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Entgasung von Metallschmelzen mittels Dampfstrahl-Apparaten Um Metallschmelzen
in groß technischem Maßstab im Vakuum zu entgasen, sind Pumpaggregate erforderlich,
die die zur Entgasung benötigten Kessel in kurzer Zeit evakuieren und die bei der
Entgasung anfallenden Gasmengen absaugen können.
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Beispielsweise muß ein Gefäß von 40 cbm Inhalt in einer Zeit von
etwa 1 Minute von atmosphärischem Druck auf 80 bis 100 Torr evakuiert werden. Dieser
Vorgang geht sodann kontinuierlich iiber in den eigentlichen Entgasungsvorgang,
bei dem z. B. bei der Entgasung von 30 t Stahl etwa 15 Nm3 Gas anfallen. Soll die
Entgasung in der zur Verfügung stehenden Zeit von etwa 10 min durchgeführt werden,
so bedingt das eine Saugleistung von 9000m3/h, gemessen bei Ansaugdruck. Die vorherige
Evakuierung des Kessels würde eine zusätzliche Saugleistung von 6000 m3/h, gemessen
bei Ansaugdruck, erfordern.
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Man muß also Pumpaggregate mit beträchtlichen Leistungen benutzen,
bei deren Betrieb zu berücksichtigen ist, daß bei der Evakuierung des Kessels und
während der Entgasung größere Mengen Staub anfallen, die sich bei den hier vorliegenden
niedrigen Drücken nur mit großem Aufwand zwischen Kessel und Pumpe abscheiden lassen.
Außerdem muß mit einer Temperatur des angesaugten Gases von 15000 C gerechnet werden.
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Es ist bisher üblich, für den beschriebenen Zweck rotierende Pumpen
zu verwenden. In Frage kommt die Wasserringpumpe, die jedoch nur ein Vakuum von
25 bis 30 Torr erreicht und somit ohne zusätzliche Pumpe ungeeignet ist, weil für
den Entgasungsvorgang ein wesentlich höheres Vakuum, z. B. 1 bis 2 Torr, benötigt
wird. Weiter kommen Drehkolben oder Drehschieberpumpen und ähnliche Konstruktionen
in Betracht. Diese sind jedoch gegen Schmutz äußerst anfällig und sind bisher, soweit
sie das erforderliche Endvakuum erreichen, nur bis zu einer Saugleistung von maximal
2000 m3/h handelsüblich.
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Daraus ergibt sich, daß es in jedem Falle angebracht ist, ein zusätzliches
Aggregat, beispielsweise ein Roots-Gebläse oder Leisholm-Gebläse, dazwischenzuschalten.
Diese Gebläse sind aber ebenfalls sehr schmutzempfindlich, so daß sie ohne wirksame
Staubabscheider ungeeignet sind.
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Ein weitgehend schmutzunempfindliches Pumpaggregat läßt sich aus
Wasserdampf-Strahlapparaten aufbauen. Staubabscheider sind also unnötig, ebenso
kann aber auch auf die sonst in jedem Fall erforderlichen Kühler für das heiße,
angesaugte Gas verzichtet werden, weil Strahlapparate keine beweglichen Teile besitzen
und auf Grund ihrer Konstruktion der Gefahr übermäßiger Erhitzung nicht unterliegen.
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Es hängt also nur von wirtschaftlichen Uberlegungen ab, ob man im
Interesse einer gewissen Herab-
setzung des Dampfverbrauches der im Bereich hohen
Vakuums arbeitenden Dampfstrahl-Apparate die angesaugten heißen Gase trotzdem kühlen
wird.
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Ein einzelner Dampfstrahl-Apparat kann nur einen schmalen Druckbereich
erfassen. Man schaltet deshalb zur Erreichung höheren Vakuums mehrere Dampfstrahl-Apparate
zu einem Aggregat zusammen, innerhalb dessen der Druck stufenweise erhöht wird.
Innerhalb des Druckbereiches, in dem Dampf mit wassergekühlten Kondensatoren niedergeschlagen
werden kann, etwa von 30 Torr an, schaltet man zwischen die einzelnen Dampfstrahl-Apparate
vorzugsweise als Mischkondensatoren ausgebildete Kondensatoren, damit der Treibdampf
der vorhergehenden Strahlapparate von den nachgeschalteten nicht mitgefördert werden
muß. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung eines solchen Dampfstrahl-Aggregates bei
der Entgasung von Metallschmelzen ergibt sich der besondere Vorteil, daß nur die
vor dem ersten Kondensator liegenden Strahl apparate heiße und staubige Gase zu
fördern haben, während die dem ersten Kondensator nachgeschalteten Stufen gekühltes
und entstaubtes Dampf-Luft-Gemisch absaugen müssen. Es wäre infolgedessen möglich,
für den Druckbereich von etwa 30 Torr an bis zum Atmosphärendruck beispielsweise
Wasserringpumpen vorzusehen und nur im Druckbereich von beispielsweise 1 bis 30
Torr Dampfstrahl-Apparate zu benutzen. Die ausschließliche Benutzung von Dampfstrahl-Apparaten
bietet aber auch den Vorteil, daß ein Pumpaggregat völlig ohne bewegliche Teile
aufgebaut werden kann. Um dies zu erreichen, ist es nur nötig, die Kondensatoren
des Aggregates mittels barometrischer Fallrohre zu entwässern. Die Vermeidung beweglicher
Teile ist nun bei der Metallentgasung von ganz besondere Bedeutung, weil es sich
einerseits
um einen sehr rauhen Betrieb handelt, andererseits aus Sicherheitsgründen eine vollkommene
Zuverlässigkeit des Arbeitens erreicht werden muß.
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Bei den meisten unter Vakuum verlaufenden chemisch-technischen Vorgängen
schließt sich an den nicht stationären Vorgang des Auspumpens der Apparatur der
im wesentlichen unter konstantem Vakuum verlaufende eigentliche Betrieb an, währenddessen
die Vakuumpumpe stationär arbeitet. Im Gegensatz dazu besteht bei der Metallentgasung
ein stetiger Übergang zwischen dem bloßen Auspumpen der ursprünglich in der Apparatur
enthaltenen Luft und dem Abpumpen der aus dem flüssigen Metall frei werdenden Gase,
während das Vakuum sich immerfort ändert bzw. sich laufend erhöht.
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Dabei bedingen die metallurgischen Erfordernisse je nachdem einen
bestimmten zeitlichen Druckverlauf im Entgasungsgefäß. Beispielsweise ist es für
die Entgasung von Stählen mit weniger als 0,2 O/o Kohlenstoff notwendig, zunächst
mit verminderter Saugleistung abzusaugen und erst im Laufe des Prozesses die Saugleistung
auf ein höheres Maß zu bringen.
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Nach der vorliegenden Erfindung sollen die das Pumpaggregat bildenden
Dampfstrahl-Apparate ein zeln oder gruppenweise nacheinander so eingeschaltet werden.
wie es der verlangte zeitliche Druckverlauf im Entgasungsgefäß bedingt. Dabei soll
die Konstruktion des Pumpaggregates so getroffen werden, daß das Einschalten zusätzlicher
Dampfstrahl-Apparate lediglich durch Öffnen ihrer Treibdampfventile bewirkt wird.
Letzteres ist dann von besonderer Wichtigkeit, wenn der zeitliche Ablauf des Prozesses
automatisch gesteuert werden soll.
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Bei der Entgasung von Metallschmelzen ist nicht nur damit zu rechnen,
daß der Vorgang nicht stationär verläuft, sondern daß er sich auch häufig wiederholt,
indem chargenweise gearbeitet wird. Jedesmal nach erfolgter Beschickung muß das
Entgasungsgefäß erneut ausgepumpt werden. Im Bereich geringen Vakuums sind daher
in kurzer Zeit jeweils große Luftmengen abzusaugen, weil möglichst rasch dasjenige
Vakuum erreicht werden soll, bei dem die Entgasung beginnt. In weiterer Ausbildung
der vorliegenden Erfindung soll daher während der ersten Phase der Evakuierung wenigstens
ein zusätzlicher Dampfstrahl-Apparat in Betrieb genommen werden, welcher direkt
gegen den Atmosphärendruck arbeiten kann und beispielsweise wieder ausgeschaltet
wird, wenn ein Druck von etwa 250 Torr im Entgasungsgefäß erreicht ist.
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Ein anderer erfindungsgemäßer Weg zur Abkürzung der Evakuierungszeit
und somit zur Anpassung des Druckverlaufs im Entgasungsgefäß an die Bedingungen
des gesamten Vorganges besteht darin, daß während der bei atmosphärischem Druck
erfolgenden Beschickung des die Metallschmelze aufnehmenden Entgasungsgefäßes ein
besonderer Behälter evakuiert wird, welcher bei Beginn der Evakuierung des Entgasungsgefäßes
mit diesem in Verbindung gebracht wird, so daß ein Druckausgleich erfolgen kann.
Nach dem Druckausgleich wird der Behälter von dem Entgasungsgefäß und dem Pumpaggregat
getrennt. Sein Vakuum bleibt in der Höhe erhalten, wie sie sich beim Druckausgleich
einstellt, während der Prozeß der Evakuierung und Entgasung seinen Fortgang nimmt.
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Nach Beendigung der Entgasung wird die Verbindung zwischen Entgasungsgefäß
und Pumpaggregat gesperrt und das Entgasungsgefäß zwecks erneuter Be-Beschickung
belüftet. In dieser Zeit wird das Pumpaggregat wiederum mit dem besonderen Behälter
in Verbindung gebracht, so daß sich dessen Vakuum so
lange erhöhen kann, bis es zum
Zwecke des Druckausgleiches zum nächsten Male mit dem Entgasungsgefäß in Verbindung
gebracht wird. Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die erforderliche
Maximalleistung des Pumpaggregates sich verringert und daß sein Betrieb unter weniger
stark wechselnden Bedingungen verläuft.
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Um zu verhindern, daß Wasserdampf oder Kühlwasser in das Entgasungsgefäß
gelangen kann, sind Sicherheitsmaßnahmen erforderlich. Neben Einrichtungen, welche
im Falle von Störungen automatisch Dampf und Wasser abstellen und das Entgasungsgefäß
belüften, muß noch eine besondere Vorkehrung getroffen werden, um die Rückdiffusion
von Wasserdampf vom Dampfstrahl-Aggregat zum Entgasungsgefäß bei Annäherung an das
Endvakuum zu verhindern. Je mehr sich das Vakuum der Grenze nähert, welche das Dampfstrahl-Aggregat
erreichen kann, um so geringer wird seine Saugleistung und um so geringer wird demgemäß
die Strömungsgeschwindigkeit in der Saugleitung. Andererseits wächst die Diffusionsgeschwindigkeit
mit zunehmendem Vakuum.
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Erfindungsgemäß soll das Zurücktreten vonWasserdampf dadurch verhindert
werden, daß man in die Verbindungsleitung zwischen Entgaser und Dampfstrahl-Aggregat
durch eine passend bemessene, kleine Offnung ständig etwas Luft oder Inertgas eintreten
läßt.
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Eine solche kleine Luftmenge belastet das Pumpaggregat nicht merklich,
läßt aber andererseits im hohen Vakuum die Strömungsgeschwindigkeit in der Leitung
nicht unter ein gewisses, noch ungefährliches Maß sinken. Macht man die eintretende
Luftmenge durch Anordnung eines Regelorgans veränderlich, so kann das Einlassen
von Luft gleichzeitig als Feinregelung des Absaugvorganges im Bereich hohen Vakuums
benutzt werden.
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Die Zeichnung stellt in beispielsweiser Ausführung eine Vorrichtung
zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren schematisch dar.
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1 ist der zur Aufnahme der Metallschmelze bestimmte Entgasungsbehälter.
Er steht über die Leitung2 mit dem die erste Stufe des Pumpaggregates bildenden
Dampfstrahl-Apparat 3 in Verbindung. Diese sei beispielsweise imstande, aus einem
Vakuum von 1 Torr abzusaugen und auf einen Druck von 8 Torr zu verdichten. Das demgemäß
den Dampfstrahl-Apparat 3 mit 8 Torr verlassende Dampf-Gas-Gemisch wird von dem
die zweite Stufe bildenden Dampfstrahler 4 auf einen Druck von 40 Torr gebracht.
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Diesem Druck entspricht eine Kondensationstemperatur von 340 C, so
daß der Treibdampf der ersten und zweiten Stufe des Aggregates im Mischkondensator
5 niedergeschlagen werden kann. Der Vorgang der Druckerhöhung mit nachfolgender
Kondensation wiederholt sich in bekannter Weise in den Strahlapparaten 6, 8 und
10 mit den nachgeschalteten Mischkondensatoren 7, 9 und 11. Der die fünfte, letzte
Stufe bildende Dampfstrahler 10 fördert die abgesaugten Gase in die Atmosphäre,
benötigt infolgedessen an sich keinen nachgeschalteten Kondensator. Erfindungsgemäß
soll jedoch der in die Atmosphäre fördernde Strahlapparat mit einem barometrischen
Wasserverschluß versehen werden, um bei Ausfall oder beim Abstellen des Dampfes
das Eindringen von Luft in die Apparatur zu verhindern. Dies wird unter Benutzung
des Kondensators 11 wie folgt erreicht: Das ganze Aggregat ist barometrisch aufgestellt,
d. h., die Kondensatoren werden mittels der Fallrohre 12 in den Fallwasserkasten
13 entwässert. Das Fallrohr des Kondensators 11 führt aber nicht nur das zum Niederschlagen
des
Treibdampfes des Dampfstrahlers 10 erforderliche Kühlwasser ab, sondern auch die
gesamte geförderte Luft bzw. die gesamten abgesaugten Gase.
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Da die Fallrohre unter dem Wasserspiegel des Fallwasserkastens enden,
ist ein Eindringen von Luft ausgeschlossen. Im Falle des Dampfstrahlers 10 könnte
man das Eindringen von Luft auch ohne nachgeschalteten Kondensator 11 einfach dadurch
verhindern, daß man die Auspuffleitung 14 unter Wasser münden ließe.
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Der Kondensator 11 verringert aber die austretenden Volumina auf etwa
1/3, So daß man mit geringerer Tauchtiefe auskommt und weniger Geräuschbildung hat.
Der Dampfstrahler 15 ist ein zusätzlich vorhandener Dampfstrahler, welcher wie der
Dampfstrahler 10 ebenfalls in die Atmosphäre fördert. Er dient zur Erhöhung der
Absaugeleistung während der ersten Phase der Evakuierung und ist zweckmäßig an den
Kondensator 5 angeschlossen, um die von ihm geförderte Luft auf kürzestem Wege und
mit geringstem Widerstande aus der Anlage herauszubringen. Genau wie der Dampfstrahl-Apparat
10 ist er mit einem nachgeschalteten Kondensator 16 und einem sowohl entwässernden
wie auch entlüftenden Fallrohr 12 versehen, so daß er ebenfalls lediglich durch
Öffnen und Schließen der Treibdampfzufuhr in und außer Betrieb genommen werden kann.
In der Zeichnung stellt 17 die Dampfverteilungsleitung für die Strahlapparate dar.
18 bis 22 sind Ventile, um die Strahlapparate einzeln oder gruppenweise einschalten
zu können.
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Der Evakuierungsvorgang spielt sich beispielsweise folgendermaßen
ab: Nach Anstellen der Kühlwasserzufuhr zu den Kondensatoren über die Leitung 23
werden die Strahler 10 und 15 durch Öffnen der Dampfventile 18 und 21 in Betrieb
genommen. Sie evakuieren infolge der großen Zusatzleistung des Strahlers 15 die
ganze Anlage in kurzer Zeit bis auf etwa 300 Torr. Sobald dieser Druck erreicht
ist, wird Ventil 19 geöffnet und Strahler 8 in Betrieb gebracht.
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Strahler 15 wird durch Schließen des Ventils 21 abgestellt, sobald
ein Druck von etwa 250 Torr erreicht ist.
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Bei etwa 100 Torr wird der Strahlapparat 6 eingeschaltet, indem das
Dampfventil 20 geöffnet wird.
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Wenn der Druck im Entgasungsgefäß 1 und dem Kondensator 5 bis etwa
40 Torr gesunken ist, werden die beiden ersten Stufen (3 und 4) durch Öffnen des
Dampfventils 22 in Betrieb gesetzt, wodurch der Druck im Entgaser schließlich bis
auf etwa 1 Torr gesenkt werden kann. Das Einschalten und Ausschalten der Dampfstrahler
kann von Hand geschehen, es kann aber auch programmgesteuert oder automatisch geregelt
sein.
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Zur weiteren Abkürzung der ersten Evakuierungsphase kann der Behälter
24 benutzt werden, welcher über die Leitung 25 und Absperrventil 26 mit der den
Entgaser 1 und die erste Stufe 3 des Dampfstrahl-Aggregates verbindenden Leitung
2 verbunden ist.
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Durch Schließen des Ventils 27 ist es möglich, wäh rend der unter
atmosphärischem Druck stattfindenden Beschickung des Entgasungsgefäßes 1 bei geöffnetem
Ventil 26 den Behälter 24 zu evakuieren. Die Evakuierung des Behälters 1 wird dann
durch Öffnen des Ventils 27 eingeleitet. Unter fortwährendem Arbeiten des Pumpaggregates
findet ein rascher Druckausgleich zwischen Entgaser 1 und Behälter 24 statt. Nach
erfolgtem Druckausgleich wird das Ventil 26 geschlossen, und die weitere Evakuierung
des Entgasers erfolgt lediglich mittels des Dampfstrahl-Aggregates.
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Um Rückdiffusion von Wasserdampf in den Entgasungsbehälter zu verhindern,
ist an der Saugleitung ein Stutzen 28 angebracht, durch welchen mittels einer
fest
eingestellten Blende oder mittels eines Regelorgans bestimmte Luftmengen in die
Saugleitung 2 eingelassen werden können. Erfindungsgemäß soll so außer der Verhinderung
der Rückdiffusion auch eine Feinregelung der Absaugmenge aus dem Entgaser im Bereich
hohen Vakuums bewirkt werden.