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Einrichtung für die kontinuierliche Vakuumbehandlung von Metallen
Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen für die kontinuierliche Vakuumbehandlung
von Metallen im geschmolzenen Zustand und insbesondere zum Entgasen von Metallen
sowie zum Abtrennen nicht flüchtiger Metalle von flüchtigen Bestandteilen durch
eine Erhitzung im Vakuum.
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Im folgenden wird von Aluminiumlegierungen als den zu behandelnden
flüssigen Metallen gesprochen, doch sei bemerkt, daß sich die Erfindung auch auf
die Behandlung anderer Metalle, wie Blei, Kupfer und Antimon u. dgl., erstreckt.
Ferner wird Graphit als ein sehr geeignetes feuerfestes Baumaterial erwähnt, doch
beschränkt sich die Erfindung nicht auf dieses Material, denn es können auch andere
hitzebeständige Stoffe, wie Siliziumkarbid, Chromoxyd usw., verwendet werden.
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Es ist bekannt, geschmolzene Metalle und Legierungen kontinuierlich
in der Weise zu entgasen bzw. von flüchtigeren Bestandteilen zu befreien, daß man
zwei Behälter vorsieht - einen für das noch zu behandelnde Metall und einen für
das bereits behandelte Metall -, die durch ein, wenn nötig, von Heizelementen umgebenes
Rohr in Form eines umgekehrten U miteinander verbunden sind, dessen beide Schenkel
in das geschmolzene Metall in den Behältern eintauchen, sowie dadurch, daß man am
oberen Ende des U-förmigen Rohres, wo gewöhnlich eine kleine Kammer vorgesehen ist,
ein Vakuum bzw. einen Unterdruck zur Wirkung bringt. Wenn die Standhöhe des Metalls
in dem Behälter für das unbehandelte Metall auf einem höheren Niveau gehalten wird
als die Standhöhe des Metalls in dem Behälter für das bereits behandelte Metall
und wenn die senkrechte Länge der Schenkel des U-Rohres nicht einen Wert überschreitet,
der dem in der Standhöhe des Metalls ausgedrückten Atmosphärendruck entspricht,
strömt kontinuierlich Metall durch die dem Unterdruck ausgesetzte obere Kammer aus
dem ersten Behälter zu dem zweiten Behälter. Die beiden Rohre, die zu der Kammer
am oberen Ende des U-Rohres führen bzw. von ihr ausgehen, werden im folgenden als
die barometrischen Schenkel bzw. Steigrohre der Einrichtung bezeichnet.
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Zwar ist der Grundgedanke dieses Verfahrens technisch und wirtschaftlich
brauchbar, doch hat es sich als schwierig erwiesen, das Verfahren in die Praxis
überzuführen, und zwar insbesondere bei Metallen mit hohem Schmelzpunkt, die dazu
neigen, Legierungen mit metallischen Baustoffen, z. B. Aluminium, zu bilden, denn
in vielen Fällen erweist es sich als unmöglich, ein Material für die barometrischen
Schenkel zu finden, das gasundurchlässig ist, sich in dem flüssigen Aluminium nicht
löst und eine ausreichende Festigkeit besitzt, um dem Außendruck bei den in Frage
kommenden Temperaturen standzuhalten. Materialien wie Graphit oder Siliziumkarbid
werden von Aluminium bei den in Frage kommenden Temperaturen nicht angegriffen und
besitzen eine hinreichende Festigkeit, um den hydrostatischen Drücken standzuhalten,
doch sind diese Materialien für Gas durchlässig. Graphit würde den zusätzlichen
Vorteil bieten, daß er sich leicht maschinell bearbeiten läßt und Wärme gut leitet.
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Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine Konstruktion zu schaffen,
welche die Verwendung von gasdurchlässigen Steigrohren gestattet und hiermit die
Vorteile der oben angegebenen Steigrohrmaterialien zur Geltung bringt.
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Um dieses Ziel zu erreichen, sieht die Erfindung für die kontinuierliche
Vakuumbehandlung flüssiger Metalle einen barometrischen Schenkel vor, der aus einem
inneren Rohr besteht, das aus einem Material hergestellt ist, welches gasdurchlässig,
jedoch bei der Betriebstemperatur für das flüssige Metall nicht durchlässig ist
und von dem Metall nicht angegriffen wird; dieses innere Rohr ist von einem vakummdichten
Mantel umgeben, dessen unteres Ende so geformt ist,
daß es sich
in das flüssige Metall eintauchen läßt, und dieser Mantel ist mit dem unteren Ende
des inneren Rohres so verbunden, daß eine Abdichtung gegen Flüssigkeitsdurchtritt
gewährleistet ist; ferner sind die Heizelemente, auf denen das Metall innerhalb
des Rohres im flüssigen Zustand gehalten wird, innerhalb des Raums zwischen dem
Mantel und dem Rohr vorgesehen.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Verbindungsstelle
zwischen dem vakuumdichten Gehäuse 1 und dem gasdurchlässigen Steigrohr 4 bzw. 8
im Bereich der unteren Gehäuseverlängerung 3 ein mit der Verlängerung 3 fest verbundenes
hohlkonisches Endstück 14 aus Metall aufweist, welches nach unten verjüngt und mit
dem Gehäuse vakuumdicht verbunden ist und das entsprechend konisch ausgebildete
Ende des Steigrohres 4 bzw. 8 aus gasdurchlässigem Material in der Weise unterstützt,
daß zwischen den beiden konischen Teilen ein mit dem Inneren des Heizrohres in Verbindung
stehender schmaler ringförmiger Raum bzw. Spalt entsteht und daß die Temperatur
in diesem Spalt derart geregelt wird, daß das in den Spalt eindringende flüssige
Metall erstarrt und den Ringspalt abdichtet.
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In der Praxis wird also die Temperatur innerhalb des Spaltes so geregelt,
daß ein Teil des Metalls erstarrt, wodurch eine feste, flüssigkeitsdichte Verbindung
zwischen dem porösen Rohr und dem Mantel hergestellt wird, die sich immer wieder
selber herstellt, falls Undichtigkeiten durch unterschiedliche Wärmedehnungen entstehen.
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Die Erfindung wird an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Grundriß;
Fig. 2 ist ein in größerem Maßstabe gezeichneter senkrechter Schnitt längs der Ebenen
A-A in Fig. 1; Fig. 3 zeigt in einem noch größeren Maßstabe in einem senkrechten
Schnitt weitere Einzelheiten einer der unteren Abdichtungen; Fig. 4 und 5 zeigen
in einem Längsschnitt bzw. im Grundriß Einzelheiten der Unterstützungen für die
barometrischen Schenkel; Fig. 6 ist ein in größerem Maßstabe gezeichneter Längsschnitt
durch einen derbarometrischenSchenkel. Der gesamte dem Unterdruck ausgesetzte Teil
der Einrichtung ist in einen geschweißten Mantel 1 (Fig. 2) aus Flußstahl eingeschlossen,
dessen Temperatur so niedrig gehalten wird, daß die Festigkeitseigenschaften des
Stahls noch eine ausreichende Sicherheit gegen die Gefahr des Kriechens gewährleisten.
Der Mantel 1 ist so groß bemessen, daß die barometrischen Schenkel zum Zwecke der
Wartung über ein Mannloch (nicht dargestellt) zugänglich sind. Dies ist wichtig,
denn es ist erwünscht, bestimmte Teile der Innenkonstruktion unverändert zu lassen,
während es bei anderen Teilen gelegentlich erforderlich sein kann, die Teile auszuwechseln
und/oder Instandsetzungsarbeiten auszuführen.
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Der das zu behandelnde flüssige Metall enthaltende Sumpf ist mit 2
bezeichnet; hierbei kann es sich z. B. um den Tiegel eines Ofens handeln. Das untere
Ende 3 eines Zuführungsrohres 4 der Einrichtung taucht in diesen Sumpf ein, und
das obere Ende dieses Rohres führt über einen überlauf 5 zu einem Verdampferboden
6. Ein weiterer überlauf 7 leitet das flüssige Metall von dem Verdampferboden aus
in ein Rohr 8 des Austrittsschenkels ein, dessen unteres Ende in einen flüssigen
Metall aufnehmenden Sumpf 9 eintaucht. Der Abgabesumpf 9 ähnelt dem Zuführungssumpf
2, ist jedoch tiefer angeordnet als der Sumpf 2. - -Die beiden Sümpfe sind so angeordnet,
daß sie gegenüber in sie eintauchenden Rohren gehoben und gesenkt werden können.
Dies ermöglicht das Einstellen der Höhe der in jedem Schenkel enthaltenen Säule
aus flüssigem Metall zur Anpassung an den barometrischen Außendruck sowie das Freilegen
der unteren Enden der Rohre zum Zwecke der Instandsetzung oder des Auswechselns.
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Nachstehend ist die Arbeitsweise der Einrichtung beschrieben.
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Die beiden Sümpfe 2 und 9 werden mit flüssigem Metall gefüllt. Hierauf
wird das System mit Hilfe einer nicht gezeigten Vakuumpumpe evakuiert, deren Ansaugstutzen
bei 11 an den Stahlmantel eines Kondensators 10 angeschlossen ist. Der atmosphärische
Druck schiebt dann flüssiges Metall in den beiden barometrischen Schenkeln. nach
oben, bis der hydrostatische Druck der Säulen aus flüssigem Metall dem Atmosphärendruck
das Gleichgewicht hält. Nunmehr wird die Standhöhe des Metalls in dem Zuführungssumpf
2 dadurch vergrößert, daß man diesem Sumpf flüssiges Metall zuführt, bis das Metall
bei 5 in den Verdampferboden 6 hinein überläuft. Das flüssige Metall in dem Sumpf
9 wird durch eine Auslaufrinne 12 oder eine beliebig andere geeignete Vorrichtung
auf einer solchen Standhöhe gehalten, daß sich die Oberfläche des Metalls in dem
Austrittsschenkel 8 ständig ein gutes Stück oberhalb des überlaufs 7 befindet. Das
flüssige Metall wird jetzt entweder in Form eines geregelten Stroms oder intermittierend
in abgemessenen Mengen dem Sumpf 2 zugeführt, woraufhin eine der zugeführten Menge
entsprechende Metallmenge bei 5 in den Verdampferboden 6 überläuft. Die Dauer der
Einwirkung des Unterdruckes auf das flüssige Metall in dem Verdampferboden wird
dadurch geregelt, daß man die Zuführungsgeschwindigkeit des flüssigen Metalls entsprechend
regelt. Das behandelte Metall verläßt den Verdampferboden über das Austrittsrohr
bzw. Schenkel 8 und den Austrittssumpf 9, aus dem es kontinuierlich oder periodisch
entfernt wird. Die Dämpfe der aus dem Metall in dem Verdampferboden entfernten flüchtigen
Stoffe strömen nach oben zu dem Kondensator 10, der mit geeigneten Mitteln zum Regeln
der Temperatur ausgerüstet ist, z. B. mit hier nicht gezeigten Isolierungs-und Kühleinrichtungen,
und in diesem Kondensator werden die weniger flüchtigen Teile der Dämpfe, z. B.
Zink und Magnesium, kondensiert, während die gasförmigen Stoffe, z. B. Schwefeldioxyd.
Kohlenoxyd und Wasserstoff, mit Hilfe der Vakuumpumpe abgesaugt werden.
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Beim kontinuierlichen Zuführen sowie beim Abführen flüssiger Metalle
mit höheren Schmelzpunkten ergeben sich Schwierigkeiten, da es häufig notwendig
ist, die Verwendung metallischer Werkstoffe in der Strömungsbahn des flüssigen Metalls
zu vermeiden. Auch die normalerweise beim Bau vakuumdichter Behälter verwendeten
keramischen Materialien, wie Glas und Porzellan, lassen sich nicht anwenden. Graphit
ist ein bevorzugtes Material, das gleichzeitig chemisch widerstandsfähig, hitzebeständig
und geeignet ist, sich mit Hilfe maschineller Bearbeitung genau in die gewünschte
Form bringen zu lassen, wobei dieses Material außerdem genügend widerstandsfähig
gegen
mechanische Beanspruchungen sowie plötzliche thermische Beanspruchungen ist; Siliziumkarbid
kann sich ebenfalls als brauchbar erweisen, doch muß es mit Hilfe von Formen in
die endgültige Gestalt gebracht werden, da es sich nicht maschinell bearbeiten läßt.
Leider sind diese Materialien spröde, so daß man sie bei den Wänden von Vakuumbehältern
nicht verwenden kann.
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Betrachtet man als Beispiel das Verhalten von flüssigem Aluminium
und Graphit, so besteht bezüglich der Zuführungs- und Austrittsrohre die hauptsächlich
konstruktive Schwierigkeit darin, zwischen dem Stahlmantel l und jedem der das flüssige
Metall fortleitenden Graphitrohre 4 und 8 eine Abdichtung vorzusehen, die verhindert,
daß flüssiges Metall in den Raum zwischen dem Mantel und dem Graphitrohr eindringt.
Diese Abdichtung muß unterschiedliche Wärmeausdehnungen zulassen und die mechanischen
Eigenschaften von Graphit und Stahl berücksichtigen. Die nachstehend beschriebene
Anordnung hat sich als zweckmäßig erwiesen.
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Ein kurzes, dickwandiges Stahlrohr 3 (Fig. 3) mit einem Innendurchmesser
von etwa 40 mm und einer Wandstärke von etwa 13 mm wird in die zentrale COffnung
im Boden eines konischen becherförmigen Endstücks 14 aus Stahl eingeschweißt oder
auf andere Weise mit abdichtender Wirkung mit dem Endstück derart verbunden, daß
das Rohr 3 vom Bodenteil des nach oben offenen Endstücks 14 aus nach unten ragt;
dieses Endstück ist bei 16 mit Hilfe von Flanschen am unteren Ende des Stahlmantels
1 der Einrichtung befestigt. An Stelle von Stahl können auch andere Metalle mit
genügend hohen Erweichungstemperaturen und ausreichender Widerstandsfähigkeit gegenüber
flüssigem Aluminium verwendet werden. Dieses Rohr 3, das in geeigneter Weise mit
einer hitzebeständigen Schlämme überzogen ist, taucht in das flüssige Metall in
dem Sumpf 2 bzw. 9 ein. In dem konischen Endstück 14 ist ein zweiter konischer Teil
15 aus dem gleichen Metall angeordnet, der durch den gleichen Hauptflansch
16 in seiner Lage gehalten wird, jedoch von dem Endstück 14 unabhängig ist.
Der zweite Teil 15 hält einen innenliegenden hohlkonischen Körper 17 aus
Graphit in seiner Lage, so daß man das Endstück 14 entfernen und ersetzen kann,
ohne die Lage der hitzefesten Teile zu verändern. Der durch den konischen Teil
15 unterstützte Körper 17 aus Graphit ist an seiner Außenseite so ausgebildet,
daß er mit einem Abstand von weniger als etwa 3 mm von der Innenwand des Bechers
in diesen hineinpaßt. Der Graphitkörper 17 weist einen zentralen, in der Achsrichtung
nach oben verlaufenden Fortsatz von ringförmigem Querschnitt auf, und die Wandstärke
des diesen Fortsatz umgebenden Bodens sowie der Seitenwand ist so gewählt, daß einer
radialen Wärmeströmung ein Widerstand entgegengesetzt wird, der so hoch ist, wie
es sich ohne Gefährdung der mechanischen Festigkeit des Graphitkörpers erreichen
läßt. Zum Niederhalten des Graphitkörpers entgegen dem nach oben gerichteten Druck
des unter atmosphärischem Druck eintretenden flüssigen Metalls dient ein zwischen
dem Hauptflansch 16 und dem Flansch des konischen Teils 15 angeordneter Ring 18
aus Stahl. In den zentralen Fortsatz ist das Graphitrohr 4 mit einem Durchmesser
von z. B. etwa 75 mm und einer Wandstärke von etwa 13 mm eingeschraubt oder in anderer
Weise befestigt, damit die Verbindungsstelle gegen das Hindurchtreten von flüssigem
Metall abgedichtet ist. Dieses Graphitrohr umfaßt ineinandergeschraubte oder in
anderer geeigneter Weise ausgebildete, abgedichtete Verbindungsstellen (Fig. 6),
und seine Länge in senkrechter Richtung ist derart, daß der Druck der Atmosphäre
durch das Gewicht des flüssigen Metalls ausgeglichen wird. Im oberen Teil der Einrichtung
endet das Graphitrohr gemäß Fig. 2 in dem erwähnten Überlauf 5. Die Ausbildung auf
seiten des Sumpfes 9 ist die gleiche wie die oben im Zusammenhang mit dem Sumpf
beschriebene.
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Nachstehend ist die Wirkungsweise der Abdichtung des unteren Endes
der barometrischen Schenkel beschrieben. Wenn das flüssige Metall in das untere
Ende des Rohres 4 oder 8 eintritt, dringt es in den Spalt zwischen dem konischen
Teil 15 aus Stahl und dem Graphitkörper 17 ein. Die Temperaturverteilung
in diesem Spalt wird so geregelt, daß der mittlere Teil des Metalls oberhalb seines
Schmelzpunktes gehalten wird, während die Temperatur in der in Fig. 3 mit 20 bezeichneten
Zone nahe den Oberkanten der beiden konischen Teile bis unter den Erstarrungspunkt
des Metalls absinkt. Sobald das flüssige Metall in diesen Teil des Spaltes eintritt,
erstarrt es und dichtet den Spalt ab. Es ist keine starre Verbindung zwischen dem
Bauteil aus Graphit und dem Mantel aus Stahl vorhanden. Wenn sich der Spalt weiter
öffnen sollte, entweder infolge einer Verwerfung des Stahlmantels oder infolge einer
unterschiedlichen Wärmedehnung des Stahlmantels und des Graphits, wird die Leckstelle
automatisch durch flüssiges Metall abgedichtet, das in den erweiterten Spalt eindringt
und dort erstarrt.
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Damit die gesamte Anordnung einwandfrei arbeitet, ist es erforderlich,
die Temperatur der verschiedenen Teile der Einrichtung auf unterschiedlichen, genau
bestimmten Werten zu halten. Es hat sich gezeigt, daß die nachstehend beschriebenen
Maßnahmen zum Heizen bzw. Kühlen für diesen Zweck geeignet sind. Innerhalb des vakuumdichten
Mantels in der Umgebung der Graphitrohre 4 bzw. 8 sind elektrische Widerstandsheizelemente
21 angeordnet, die sich jeweils vom Boden des betreffenden Graphitkörpers 17 aus
bis zu dem zugehörigen Überlauf 5 bzw. 7 erstrecken. Zusätzlich sind in bekannter
Weise ausgebildete Heizmittel (nicht dargestellt), die z. B. mit Gas oder elektrischem
Strom arbeiten, an der Außenseite der Endstücke 14 dort vorgesehen, wo die Endstücke
an die Stahlrohre 3 angeschlossen sind, und außerdem werden auch die oberen Abschnitte
der Stahlrohre 3 in geeigneter Weise beheizt. Ferner sind Vorkehrungen getroffen,
um die Außenseite der Zone 20 des konischen Stahlleiters 14 mit Hilfe ebenfalls
nicht gezeigter Mittel durch Luftströme zu kühlen, die dazu beitragen, die erforderliche
niedrigere Temperatur in dieser Zone aufrechtzuerhalten.
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Die Temperatur des in den barometrischen Schenkeln enthaltenen flüssigen
Metalls wird vorzugsweise auf einem Wert gehalten, der den Schmelzpunkt der zu behandelnden
Legierung um höchstens 100° C überschreitet, um eine unnötig starke Abnutzung der
in die Sümpfe 2 und 3 eintauchenden Stahlrohre 3, der Graphitrohre 4 und 8 sowie
der elektrischen Heizwiderstände 21 zu verhindern. Wenn für den eigentlichen Verdampfungsvorgang
eine höhere Temperatur erforderlich sein sollte, so kann man diese dadurch hervorrufen,
daß man das Metall auf seinem Wege zu dem Verdampferabschnitt und durch diesen
hindurch
erhitzt, und zwar in dem Überlauf 5A (Fig.1 und 2). Gegebenenfalls kann ein Kühlabschnitt
7A zwischen dem Verdampferboden und dem Austrittsrohr 8 angeordnet werden, um eine
unnötige Abnutzung des Austrittsschenkels zu vermeiden.
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Jedes der Graphitrohre 4 und 8 bildet zusammen mit dem zugehörigen,
am unteren Ende angeordneten Graphitkörper ein ziemlich empfindliches Aggregat,
das gegen unnötige Eingriffe möglichst weitgehend geschützt werden muß. Es hat sich
daher als erforderlich erwiesen, Vorkehrungen zum Schutze dieser wichtigen Bauteile
zu treffen.
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Um zu verhindern, daß auf die Wärmedehnung zurückzuführende mechanische
Spannungen zwischen dem äußeren Mantel und den Graphitrohren entstehen, wird jedes
Graphitrohr ausschließlich durch Teile aus Kohlenstoff unterstützt; hierbei handelt
es sich um den zentralen Fortsatz des Graphitkörpers 17 (Fig. 3); zur Abstützung
jedes Graphitrohres gegen Biegebeanspruchungen dienen gemäß Fig. 6 geeignete Führungsringe
25, die durch gemäß Fig. 4, 5 und 6 ausgebildete, an dem äußeren Mantel 1 befestigte
Konsolen 24 unterstützt werden.
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Durch die gleichen Konsolen 24 werden auch d'#._e elektrischen Widerstandsheizelemente
21 (Fig. 3 und 5) sowie die Isolierklötze oder Strahlungsabschirmungen 22 unterstützt.
Da die Widerstandsheizelemente gelegentlich instand gesetzt oder ausgetauscht werden
müssen, sind sowohl die Widerstandsheizelemente als auch die sie umgebenden isolierenden
Ringe oder Strahlungsabschirmungen in der Längsrichtung geteilt ausgebildet, damit
man sie von den Konsolen abnehmen kann, ohne die Lage der Graphitrohre zu verändern.
Aus dem gleichen Grund sind die Abmessungen des äußeren Mantels so groß gewählt,
daß er die beiden barometrischen Schenkel aufnehmen kann und sein Inneres über ein
Mannloch zugänglich ist.