche (32, 33)aufweist.

3. Gasdosiermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (34) in radialer Richtung von außen nach innen tiefer wird.

4. Gasdosiermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Tiefe der Ausnehmung (34) kleiner als 2 mm ist.

5. Gasdosiermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausnehmung (34) über einen wesentlichen Teil des Ansatzes (29) in radialer Richtung erstreckt.

6. Gasdosiermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Rand (30) bündig mit dem inneren Rand (28) abschließt.

7. Gasdosiermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Rand (30) in Umfangsrichtung durch we nigstens eine Aussparung (38) unterbrochen ist.

8. Gasdosiermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen mehrere im Ansatz (29) vorgesehene Nuten (38) sind.

9. Gasdosiermodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (38) in äquidistanten Abständen in Umfangsrichtung angeordnet sind.

10. Gasdosiermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (38) in radialer Richtung schräg nach au ßen verlaufen.

11. Gasdosiermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Aussparung (38) größer ist als die Tiefe der Ausnehmung (34).

12. Gasdosiermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied des Controllers (14) eine Prallplat te (21) ist, die als bewegliche Begrenzungswand zwi schen zwei Kammern (19, 20) des Controllers (14) ange ordnet ist.

13. Gasdosiermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im Steuerblock (13) enthaltenen Ventile (Y1-Y5) Drosselventile sind.

14. Gasdosiermodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (Y1-Y5) als Normally-Open-Ventile vor gesehen sind.

15. Gasdosiermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im Steuerblock (13) enthaltenen Ventile zur Durchführung unterschiedlicher Dosier- bzw. Spülpro gramme steuerbar sind.

16. Gasdosiermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallplatte (21) gegen den Eingangsdruck (P1) vorgespannt ist.

17. Verwendung eines Gasdosiermoduls nach einem der vorher gehenden Ansprüche, in einer Gasdosieranlage zum Begasen einer Nichteisen metallschmelze.

18. Verwendung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Begasung mit Hilfe eines Porössteines oder ei nes Bauteils mit gleicher technischer Wirkung erfolgt.