DE102015002529A1

DE102015002529A1 - Apparatus and method for separating non-metallic inclusions from liquid metals

Info

Publication number: DE102015002529A1
Application number: DE102015002529.5A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2015-03-02
Publication date: 2016-06-16
Also published as: DE202014009952U1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zum Abscheiden nichtmetallischer Einschlüsse aus flüssigen Metallen an einem dafür vorgesehenen keramischen Abscheider oder einem Blindlauf. Kennzeichen der Erfindung ist, dass unterschiedliche Massenträgheiten genutzt werden, um mittels einer permanenten Rotation der Metallschmelze ohne Führung und definierten Endpunkt, nichtmetallische Bestandteile an einem radial innenliegenden keramischen Abscheider zu binden, oder durch den Verdrängungsdruck in einem Blindlauf zu halten. Gleichzeitig kann Metallschmelze, bedingt durch ihre hohe Massenträgheit, an der radial außenliegenden Wand gereinigt entnommen werden.The invention relates to an apparatus and method for separating non-metallic inclusions from liquid metals on a designated ceramic separator or a blind run. Characteristic feature of the invention is that different mass inertias are used in order to bind nonmetallic constituents to a radially inner ceramic separator by means of a permanent rotation of the molten metal without guidance and defined end point, or to hold it in a reactive run by the displacement pressure. At the same time molten metal, due to their high inertia, can be removed cleaned on the radially outer wall.

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für die Abscheidung größerer und kleinerer fester nichtmetallischer Teilchen aus metallischen Schmelzen und der Entnahme gereinigter Metallschmelze.The invention relates to a device for the deposition of larger and smaller solid nonmetallic particles from metallic melts and the removal of purified molten metal.

PROBLEMSTELLUNGPROBLEM

Das Problem besteht darin, dass aufgrund stetig steigender Rohstoffpreise immer mehr recycelte Materialien, Kreislauf und günstigere, meist verunreinigte Einsatzstoffe Verwendung finden, deren Schlackenbildung entsprechend hoch ist. Hinzu kommt, dass die Qualität dieser Werkstoffe durch immer mehr Zuschlagstoffe, wie Impfmittel und Modifizierungsmittel gesteigert wird, die aber zusätzliche Schlackenbildung bewirken können. Demgegenüber stehen immer höhere Qualitätsanforderungen an die vergossenen Werkstoffe. Drosseinschlüsse (Schlacken machen oft den Hauptanteil von Dross aus) in Metallen wirken sich grundsätzlich negativ auf alle Kriterien der Qualität aus, und sind deshalb zu vermeiden.The problem is that due to steadily rising raw material prices more and more recycled materials, circulation and cheaper, mostly contaminated feedstocks are used whose slag formation is correspondingly high. In addition, the quality of these materials is increased by more and more aggregates, such as inoculants and modifiers, but can cause additional slagging. In contrast, there are ever-higher quality requirements for the cast materials. Drosiness (slag often accounts for the majority of Dross) in metals has a fundamentally negative effect on all quality criteria and should therefore be avoided.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Zur Entfernung nichtmetallischer Einschlüsse aus flüssigen Metallen (höherer Reinheitsgrad von Metallen) unmittelbar vor dem Befüllen einer Gießform werden in der Industrie drei Verfahren eingesetzt. Am gebräuchlichsten sind Techniken mit Schwerkraftabscheidung (1.), daneben hat sich in den letzten Jahren vermehrt die Filterung der Schmelze mittels keramischer Filter (2.) durchgesetzt. Demgegenüber haben Reinigungstechniken mittels Rotation (3.) wenig Verbreitung gefunden.

1. Die älteste Form der Abscheidung nichtmetallischer Bestandteile aus Schmelzen nutzt den Dichteunterschied zwischen reinen Metallen (z. B. Flüssigeisen; Dichte: 7,86 g/cm³) und nichtmetallischen Verunreinigungen (z. B. Schlacke beim Induktionstiegelofen: 40–70% SiO₂ (2,65 g/cm³); 10–30% FeO (5,70 g/cm³); 2–12% Al₂O₃ (3,9 g/cm³); 2–10% MnO₂ (5 g/cm³); [1] und dem daraus resultierenden Aufsteigverhalten (Konzentration auf der Oberfläche von Schmelzebädern). Stopfenpfanne, Tümpel und Querlauf nutzen dieses Aufsteigverhalten nichtmetallischer Beimengungen zur Abscheidung, einzeln, meist aber Kombination verwendet. Der Transport an die Schmelzoberfläche findet jedoch sehr langsam statt, da die Verunreinigungen auf ihren Weg durch eine stehende Schmelze Widerstand erfahren. Bei fließenden Schmelzen kommt noch ein Kraftvektor hinzu, der rechtwinklig zur Auftriebskraft wirkt. Das führt zu technologisch ungünstigen Verweilzeiten in Pfannen und Tümpeln, sowie zu langen, viel Platz und Material bindenden Querlaufsystemen. Hinzu kommt, dass clusterförmige nichtmetallische Partikel, die aufgrund ihrer geringen Größe Eigenschaften besitzen, welche vom makroskopischen Festkörper abweichen können, wenig bis kein Auftrieb erfahren und so nicht abgeschieden werden.
2. Weite Verbreitung haben dagegen keramische Filter gefunden. Die Theorie der Filtration durch Keramiken ist gut beschrieben bei von B. Wiener [2]. Das am häufigsten verwendete System nutzt das vollständige Durchströmen von Filtern, um nichtmetallische Verunreinigungen auf (Sieb-, Kuchenfiltration) und in (Innen- oder Tiefbettfiltration) hochporösen Keramiken abzuscheiden. Bei geringen Schmelzemengen und druckfreien Anschnittsystemen erzielt dieses Verfahren hohe Abscheidegrade. Hohe Flüssigmengen und die bei Großguss praxisüblichen hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids durch große Eingusshöhen führen dagegen zu erheblichen Nachteilen: > geringe thermische und mechanische Beständigkeit der Filter; hohe Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur, sowie spröde oder beschädigte Keramiken führen oft zum Erweichen bzw. Bruch von Filtern, die den Guss dann zusätzlich verunreinigen. > herkömmliche Filter besitzen eine begrenzte Aufnahmekapazität, ist diese erschöpft und sind die Filter zugesetzt, kann der Gießvorgang vorzeitig beendet sein, deshalb muss oft eine Vielzahl Filter/Anschnitte verwendet werden. > der hohe Strömungswiderstand der Filter; dieser verursacht Flüssigkeitsrückstau und damit langsamere Formfüllung, die sich nachteilig auf die Gießformen auswirken kann (Zerstörung durch Infrarotstrahlung); auch wird die Oxidationszeit der Schmelze in der Form verlängert. > das schlechtes Priming-Verhalten von Filtern; Priming ist das Eindringen der Gießstömung in den Filter, so dass alle Filterporen vollständig gefüllt werden und es zu einer vollständigen Gießströmung durch den Filter kommt. Schlechtes Priming-Verhalten kann zur Erstarrung des Metalls im Filter führen, was den Gießvorgang vorzeitig beenden kann. Deshalb ist es üblich, die Gießtemperatur beim Filterguss um ca. 20–30°C zu erhöhen. Dies verursacht jedoch bei dickwandigem Guss eine erhöhte Neigung zur Lunkerbildung. Um diese Nachteile weitgehend zu vermeiden, wurden Techniken entwickelt, bei denen der Filter von der Schmelze nicht mehr vollständig durchdrungen wird und bei dem die Schmelze nicht rechtwinklig auf die Keramik trifft. Anwendung fand das beim Umlenkabscheider und dem Spiralabscheider, wie sie von J. Hanutsch [3] beschrieben werden. In diesen Untersuchungen offenbarte der Umlenkabscheider nach EP 0376 523 A1 eine geringe Abscheiderate und andere Nachteile, wie eine starke Turbulenzerzeugung, die Aufhebung von Trägheitswirkungen durch wechselnde Stömungsrichtung und die Erosion von keramischen Leitflächen. Derzeit ist, vermutlich daher, keine Anwendung in der Praxis bekannt. Die Vermeidung dieser Effekte durch den Spiralabscheider ist im Patent DE 197 56 687 C1 beschrieben. Der Spiralabscheider soll speziell den Durchfluss sehr großer Schmelzemengen, wie beim maschinellen Stahlstrangguss, ermöglichen. Jedoch hat der Spiralabscheider bislang beim Vergießen von Metallen in Sandformen oder Kokillen keine Verbreitung gefunden. Das dürfte daran liegen, dass > größere oder zusammenhängende Verunreinigungen, die nicht durch den Filter gebunden werden können, durch den Gießstrom mitgerissen und die Spirale durchqueren, ohne zurückgehalten zu werden, weil eine Sieb- oder Kuchenfiltration durch den rechtwinklig zum Abscheider verlaufenden schnellen Schmelzefluss kaum möglich ist. > die durch die Massenträgheit aufgebaute Partikeltrennung aufgrund der Konstruktion (Spiralform) nicht vollständig genutzt werden kann, um am Ende der Spirale weitere Abscheideverfahren, wie einen Blindlauf zum Auffangen von größeren und durch den Filter nicht gebundener Partikel, oder die Entnahme der von durch die Zentrifugalkraft gereinigter Metallschmelze vorzusehen. Stattdessen findet am Ausgang eine erneute Mischung aller Schmelzebestandteile statt. > durch die stark geführte Konstruktion (Spiralgänge) die Anzahl der Umdrehungen vorgegeben wird und damit begrenzt ist, zudem geht die Fläche zwischen den Spiralgänge als Abscheidefläche verloren. Diese Faktoren bedingen, dass für höhere Abscheideraten die Länge der Spirale erhöht werden muss und große Partikel trotzdem nicht gebunden werden.
3. Eine weitere Möglichkeit zur Reinigung einer Schmelze stellt die Schlackenabsonderung rein durch Rotation dar, wie sie die Drehmassel oder der Wirbeltrichter umsetzt. Beschrieben sind beide Systeme in „Fachkunde für gießereitechnische Berufe” [4]. Beide Systeme sind seit langem bekannt, werden jedoch heute aufgrund ihrer Nachteile häufig durch Keramikfilter ersetzt. Zu den Nachteilen der Schlackenabsonderung durch Rotation und Auftrieb zählen bisher: > die zu langsame Abscheidung der Verunreinigungen; Konzentration der Partikel durch die Zentrifugalkraft in der Kammermitte, Aufstieg der Partikel durch die Auftriebskraft an die Kammerdecke (Drehmassel) oder in ein Steigrohr (Wirbeltrichter). Ferner können Verwirbelungen und Turbulenzen die nichtmetallischen Partikel dem Schmelzestrom erneut zuführen, bevor diese abgeschieden werden. Weiter macht die Verwendung des Auftriebs als maßgebliche Separierungskraft den Einbau beider Systeme lageabhängig, das heißt sie benötigen eine exakte vertikale Aufstellung. > die unzureichende Bindung der bereits abgeschiedenen Partikel, die vom Schmelzestrom erneut erfasst und mitgerissen werden können. > beim Wirbeltrichter das nach oben offene System, wodurch die Gefahr des Ansaugens von Luft und damit die Oxidation der Schmelze besteht.

For the removal of non-metallic inclusions from liquid metals (higher degree of purity of metals) immediately before the filling of a casting mold, three methods are used in industry. The most common are gravitational separation techniques ( 1 In addition, in recent years, the filtering of the melt by means of ceramic filters ( 2 .) enforced. In contrast, cleaning techniques using rotation ( 3 .) found little distribution.

1. The oldest form of deposition of non-metallic constituents from melts utilizes the difference in density between pure metals (eg molten iron, density: 7.86 g / cm ³ ) and non-metallic impurities (eg slag in induction crucible furnace: 40-70% SiO ₂ (2.65 g / cm ³ ), 10-30% FeO (5.70 g / cm ³ ), 2-12% Al ₂ O ₃ (3.9 g / cm ³ ), 2-10% MnO ₂ (5 g / cm ³ ); [1] and the resulting rising behavior (concentration on the surface of molten baths).) Stopper ladle, pond and cross-section use this ascending behavior of non-metallic admixtures for separation, individually but usually used in combination Melting surface, however, takes place very slowly because the impurities on their way through a standing melt resist resistance.For flowing melts, a force vector is added, which acts at right angles to the buoyancy force.This leads to technologically unfavorable residence times in pots and ponds, and z u long, a lot of space and material binding cross-flow systems. In addition, cluster-shaped non-metallic particles, which, due to their small size, have properties that can deviate from the macroscopic solid, experience little or no buoyancy and are thus not separated.
2. Ceramic filters have been widely used. The theory of filtration through ceramics is well described by B. Wiener [2]. The most commonly used system utilizes full flow through filters to deposit non-metallic contaminants on (screen, cake filtration) and in (inner or deep bed filtration) highly porous ceramics. With low melt quantities and pressure-free gating systems, this process achieves high degrees of separation. On the other hand, high liquid volumes and the high flow velocities of the fluid which are customary for large-scale casting due to large runner heights lead to considerable disadvantages:> low thermal and mechanical resistance of the filters; high flow velocity and temperature, as well as brittle or damaged ceramics often lead to softening or breakage of filters, which then additionally contaminate the casting. > Conventional filters have a limited capacity, this is exhausted and the filters are added, the casting can be prematurely terminated, so often a variety of filters / gates must be used. > the high flow resistance of the filters; this causes fluid retention and thus slower mold filling, which can adversely affect the molds (destruction by infrared radiation); Also, the oxidation time of the melt is prolonged in the mold. > the poor priming behavior of filters; Priming is the penetration of the pouring stream into the filter so that all filter pores are completely filled and complete pouring flow through the filter occurs. Poor priming behavior can lead to solidification of the metal in the filter, which can prematurely end the casting process. It is therefore customary to increase the pouring temperature during filter casting by approx. 20-30 ° C. However, this causes an increased tendency to cavitation in thick-walled casting. In order to avoid these disadvantages as far as possible, techniques have been developed in which the filter is no longer completely penetrated by the melt and in which the melt does not strike the ceramic at right angles. Application found this at the deflection and the spiral separator, as described by J. Hanutsch. In these studies revealed the Umlenkabscheider after EP 0376 523 A1 a low rate of deposition and others Disadvantages, such as strong turbulence generation, the cancellation of inertial effects due to changing direction of flow and the erosion of ceramic fins. At present, presumably therefore, no application is known in practice. The avoidance of these effects by the spiral separator is in the patent DE 197 56 687 C1 described. The purpose of the spiral separator is to enable the flow of very large quantities of melt, such as machine-made steel casting. However, the spiral separator has so far found no dissemination when casting metals in sand molds or molds. This may be because> larger or contiguous contaminants that can not be bound by the filter are entrained by the pouring stream and traverse the spiral without being retained, because screen or cake filtration by the rapid melt flow perpendicular to the separator barely is possible. > Due to the construction (spiral shape), the particle separation built up by the inertia can not be fully utilized, at the end of the spiral further deposition processes, such as a blind run for collecting larger particles not bound by the filter, or the removal of the by the centrifugal force to provide cleaned molten metal. Instead, a new mixture of all melt components takes place at the exit. > the number of revolutions is specified by the strongly guided construction (spiral gears) and thus limited, moreover the area between the spiral gears as separation surface is lost. These factors require that for higher deposition rates, the length of the spiral must be increased and large particles are still not bound.
3. Another way to clean a melt is the slag separation pure by rotation, as they implement the rotary maze or the vortex funnel. Both systems are described in "Expertise in foundry-related professions" [4]. Both systems have long been known, but today are often replaced by ceramic filters due to their disadvantages. Among the disadvantages of slag separation by rotation and buoyancy include:> too slow deposition of impurities; Concentration of the particles by the centrifugal force in the middle of the chamber, ascent of the particles by the buoyancy force to the chamber ceiling (rotating lobe) or in a riser (spin funnel). Further, turbulence and turbulence may re-supply the non-metallic particles to the melt stream before they are separated. Furthermore, the use of buoyancy as a decisive separating force makes the installation of both systems dependent on the position, that is to say they require an exact vertical installation. > the insufficient binding of the already separated particles, which can be re-detected and entrained by the melt stream. > in the case of the spin funnel, the system which is open at the top, whereby there is a danger of the air being sucked in and thus the oxidation of the melt.

Ein entscheidender Anwendungsnachteil ist auch, dass Drehmassel und Wirbeltrichter aufgrund ihres großen Hohlraums eine Menge Kreislaufmaterial erzeugen. Daher kann mit derartigen Abscheidesystemen bisher kein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt werden.A crucial disadvantage of application is also that rotary mowing and vortex funnels generate a lot of circulation material because of their large cavity. Therefore, with such separation systems so far no satisfactory result can be achieved.

Als Fazit ist festzustellen: Derzeit kann keine Vorrichtung und kein Verfahren zur Abscheidung von Einschlüssen aus Metallschmelzen für sich allein zufriedenstellende Ergebnisse realisieren. Hohe Reinheitsgrade bei hoher Prozesssicherheit, ein flexibler und geringer Platzbedarfs, sowie moderate Kosten sind durch eines der oben genannten Verfahren jeweils nicht zu erzielen. Deshalb werden in der Praxis oft mehrere verschiedene Abscheideverfahren hintereinander geschaltet. Dies ist jedoch immer mit erhöhtem Aufwand verbunden.In conclusion, no device and no method for the deposition of inclusions from molten metal can achieve satisfactory results on their own. High levels of purity with high process reliability, a flexible and small footprint, and moderate costs can not be achieved by any of the above methods. Therefore, in practice often several different deposition processes are connected in series. However, this is always associated with increased effort.

AUFGABENSTELLUNGTASK

Aufgabe vorliegender Erfindung ist daher, die Vorteile der oben beschriebenen Techniken und Verfahren in einer Vorrichtung zu realisieren, und die angesprochenen Nachteile dabei zu vermeiden.Object of the present invention is therefore to realize the advantages of the above-described techniques and methods in a device, and to avoid the disadvantages mentioned.

LÖSUNGSOLUTION

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die gesamte durch einen tangentialen Anschnitt (1; 2) in eine zylindrische Kammer (1; 1 strömende Metallschmelze (1; 12) in Rotation versetzt wird und um einen hochporösen keramischen Abscheidekern (1; 6) rotiert. An dessen Außenwand scheiden sich die Verunreinigungen wegen des Benetzungsverhaltens zwischen Keramik, nichtmetallischen Teilchen und Schmelze ab und versintern mit der Wand. Die Kammer (1; 1) besteht aus einem glattwandigem, feuerfesten und verschleißresistenten Material.To achieve this object, the invention proposes that the whole by a tangential gate ( 1 ; 2 ) in a cylindrical chamber ( 1 ; 1 flowing molten metal ( 1 ; 12 ) is rotated and around a highly porous ceramic separator core ( 1 ; 6 ) rotates. On its outer wall, the impurities separate because of the wetting behavior between ceramic, non-metallic particles and melt and sinter with the wall. The chamber ( 1 ; 1 ) consists of a smooth-walled, refractory and wear-resistant material.

Diesem Verhalten der in einer Schmelze suspendierten nichtmetallischen Teilchen liegt zugrunde, dass ein um eine Rotationsachse geführtes Schmelzebad aufgrund seiner hohen Massenträgheit ein nach außen gerichtetes Druckfeld aufbaut. Für Teilchen, die gegenüber der Schmelze eine geringere Dichte besitzen (siehe Schlacke beim Induktionstiegelofen, oben), und damit eine geringere Massenträgheit aufweisen, entsteht so eine nach innen gerichtete resultierende Kraft. Unter dem Einfluss dieses Kraftvektors werden die nichtmetallischen Partikel auf sich immer weiter verringernde Kreisbahnen gebracht, bis sie von der Grenzflächenspannung der Innenwand (Außenwand des Abscheidekerns: 1; 6) eingefangen und abgeschieden werden.This behavior of the non-metallic particles suspended in a melt is based on the fact that a melt bath guided around a rotation axis builds up an outwardly directed pressure field due to its high mass inertia. For particles which have a lower density compared to the melt (see slag at the induction crucible furnace, above), and thus a lower one Mass inertia, thus creating an inward resultant force. Under the influence of this force vector, the non-metallic particles are brought to ever-decreasing circular orbits until they are separated from the interfacial tension of the inner wall (outer wall of the precipitation core: 1 ; 6 ) are captured and deposited.

In zweiter Funktion drängt das selbe Druckfeld am Ausfluss (1; 10) des Rotationsabscheiders die von den suspendierten Teilchen getrennte Schmelze durch ihre hohe Fliehkraft nach außen, wo das gereinigtes Metall entnommen werden kann.In the second function, the same pressure field at the outflow ( 1 ; 10 ) of the rotary separator, the melt separated from the suspended particles by their high centrifugal force to the outside, where the purified metal can be removed.

Schmelze, welche nicht entnommen werden konnte, setzt ihre Rotation um den Abscheidekern auch über den Ausfluss hinausgehend fort, weil sie nicht wie beim Spiralabscheider zwangsgeführt verläuft. Damit bleibt die Einwirkung von zwei Kräften (lageabhängig, drei Kräfte) auf zu diesem Zeitpunkt noch nicht gebundene Teilchen erhalten:
Die nichtmetallischen Teilchen werden nach wie vor an die Innenwand gedrückt, gleichzeitig erzeugt die durch den tangentialen Anschnitt nachströmende Schmelze einen zum Ausfluss hin gerichteten Kraftvektor. Befindet sich Zu- und Ausfluss des Rotationsabscheiders in vertikaler Lage, dann wirkt zusätzlich noch die Auftiebskraft auf die leichten Partikel ein. Diese drei Kräfte führen noch nicht gebundene oder für die Bindung am Filter zu große Teilchen an der Innenwand entlang, hinter den Ausfluss (bei 3 auch hinter den Zufluss) in einen Blindlauf (7), wo sie durch den Staudruck der nachströhmenden Schmelze festgehalten oder angelagert werden.Melt, which could not be removed, continues its rotation around the separation core also beyond the outflow, because it does not run in a forced manner as in the case of the spiral separator. Thus, the effect of two forces (position-dependent, three forces) remains on not yet bound particles at this time:
The non-metallic particles are still pressed against the inner wall, at the same time generates the inflowing through the tangential gate melt a directed towards the outflow force vector. If the inflow and outflow of the rotary separator are in a vertical position, then in addition the Auftiebskraft acts on the light particles. These three forces carry unbound or too large particles along the inner wall for binding to the filter, behind the outflow (at 3 also behind the inflow) into a blind run ( 7 ), where they are held or deposited by the back pressure of the afterflowing melt.

In einer vorteilhaften Ausführung ist der Rotationsabscheider (Kammerwand (1) und Abscheidekern (6)) in der Mitte geteilt ausgeführt (2; 8 und 3; 8).In an advantageous embodiment, the rotary separator (chamber wall ( 1 ) and separating core ( 6 )) in the middle divided ( 2 ; 8th and 3 ; 8th ).

Die Teile sind durch ein Muffe/Nippel-System verbunden und gehalten, dadurch lassen sie sich einfacher herstellen und transportieren, außerdem ergibt sich die Möglichkeit den Rotationsabscheider durch das Einfügen zusätzlicher Teilsegmente zu verlängern und so die Abscheidefläche für den Vorbeifluss größerer Materialmengen zu erhöhen.The parts are connected and held by a sleeve / nipple system, making them easier to manufacture and transport, also gives the opportunity to extend the rotary separator by inserting additional sub-segments and thus increase the Abscheidefläche for the flow of larger amounts of material.

Durch die Teilung ergibt sich auch die Möglichkeit, Zu- und Abfluss zueinander zu verdrehen, so lässt sich der Winkel von Zu- und Abfluss den örtlichen Erfordernissen anpassen lassen.As a result of the division, it is also possible to turn inflow and outflow to one another, so that the angle of inflow and outflow can be adapted to the local requirements.

Der Abscheider kann nach dem Zusammenstecken gemeinsam mit dem Modell in den Formkasten/Grube eingebracht werden, sein hohler Innenraum (9) wird dann mit einem Formsand-Binder/Härter-Gemisch gefüllt, der tangentiale Zulauf (2) mit dem Eingussrohr (2; 4) verbunden, vom Auslauf (10) führt ein Rohrsystem an das Modell. Der Abscheider kann praktisch in jeder Lage im Anschnittsystem platziert werden und wird wie alle anderen Bestandteile außen vollständig mit Formsand umgeben und abgedichtet.The separator can be introduced after mating together with the model in the mold / pit, its hollow interior ( 9 ) is then filled with a molding sand binder / hardener mixture, the tangential inlet ( 2 ) with the sprue ( 2 ; 4 ), from the outlet ( 10 ) a pipe system leads to the model. The separator can be placed in virtually any position in the gating system and, like all other components, is completely surrounded and sealed with molding sand on the outside.

Die Vorteile des neuen Rotationsabscheiders sind:

> die permanente Einwirkung einer radialen Kraft auf die Schmelze, durch eine sich stetig fortsetzende nicht zwangsgeführte Rotation um eine Achse, welche die leichten nichtmetallischen Teilchen an die Innenwand des Abscheiders führt und die schwere gereinigte Metallschmelze an die Außenwand, wo beide abgeschieden werden.
> die permanente Kraftwirkung eines vom Einlauf ausgehenden Strömungsvektors in Richtung Ausfluss (2), aber auch in die Gegenrichtung (3), welcher in den Blindläufen einen stetigen Staudruck erzeugt, der wiederum leichte Partikel gefangen hält.
> das zusätzliche Wirken der Auftriebskraft bei vertikaler Lagerung des Rotationsabscheiders, welche die leichten nichtmetallische Teilchen in einen Blindlauf abscheidet.
> der geringen Neigung zu Turbulenzen beim Durchfließen der Schmelze des vollständig gefülltem Abscheiders; Turbulenzen spielen bei der Wirkung des Rotationsabscheiders keine Rolle, sie könnten die Effektivität der wirkenden Kräfte sogar vermindern und zu einer zusätzlichen Oxidation der Schmelze führen.
> der Rotationsabscheider kombiniert die nachgewiesenen hohen Abscheidegrade durch Massenträgheit mit der Wirksamkeit der traditionellen Abscheidung durch die Auftriebskraft in einer Vorrichtung, reduziert dadurch den Material- und Platzverbrauch der durch die Hintereinanderschaltung verschiedener Abscheideverfahren entsteht.
> geringe Zerstörungsanfälligkeit und Erosion der keramischen Leit- bzw. Abscheideflächen durch die Vermeidung von Staupunktströmungen (senkrechtes Anströmen von Flächen); sehr hohe konstruktions- und materialbedingte mechanische Festigkeiten (mögliche Faserverstärkung). Ein Filterbruch, wie bei Schaumkeramikfiltern oft beobachtet, ist sehr unwahrscheinlich.
> der Rotationsabscheider benötigt für seine Funktion einen gewissen Druck im Gießsystem, wie es beim Großguss durch große Eingusshöhen üblich ist, was in der Praxis jedoch oft zum Versagen der herkömmlichen Filtertechnik (druckbedingter Schlackedurchsatz, Filterbruch) führt. Beim Rotationsabscheider kann im Inneren der Durchlaufquerschnitt (2; 11) reduziert werden, um eine leichte lokale Druckerhöhung zu erzielen (Verstärkung der Zentrifugalkraft) und Separierungswege zu verkürzen. Deshalb und durch die Reibung an der Abscheiderwand kann er nach außen hin, bei entsprechendem Anschnittquerschnitt, zur Druckreduzierung im gesamten Gießsystem beitragen.
> der Durchlaufquerschnitt des Rotationsabscheiders ist hinreichend groß um einen Druckabfall zu Beginn des Gießprozesses (speziell im Vergleich zu Schaumkeramikfiltern) zu vermeiden. Ein Priming-Effekt (Ist das Zusetzen des Filters durch die teilweise Erstarrung des Metalls in den Filterporen zu Gießbeginn.) tritt nicht auf.
> kein Zusetzen des Abscheiders möglich; lokal vermehrten Abscheidungen sind durch den druckbedingt kräftigen aber gleichförmigen Schmelzfluss unwahrscheinlich, außer in den Blindläufen, dort ist es jedoch gewollt und stört den Schmelzdurchfluss durch den Abscheider nicht.
> die bevorzugte Lagerung während des Einsatzes ist vertikal, um die Wirkung der Auftriebskraft voll auszunutzen; bei entsprechend hohem Gießdruck (Eingusshöhen > 1 m) überwiegt die Wirkung der Zentrifugalkraft und des Staudrucks der Schmelze die der Auftriebskraft, so dass jeder Winkel bis hin zu einer horizontalen Lagerung möglich ist (2). Bei 3 lassen sich zusätzlich Zu- und Auslauf vertauschen, weil beide Abscheiderhälften baugleich sind, dadurch ist eine Einbaulage von 360° in den Formkasten/Grube möglich.
> Zu- und Ausfluss sind zueinander in jedem sich auf der Mittelachse des zylindrischen Abscheiders befindenden Winkel einstellbar.
> der Schmelzemengendurchsatz und die Abscheidewirkung lassen sich beim Rotationsabscheider durch die Vergrößerung der keramischen Abscheidefläche des Kerns erhöhen; die Teilung des Abscheiders in der Mitte erlaubt das Einfügen von ein bis mehrere Verlängerungsstücken des Abscheidekerns und der Außenwand.
> Der Rotationsabscheider kann in jedes druckbeaufschlagte Anschnittsystem nach dem Einguss eingefügt werden. Seine Funktion ist auch unabhängig vom verwendeten Formstoffsystem, da es lediglich eine stützende, füllende und abdichtende Funktion hat.

The advantages of the new rotary separator are:

> the permanent action of a radial force on the melt, by a continuous, not necessarily guided rotation about an axis, which leads the light non-metallic particles to the inner wall of the separator and the heavy, purified molten metal to the outer wall, where both are deposited.
> the permanent force effect of a flow vector coming from the inlet towards the outflow ( 2 ), but also in the opposite direction ( 3 ), which generates a steady back pressure in the blind runs, which in turn keeps light particles trapped.
> The additional effect of the buoyancy force on vertical storage of the rotary separator, which separates the light non-metallic particles into a blind run.
> the slight tendency to turbulence when flowing through the melt of the completely filled separator; Turbulence plays no role in the action of the rotary separator, they could even reduce the effectiveness of the forces acting and lead to additional oxidation of the melt.
> The rotary separator combines the proven high inertia separation rates with the effectiveness of traditional separation by the buoyancy force in one device, thereby reducing the material and space requirements created by connecting different separation processes in series.
> low susceptibility to destruction and erosion of the ceramic conduction or separation surfaces by avoiding stagnation point flows (vertical flow of surfaces); very high mechanical and material-related mechanical strengths (possible fiber reinforcement). A filter break, as often observed in foam ceramic filters, is very unlikely.
> The rotary separator requires a certain pressure in the casting system for its function, as is usual in large-scale casting by means of large pouring heights, but in practice often leads to the failure of conventional filter technology (pressure-induced slag throughput, filter breakage). In the rotary separator can inside the flow cross-section ( 2 ; 11 ) can be reduced to achieve a slight local pressure increase (increase in centrifugal force) and to shorten separation paths. Therefore, and by the friction at the Separator wall, he can contribute to the outside, with a corresponding gate cross-section, to reduce the pressure throughout the casting system.
> The flow cross-section of the rotary separator is sufficiently large to avoid a pressure drop at the beginning of the casting process (especially in comparison to foam ceramic filters). A priming effect (If the filter becomes clogged by the partial solidification of the metal in the filter pores at the start of pouring), it does not occur.
> no clogging of the separator possible; locally increased depositions are unlikely due to the pressure-driven strong but uniform melt flow, except in the blind runs, where it is intentional and does not interfere with melt flow through the trap.
> the preferred storage during use is vertical, to take full advantage of the buoyancy force; With correspondingly high casting pressure (pouring heights> 1 m), the effect of the centrifugal force and the back pressure of the melt outweighs the buoyancy force, so that every angle is possible up to a horizontal storage ( 2 ). at 3 can be additionally swapped inlet and outlet, because both separator halves are identical, thereby an installation position of 360 ° in the mold box / pit is possible.
> Inflow and outflow are mutually adjustable in each angle located on the central axis of the cylindrical separator.
> the melt flow rate and the separation efficiency can be increased in the rotary separator by increasing the ceramic separation area of the core; the separation of the separator in the center allows the insertion of one to several extension pieces of the separating core and the outer wall.
> The rotary separator can be inserted into any pressurized gate system after the gate. Its function is also independent of the molding system used, as it only has a supporting, filling and sealing function.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENDESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Einzelheiten der Funktion ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele. Für den Rotationsabscheider angegebene Abmessungen sind vorläufige Angaben. Sie werden in der Hauptsache abhängig sein vom gewünschten Massendurchsatz und dem verwendeten Eingussrohrquerschnitt. Die zugehörigen Darstellungen beschreiben schematisch einen:Details of the function will become apparent from the following description of two embodiments. Dimensions given for the rotary separator are provisional. You will depend mainly on the desired mass flow rate and the used sprue cross section. The accompanying diagrams schematically describe a:

1 zeigt einem Querschnitt des Rotationsabscheiders mit Schittebene durch den tangentialen Zulauf (2), seinem Gehäuse (1) mit einem rechtwinklig zur Kammeraußenwand angeordneten Auslauf (10), dem innenliegenden keramischen Abscheidekern (6) mit Eigengewicht sparendem Hohlraum (9) und der angedeuteten Fließrichtung der Metallschmelze (12) im Rotationsraum (11). 1 shows a cross section of the rotary separator with cutting plane through the tangential inlet ( 2 ), its housing ( 1 ) with a right angle to the chamber outer wall arranged outlet ( 10 ), the internal ceramic separator core ( 6 ) with self-weight-saving cavity ( 9 ) and the indicated flow direction of the molten metal ( 12 ) in the rotation space ( 11 ).

2 zeigt das Gehäuse (1) des Rotationsabscheiders aus 1 im Längsschnitt, einem Gießtümpel (3) mit Eingussrohr (4), der angedeuteten Fließrichtung der Schmelze (12) zum tangentialen Zulauf (2), dem keramischen Abscheidekern (6) und dem rechtwinklig angebrachten elliptischen Auslauf (10) mit dahinter liegendem Blindlauf (7). 2 shows the case ( 1 ) of the rotary separator 1 in longitudinal section, a pouring basin ( 3 ) with sprue ( 4 ), the indicated flow direction of the melt ( 12 ) to the tangential inlet ( 2 ), the ceramic separator core ( 6 ) and the right-angled elliptical spout ( 10 ) with blind run ( 7 ).

3 zeigt den Längsschnitt durch eine verbesserte Version des Rotationsabscheiders mit seiner Teilung (8). Im Unterschied zu 2 hat diese Version einen tangentialen Zu- und einen tangentialen Auslauf (2), zwei Blindläufe (7) an beiden Enden und einen etwas abgeänderten keramischen Kern (6) mit noch mehr Abscheidefläche in den Blindläufen. Beide Abscheiderhälften sind baugleich, sie unterscheiden sich lediglich durch das Verbindungsteilsystem (Muffe/Nippel-System, nicht dargestellt). Dadurch werden Zu- und Auslauf frei austauschbar. 3 shows the longitudinal section through an improved version of the rotary separator with its division ( 8th ). In contrast to 2 this version has a tangential inlet and a tangential outlet ( 2 ), two blind runs ( 7 ) at both ends and a slightly modified ceramic core ( 6 ) with even more separation area in the blind runs. Both separator halves are identical, they only differ by the connection subsystem (sleeve / nipple system, not shown). As a result, inlet and outlet are freely interchangeable.

4 zeigt als Einzelheit aus 3 den Blindlauf hinter dem Auslauf. In der Vergrößerung ist die rechtwinklig zum rotierenden Schmelzestrom (hier nicht dargestellt) verlaufende tubulenzarm kreisende Bewegung des Fluids (12) in den Blindläufen dargestellt, sowie die Entnahme der gereinigten Metallschmelze über den Auslauf (2) an der Kammeraußenwand (1). 4 shows as a detail 3 the blind run behind the spout. In the enlargement, the movement of the fluid, which is perpendicular to the rotating melt flow (not shown here), is of a tubulent-circular motion ( 12 ) in the dummy runs, as well as the removal of the purified molten metal via the outlet ( 2 ) on the chamber outer wall ( 1 ).

FUNKTIONSBESCHREIBUNG ANHAND DER ZEICHNUNGENFUNCTIONAL DESCRIPTION ACCORDING TO THE DRAWINGS

Die Flüssigmetallschmelze fließt in 2 aus dem Gießtümpel (3) durch das Eingussrohr (4) zum tangentialen Zulauf (2) des Rotationsabscheiders. Über diesen gelangt es in den Abscheiderraum, wo es gegen gegen das Innere der glatten keramischen Kammerwand (1) strömt und dabei in eine rotierende Bewegung um den Abscheidekern (6) gezwungen wird. In den durch den Gießdruck angeregten folgenden Rotationen um den hochporösen keramischen Kern (6) lagern sich die nichtmetallischen Bestandteile aufgrund ihrer geringen Massenträgheit an den Kern an und versintern im Weiteren mit diesem. Die nachströmende Schmelze drängt das im Rotationsraum (11) befindliche Fluid in Richtung des Auslaufs (10). Durch die sich ständig fortsetzende Rotation bleibt die Separierung (leichte Partikel in Kernnähe – gereinigte Schmelze nahe der Außenwand) kontinuierlich aufrechterhalten, so dass durch den Auslauf in der Außenwand nur die von Verunreinigungen befreite Metallschmelze ausströmt. Noch nicht gebundenen Partikel verweilen nicht in Nähe des Auslaufs (10), sondern werden durch die nachfolgende Schmelze, und bei vertikaler Lagerung des Rotationsabscheidersauch durch die Auftriebskraft, in den Blindlauf (7) getragen, wo sie an den Abscheidekern gebunden oder durch den Staudruck des nachfolgenden Fluids festgehalten werden. Nach dem Verlassen der gereinigten Schmelze durch den Auslauf (10) erfolgt deren Weiterleitung durch ein Rohr-Anschnitt-System zum Formhohlraum und dessen anschließende Befüllung.The liquid metal melt flows in 2 from the pouring pond ( 3 ) through the sprue ( 4 ) to the tangential inlet ( 2 ) of the rotary separator. About this it enters the Abscheiderraum, where it against against the interior of the smooth ceramic chamber wall ( 1 ) flows and thereby in a rotating movement around the separation core ( 6 ) is forced. In the subsequent rotations excited by the casting pressure around the highly porous ceramic core ( 6 ), the non-metallic constituents accumulate on the core due to their low mass inertia and subsequently sinter with it. The inflowing melt forces this in the rotation space ( 11 ) located fluid in the direction of the outlet ( 10 ). As a result of the constantly continuing rotation, the separation (light particles close to the core - cleaned melt near the outer wall) is continuously maintained, so that only the molten metal freed of impurities flows out through the outlet in the outer wall. Unbound particles do not stay close to the spout ( 10 ), but by the subsequent melt, and in vertical storage of the Rotationsabscheidersauch by the buoyancy, in the blind run ( 7 ), where they are bound to the separation core or held by the back pressure of the subsequent fluid. After leaving the cleaned melt through the outlet ( 10 ) is passed through a pipe-gate system to the mold cavity and its subsequent filling.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Rotationsabscheider-Kammeraußenwand; hohlzylindrische Kammer mit glatter keramischer Wand und einem Innendurchmesser mit dem Vier- bis Fünffachen des Aus-/Einlaufrohrdurchmessers und einer geteilten Länge (unverlängert) von ungefähr 1000 mm.Rotary separator chamber outer wall; hollow cylindrical chamber with a smooth ceramic wall and an inside diameter of four to five times the outlet / inlet pipe diameter and a divided length (undiluted) of about 1000 mm.
22: Tangentialer Zulauf in der Größe des Einfaufrohrdurchmessers, wahlweise auch nutzbar als Auslauf (nur 3),Tangential inlet in the size of the inlet tube diameter, optionally also usable as outlet (only 3 )
33: Gießtümpel,casting pool,
44: Eingussrohr,sprue,
55: Kernmarken; Steckverbindung, welche die Kammeraußenwand und den Abscheidekern in einem 2/3 Abstand oder im gleichen Abstand wie Eingussrohrdurchmessers hält.Core brands; Plug-in connection, which keeps the chamber outer wall and the separator core at a 2/3 distance or at the same distance as Eingußrohrdurchmessers.
66: Hochporöser keramischer Abscheidekern; hier als Hohlzylinder mit ca. 30–50 mm Wanddicke ausgeführt.Highly porous ceramic separator core; executed here as a hollow cylinder with about 30-50 mm wall thickness.
77: Blindlauf; ca. 150–200 mm lang, jeweils hinter dem Auslauf (2 und 3) und vor dem Zulauf (3) gelegen.Cold Run; approx. 150-200 mm long, behind the spout ( 2 and 3 ) and before the inlet ( 3 ).
88th: (angedeutete) Teilung der Abscheiderwandung und des Kerns, mit Muffe/Nippel-System verbunden, ermöglicht das Einfügen von Verlängerungen (Wandung + Kern) und das Verdrehen beider Hälften,(indicated) division of Abscheiderwandung and the core, connected with sleeve / nipple system, allows the insertion of extensions (wall + core) and the twisting of both halves,
99: Mit einem Formsand/Binder/Härter-Gemisch gefüllter und abgedichteter Hohlraum; spart Material und Eigengewicht. Auch von außen ist der Rotationsabscheider vollständig mit diesem Formsandgemisch eingehüllt, gestützt und abgedichtet.Cavity filled and sealed with a foundry sand / binder / hardener mixture; saves material and dead weight. Also from the outside of the rotary separator is completely wrapped with this molding sand mixture, supported and sealed.
1010: Auslauf; in Form einer rechtwinklig zur Kammerwand verlaufenden Öffnung in der Größe des Einfaufrohrdurchmessers (2),outlet; in the form of a right angle to the chamber wall opening in the size of the insertion tube diameter ( 2 )
1111: Hohlraum in welchem die Schmelze um den keramischen Abscheidekern rotiert; Der Querschnitt des Hohlraums beträgt dem des Eingussrohrs. Er kann auf 2/3 des Querschnitts zum Zweck der Steigerung des Rotationsdrucks reduziert werden.Cavity in which the melt rotates around the ceramic separator core; The cross section of the cavity is that of the sprue. It can be reduced to 2/3 of the cross section for the purpose of increasing the rotary pressure.
1212: (angedeutete) Fließrichtung der Metallschmelze,(indicated) flow direction of the molten metal,

Quellenangaben:Sources:

[1] foundryxicon.com ....
[2] Dipl.-Ing. Bianka Wiener: "Electrically assisted molten metal filtration using porous ceramic products", dissertation, Technische Universität Bergakademie Freiberg, 2008
[3] Dipl.-Ing. Jan Hantusch: "Modeling and Development of a Separator for Removing Non-Metallic Inclusions from Molten Steel", Dissertation, Technische Universität Bergakademie Freiberg, 2001
[4] "Expertise in foundry technology professions", Europa Lehrmittelverlag, page 202

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 0376523 A1 [0003]
DE 19756687 C1 [0003]

Claims

Apparatus and method for producing a rotating molten metal for the deposition of non-metallic inclusions, characterized in that it is guided along a Abscheidekerns on the suspended in the melt non-metallic inclusions and lower inertia on and store on its opposite side by high inertia purified metal melt are removed can, and at the end of larger particles by mechanical pressure of the melt, as well as position-dependent will capture the buoyancy force.

Apparatus according to claim 1, characterized in that a liquid molten metal is forced by means of a tangential gate as an inflow and by deflection on the circular wall of a chamber for rotation about a separating core.

A method for separating non-metallic inclusions from liquid metals according to claim 1 and 2, characterized in that melt particles rotate within the entire rotary separator with no defined end point in a hollow cylindrical shape around a separator core.

A method for separating non-metallic inclusions from liquid metals according to claim 1, 2 and 3, characterized in that the course of the melt flow is horizontal to the separation core.

Device according to claim 1, 2, 3 and 4, characterized in that a highly porous ceramic material with a wetting angle W> 90 ° relative to the metal is provided for the separator core.

A method according to claim 1 and 5, characterized in that compared to a molten metal lighter non-metallic particles brought by means of centrifugal force to a located on the inner radius of a rotation axis separator captured with internal filtration, held by adsorption and adhesion forces and bound by sintering.

A method according to claim 1, characterized in that larger non-metallic particles are guided by the melt flow and position-dependent also by their buoyancy force along the Abscheidekerns behind the outflow / inflow into a blind run, where they bound by sintering, or by the back pressure of the subsequent melt and the static friction are retained on the rotary chamber wall.

A method according to claim 1, 2 and 3, characterized in that a relation to non-metallic particles heavier pure molten metal is guided by centrifugal force to the outer radius of a rotation axis (Rotatinskammerwand) where it can flow out at the outflow opening.

Apparatus according to claim 1, characterized in that inflow and outflow opening can take each angle on an axis to each other.

Apparatus according to claim 1, characterized in that additional hollow cylindrical filter and wall segments can be inserted to extend the distance between inlet and outlet opening.

Apparatus according to claim 1, characterized in that it can be integrated in any installation angle (each layer) in a Anschittsystem.

Apparatus according to claim 1, characterized in that inlet and outlet, at a tangential gate of the rotary chamber, are freely exchangeable.