DE102016106708A1

DE102016106708A1 - Keramische Filter und Filtersysteme für die kontinuierliche Metallschmelzefiltration

Info

Publication number: DE102016106708A1
Application number: DE102016106708.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Baaske; Sven Karrasch; Helmut Schnitzer; Christos G. Aneziris; Steffen Dudczig; Patrick Gehre; Rüdiger Schwarze
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2017-10-12
Anticipated expiration: 2036-04-13
Also published as: DE102016106708B4; US20170292173A1; CN107344232A

Abstract

Die Erfindung betrifft keramische Filter und Filtersysteme für die kontinuierliche Metallschmelzefiltration. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass wechselbare und/oder drehbare Filterkörper von 10 sec bis 30 min in der Verteilerrinne eingesetzt werden.

Description

Die Frage nach der Funktionsfähigkeit eines metallischen Bauteils ist in der Technik oft mit dem Begriff der Festigkeit und der Zähigkeit des eingesetzten Werkstoffs verbunden. Beide Eigenschaften hängen in hohem Maße von dessen Reinheitsgrad ab. Dieser Begriff ist jedoch keine Maßeinheit, sondern vielmehr eine zusammengefasste Aussage über Häufigkeit, Größenverteilung, Morphologie und chemische Art von so genannten nicht-metallischen Einschlüssen (NME) dar. Sicherheitsbauteile, dünn- oder dickwandige Gussteile oder geschmiedete Komponenten mit hohen Anforderungen an Festigkeit, Zähigkeit und Ermüdungsresistenz können durch einen unzulässigen Anteil von NME unbrauchbar werden oder führen zu einer dramatischen Reduzierung der sicherheitsrelevanten Eigenschaften, wie z. B. der Kerbschlagzähigkeit bis zu 40%. Als nichtmetallische Einschlüsse bezeichnet man Verunreinigungen in fester Form. Diese können entweder von außen eingebracht werden (exogene Einschlüsse) oder in der Schmelze entstehen (endogene Einschlüsse).
Die Reduktion von nichtmetallischen Einschlüssen kann auf verschiedenen Wegen erfolgen, a) Vermeidung von Einschlussbildung (über eine geeignete metallurgische Prozessführung) und b) Abscheidung der Einschlüsse. Vor allem im Bereich der Sekundärmetallurgie und in der Gießerei stellt die Schmelzeraffination ein zentrales Thema dar. Unterschiedliche Metallschmelze-Behandlungen und unterschiedliche Gießverfahren führen zu unterschiedlicher Generierung von Einschlüssen bzw. Einschlusskombinationen. Beispielsweise seien hier Oxide, Karbide, Silikate etc. genannt, die bedingt durch die hohe Temperatur der Schmelzen sehr schnell während des Gießvorganges entstehen können. Durch die in realen Gussteilen teilweise turbulente Formfüllung werden diese nichtmetallischen Einschlüsse in die Kontur mit eingewirbelt und stellen auf Grund ihrer Nichtbenetzbarkeit eine innere Trennstelle, häufig mit scharfkantigen Rändern, dar. Dies führt besonders bei dynamischen oder zyklischen Lastfällen zu inneren Rissen und damit zum Ausfall des Bauteiles. Bei der Filtration von metallischen Schmelzen betrachtet man a) den Transport der Einschlüsse in der Metallschmelze, der durch die Strömungsführung, die Größe und relative Dichte der Einschlussteilchen, den relativen Porendurchmesser und die Vernetzung der Filterporen beeinflusst wird, und b) den eigentlichen Vorgang der Abscheidung der Einschlüsse an der Filterwand. Der letzte setzt sich aus drei Teilschritten zusammen. Zunächst, abhängig von deren Größe, Chemie und den Strömungsverhältnissen, agglomerieren feine Teilchen, dann gelangen sie an die Filterwand und anschließend muss eine Haftung erfolgen, damit die Teilchen nicht mehr durch die nachfolgende Strömung mitgerissen werden können.
Im Falle Stahlstranggießen sind die gängigen Filtersysteme, wie diese im Formguss eingesetzt werden, ungeeignet. Wegen der geringen Porengröße besitzen keramische Filter zur Stahlschmelzefiltration einen hohen Filtrationswirkungsgrad, aber einen geringen Mengendurchsatz. Die Filterkapazität ist sehr schnell ausgeschöpft begleitet vom erhöhten Strömungswiderstand des „gecloggten” Filtermediums über die Anlagerung der Einschlüsse in seiner funktionalen Makroporosität bis zum Stillstand des gesamten Gießprozesses, wenn der Filter sogar vorher nicht totalversagt (Bruch der Filtergeometrie) hat.
Für den Anwendungsbereich kontinuierlicher Strangguss werden so genannte indirekte bzw. direkte Verfahren zur Entfernung von NME in Betracht gezogen. Zu den indirekten Verfahren wird mit dem Einbau von so genannten Dämmen und Wehren in den Verteiler versucht, die Strömung so zu beeinflussen, dass die Bahn der Einschlußteilchen zur Abscheidung in die Schlacke verkürzt wird oder dass sich die Verweilzeit zur Abscheidung der Teilchen vergrößert wird. Bei den direkten Verfahren wird die Filterung der gesamten Schmelze und die Abscheidung der Einschlüsse an das Filtermaterial eines Filterabscheiders angestrebt, wessen Geometrie die Strömung der Schmelze möglichst gering beeinflussen soll. Eine solche Möglichkeit, um auch bei hohen Mengendurchsätzen die nichtmetallischen Einschlüsse effektiv aus der Stahlschmelze zu filtern wird in der Patentschrift DE 19756687C1 beschrieben. Kennzeichen der Erfindung ist, dass die nicht-metallischen Einschlüsse durch eine permanente Führung der Metallströmung auf einer Kreis- bzw. Spiralbahn an den Wänden des Spiralskanals abgeschieden werden. In der Patentschrift DE 4317820 C1 eine keramische Kammer offenbart, in der durch eine ein- oder mehrfache Umlenkung der Metallströmung um mindestens 90° an den Innenflächen der Kammer und an den Leitflächen in der Kammer abgeschieden werden. In beiden Fällen werden die permanenten Filtereinheiten schnell gesättigt und die Strömung wird stark beeinträchtigt.
Um den hohen Durchsatzmengen der Stahlschmelze als auch die Limitierungen der Filterkapazitäten beim Stranggießen entgegen zu kommen, wird erfindungsgemäß ein alternativer technologischer Ansatz mit neuartigen, wechselbaren und/oder drehbaren Filterkörpern an Positionen der Verteilerrinne verfolgt. Die Filterkörper können erfindungsgemäß direkt zur Entfernung von Einschlüssen beitragen (Generierung von in situ Schichten an deren Filteroberflächen an denen sich die Einschlüsse abscheiden und über Sinterungsprozesse zu einer Befestigung an der Filteroberfläche führen) und/oder indirekt, indem durch die Auslegung der Filtergeometrie und in Kombination mit der Filterkörperdrehung und der Strömung der Stahlschmelze im Verteiler der Weg zur Abscheidung der nicht-metallischen Einschlüsse in die Schlacke des Verteilers verkürzt wird. Darüber hinaus können erfindungsgemäß über die gezielte Einstellung der Strömung größere Agglomerate/Cluster generiert werden, die sich aufgrund ihrer Größe (zusätzlicher Beitrag der Auftriebskraft) in Richtung Schlacke bewegen.
Erfindungsgemäß dienen als wechselbare und/oder drehbare Filtergeometrien im Verteiler oder Verteilerrinne Filterkörper in Form einer offenzelligen Schaumkeramik, eines Wabenkörpers oder eines Spaghetti-Filters. Erfindungsgemäß dienen als Filterkörper poröse, wechselbare und/oder drehbare Behälter in denen gestampfte Faser oder Fasergewebe oder Kugel oder splittrige Körnung vorliegen.
Erfindungsgemäß werden die Filterkörper in der Verteilerrinne abhängig von der Metalllegierung und der vorgeschalteten Sekundärmetallurgie für 10 sec bis 30 min getaucht und dann gewechselt. Erfindungsgemäß wird mindestens ein Filterkörper in der Verteilerrinne eingesetzt. Erfindungsgemäß werden Filterkörper in den Stirnseiten der Verteilerrinne eingesetzt. Erfindungsgemäß können vier Filterkörper in der Nähe des Schattenrohres in der Verteilerrinne eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß dienen feuerfeste Oxide und/oder Nicht-Oxide in Kombination mit oder ohne Kohlenstoff als Filterwerkstoffe. Erfindungsgemäß werden zylindrisch, kohlenstoffgebundene Filterkörper auf der Basis von Schaumkeramiken oder Spaghettistrukturen mit Makrokanälen mit einem Mindestdurchmesser von 10 mm eingesetzt. Erfindungsgemäß dienen Filterkörper mit einem Mindestdurchmesser von 100 mm Durchmesser und 100 mm Höhe. Erfindungsgemäß können kohlenstoffgebundene Trägermaterialien analog zu der Patentschrift DE 10 2011 109 681 B4 mit Oxiden auf ihrer Oberfläche beschichtet sein.
Es folgt mit beispielhaften Filtergeometrien für die Verteilerrinne.
: Links Beispiel eines zylindrischen Filterkörpers mit Makrokanälen, Außendurchmesser 200 mm, rechts eine „chaotische” Spaghetti-Filterstruktur, 80 mm in Höhe, 120 Durchmesser, 2,5 mm Spaghetti-Dicke.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19756687 C1 [0004]
DE 4317820 C1 [0004]
DE 102011109681 B4 [0008]

Claims

Keramische Filter oder Filtersysteme für die kontinuierliche Metallschmelzefiltration dadurch gekennzeichnet, dass wechselbare und/oder drehbare Filterkörpern an Positionen der Verteilerrinne eingesetzt werden.
Keramische Filter oder Filtersysteme nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Filter oder Filtersysteme 10 sec bis 30 min in die Verteilerrinne getaucht und dann gewechselt werden.
Keramische Filter oder Filtersysteme nach Anspruch 1 und/oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Filter oder Filtersysteme direkt zur Entfernung von Einschlüssen beitragen mit der Generierung von in situ Schichten an deren Filteroberflächen an denen sich die Einschlüsse abscheiden und über Sinterungsprozesse zu einer Befestigung an der Filteroberfläche führen und/oder indirekt, indem durch die Auslegung der Filtergeometrie und in Kombination mit der Filterkörperdrehung und der Strömung der Metallschmelze im Verteiler der Weg zur Abscheidung der nicht-metallischen Einschlüsse in die Schlacke des Verteilerrinne verkürzt wird.
Keramische Filter oder Filtersysteme nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass als wechselbare und/oder drehbare Filtergeometrien im Verteiler Filterkörper in Form einer offenzelligen Schaumkeramik oder eines Wabenkörpers oder eines Spaghetti-Filters dienen.
Keramische Filter oder Filtersysteme nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass als wechselbare und/oder drehbare Filtergeometrien poröse, wechselbare und/oder drehbare Behälter, in denen gestampfte Faser oder Fasergewebe oder Kugel oder splittrige Körnung vorliegen, dienen.
Keramische Filter oder Filtersysteme nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Filterkörper in der Stirnseite der Verteilerrinne und/oder in der Nähe des Schattenrohrs in der Verteilerrinne eingesetzt wird.
Keramische Filter oder Filtersysteme nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass Schaumkeramiken oder Spaghettistrukturen mit Makrokanälen mit einem Mindestdurchmesser von 10 mm vorgesehen sind.