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Verfahren undVorrichtung zum Einbringen von feinkörnigen Zusatzstoffen
unter die Oberfläche von Metallschmelzen Die Einbringung von feinkörnigen Zusatzstoffen
in 1,-letallschmelzen ist an sich bekannt. So wurde beispielsweise bereits vorgeschlagen,
pulverförmige Feststoffe durch ein in ein Eisenbad tauchendes Rohr einzupressen,
wobei der Vorschub durch einen Kolbenantrieb bewirkt wird. Es ist aber naheliegend,
daß eine solche Vorrichtung völlig ungeeignet wäre, wenn ein leicht reagierender
Feststoff, wie z. B. Magnesium, unter die Oberfläche, insbesondere tief unter die
Oberfläche einer Metallschmelze eingebracht werden soll, da dieser in seiner dichten
Packung und bei dem notwendig langsamen Vorschub im Einführungsrohr bereits schmelzen
und verdampfen und durch den Dampfdruck zu unbeherrschbaren gefährlichen Wallungen
im Eisenbad führen würde. Magnesium verdampft nämlich bereits bei 1102° C, und es
liegt diese Temperatur erheblich unter der tatsächlichen Temperatur einer Gußeisenschmelze;
weiter entsteht aus der Verdampfung von 1 kg ':L\lagnesium ungefähr eine Dampfmenge
von 5650 1, woraus die eben genannte Gefahr der Wallungen, die explosionsartigen
Charakter annehmen können, verständlich wird.
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Überdies wäre es nicht zu vermeiden, daß ein beträchtlicher Teil dieser
so großen und kurzfristig entwickelten Dampfmenge ungenützt aus dem Eisenbad entweichen
würde, bevor die beabsichtigte Reaktion mit diesem zustande kommt. Man hat zwar
zur Erniedrigung des Dampfdrucks die Verwendung von llagnesiumlegierungen an Stelle
des metallischen Magnesiums vorgeschlagen; dies bringt aber erhebliche -Nachteile
mit sich, die in der Einführung von an sich gar nicht erwünschten Legierungsstoffen
in das Eisen und in einer Vervielfachung des Preises gegenüber unlegiertem metallischem
Magnesium bestehen.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, geschmolzenen Phosphor durch
ein Einführungsrohr unter hvdraulischem Druck in ein Kupferbad einzupressen. Ein
solcher Vorgang mag unter bestimmten Voraussetzungen praktisch durchführbar sein,
läßt sich aber auf keinen Fall auf die Einführung von feinkörnigen, leicht reagierenden
Stoffen, wie z. B. metallischem iNlagnesium, in Metallschmelzen, wie z. B. Eisenschmelzen,
übertragen.
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Es wurden daher Verfahren entwickelt, welche es ermöglichen sollten,
auch leicht reagierende, feinkörnige Zusatzstoffe unter die Oberfläche von Metallschmelzen
einzubringen, ohne daß diese schmelzen oder verdampfen, und es wurde zu diesem Zwecke
die Verwendung eines Trägergases als Transportmittel für diese Zusatzstoffe vorgeschlagen.
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Die Erfindung bezieht sich nun auf ein derartiges Verfahren zur Einbringung
von leicht reagierenden, feinkörnigen, festen Zusatzstoffen, wie beispielsweise
Magnesium, unter die Oberfläche, insbesondere tief unter die Oberfläche von Metallschmelzen
unter Vermittlung eines Trägergases, das als Transportmittel für die Feststoffe
dient. Bei einem derartigen Verfahren ist es aber erforderlich, daß eine Reaktion
solcher leicht reagierenden Zusatzstoffe mit dem Trägergas vermieden wird. Als Trägergas
mußte daher ein Gas gewählt werden, welches auch bei den auftretenden hohen Temperaturen
noch als Schutzgas wirksam ist und keine Verbindung mit diesen Feststoffen eingeht.
Stickstoff z. B. reagiert bei erhöhten Temperaturen mit Aluminium, Titan oder Magnesium,
welche als Feststoffe für die Einbringung in Eisenschmelzen in Betracht kommen,
energisch unter Bildung von Nitriden. Man war daher gezwungen, als Trägergas ein
Edelgas, wie z. B. Argon, zu verwenden, welches auch noch bei hohen Temperaturen
als Schutzgas wirksam bleibt. Jedoch wird wegen des hohen Preises solcher Edelgase
das Verfahren unwirtschaftlich. Auch die bereits vorgeschlagene Maßnahme, die Temperatur
derart hoch zu halten, daß infolge des hohen Dissoziationsdruckes eine Reaktion
zwischen den Feststoffen und dem Trägergas vermieden wird, hat praktisch nicht zum
Erfolg geführt.
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Die Erfindung zielt nun darauf ab, diese Schwieriglceiten zu vermeiden
und besteht im wesentlichen darin, daß bei Verwendung eines nur bei tieferen Temperaturen
als Schutzgas wirksamen Trägergases, insbesondere Stickstoff, das Feststoff-Gas-Gemisch
auf seinem Wege bis knapp vor der Berührung mit der Schmelze
gekühlt,
zweckmäßig unter der Temperatur, bei welcher eine Reaktion des Trägergases mit dem
Feststoff erfolgt, gehalten wird. Auf diese Weise ist es möglich, von der Verwendung
von Edelgas als Trägergas abzusehen und wesentlich billigere Gase, wie z. B. Stickstoff,
als Trägergas zu verwenden und das Feststoff-Gas-Gemisch ohne schädliche Temperaturerhöhung
tief unter die Badoberfläche in die Schmelze einzubringen. Durch diese Kühlung muß
die Temperatur des Feststoff-Gas-Gemisches auf seinem Weg in die Schmelze zumindest
so tief gehalten werden, daß die Reaktion zwischen Feststoff und Gas verzögert wird
und keine nennenswerte Reaktion zwischen Feststoff und Gas eintritt. Naturgemäß
ist es zweckmäßig, durch die Kühlung die Temperatur des Feststoff-Gas-Gemisches
unterhalb derjenigen Temperatur, bei welcher eine Reaktion des Gases mit dem Feststoff
überhaupt erfolgt, zu halten, so daß auch kleine Verluste an Zusatzstoffen vermieden
werden. Auf diese Weise kann z. B. Aluminium, Ferrotitan oder Magnesium unter Vermittlung
von Stickstoff als Trägergas ohne weiteres tief unter die Oberfläche einer Eisenschmelze
eingebracht werden. Es kann beispielsweise Magnesium in Gußeisenschmelzen zur Herstellung
von Gußeisen mit kugeligem Graphit oder in Roheisen-, Gußeisen- oder Stahlschmelzen
zur Desoxydation oder Entschwefelung eingebracht werden. Die in die Schmelze eingebrachten
Magnesiummengen können entsprechend dem Bedarf bzw. der Temperatur und dem Schwefel-
und Sauerstoffgehalt der Schmelze in den ungefähren erfahrungsgemäßen Grenzen von
0,5 bis 10 g pro Sekunde und pro 100 kg Metallschmelze derart bemessen werden, daß
der Prozeß möglichst ruhig und unter weitgehender Ausnützung der eingebrachten Magnesiummengen
verläuft. Die in der Zeiteinheit eingebrachte Magnesiummenge kann vorteilhaft entsprechend
der Aufnahmefähigkeit der Schmelze im Bereich der Einbringungsstelle bemessen werden,
so daß das eingebrachte Magnesium von der Schmelze möglichst verlustfrei aufgenommen
werden kann. Insbesondere bei größeren Mengen der Schmelze bzw. bei größeren Eisenmengen
in der Pfanne erscheint es zweckmäßig, das Magnesium an mehreren Stellen gleichzeitig
in die Schmelze einzubringen, wodurch eine bessere und schnellere Verteilung des
Magnesiums im Bad erfolgt.
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Es können aber auch beliebige, leicht oxydierbare Legierungsmetalle
in Metallschmelzen verschiedener Art in der erfindungsgemäßen Weise eingebracht
werden. Beispielsweise können auch feinverteilte Feststoffe zur Erzielung einer
sogenannten Impfwirkung in Gußeisen- oder Stahlschmelzen in dieser Weise eingeführt
werden.
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Die Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
im wesentlichen gekennzeichnet durch ein mit einem Kühlmantel umgebenes, in eine
Düse mündendes Zuführungsrohr für das Feststoff-Gas-Gemisch, wobei als Kühlmedium
ein gasförmiges Medium, wie Preßluft, oder gegebenenfalls eine Kühlflüssigkeit Verwendung
finden kann.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles
schematisch erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine Zuführungsvorrichtung im Längsschnitt, während Fig.
2 einen Querschnitt nach Linie II-II der Fig. 1 darstellt.
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1 stellt das Zuführungsrohr für das Feststoff-Gas-Gemisch dar. Dieses
Zuführungsrohr mündet unten in eine Düse 2 mit verhältnismäßig kleiner Düsenöffnung
3 und ist von einem doppelten Kühlmantel 4, 5 umgeben. Die ringförmigen Kühlmantelräume
4 und 5 sind durch ein Rohr 6 voneinander getrennt, welches am unteren Ende durch
eine Scheibe 7 gegenüber dem Zuführungsrohr 1 zentriert ist. Das Kühlmedium, welches
bei dem Ausführungsbeispiel der Zeichnung Preßluft ist, wird im inneren Ringraum
4 über einen Rohranschluß 8 zugeführt, strömt am unteren Ende des Rohres 6 über
Löcher 9 der Scheibe 7 dem äußeren Kühlmantel 5 zu und strömt aus diesem über eine
Öffnung 10 ab. Der äußere Kühlmantel 5 ist durch ein Rohr 11 begrenzt, welches in
die Schmelze eintaucht und durch einen Schutzüberzug 12 aus feuerfestem Material,
wie Graphit oder Chamotte, gegen die Schmelze geschützt ist. Die Düse 2, welche
keine Kühlung mehr aufweist, ist möglichst kurz ausgebildet und auswechselbar an
das Rohr 11 angesetzt. Als Material für diese Düse 2 können an sich bekannte keramische
Massen oder bei der Verwendung der Vorrichtung für Eisenschmelzen Graphit verwendet
werden.
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An das obere Ende des Zuführungsrohres 1 bzw. des Rohres 11 ist ein
Behälter 13 angesetzt, welcher den Feststoff enthält. Dieser Behälter läuft in einen
Trichter 14 aus, dessen Öffnung 15 durch die kegelförmige Spitze 16 einer hohlen
Spindel 17 abgeschlossen werden kann. Diese Spindel 17 führt das Trägergas, welches
ihr über einen Anschluß 18 zugeführt wird, und ist höhenverstellbar gelagert, so
daß ein Ringspalt zwischen der Öffnung 15 des Trichters 14 und der hohlen Spindelspitze
16 eingestellt Waden kann, durch welchen der feinkörnige Feststoff aus dem Behälter
16 durch die Injektorwirkung des durch die hohle Spindel 17 strömenden Gases mitgenommen
wird. Durch Höhenverstellung der Spindel 17 wird die Injektorwirkung des Trägergases
verändert und dadurch der dem Bad zuzuführende Feststoff dosiert. Zu diesem Zweck
ist die Spindel 17 in einem Innengewinde 20 eines Handrades 19 geführt, welches
im Deckel 21 des Behälters 13 drehbar gelagert ist, so daß die Einstellung des Ringspaltes
an der Spindelspitze 16 durch Verdrehung des Handrades 19 gegenüber der gegen Verdrehung
gesicherten Spindel 17 erfolgen kann. Diese Vorrichtung ermöglicht eine genaue Dosierung
des feinkörnigen Zusatzstoffes bei minimalem Verbrauch an Trägergas. Eine solche
Dosierung ist in jenen Fällen wichtig, in welchen eine heftige Reaktion zwischen
den Zusatzstoffen und der Metallschmelze auftritt, da in solchen Fällen eine übermäßige
Dosierung sogar zu Explosionen an der Einführungsstelle führen kann.
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Wie die Zeichnung zeigt, ist die Düse in abgewinkelter Stellung an
das Rohr 11 angesetzt. Dies entspricht dem Umstand, daß das Rohr 11 aus konstruktiven
Gründen im allgemeinen schräg angeordnet sein muß, wobei es jedoch vorteilhaft ist,
das Feststoff-Gas-Gemisch senkrecht nach unten in die Schmelze zu blasen, so daß
sich ein Gaspolster um die Düse 2 bildet, welcher diese in gewissem Maße gegen die
Einwirkung der Schmelze schützt.