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Verfahren zum Aufarbeiten von Titan-Schrott Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufarbeiten und Umschmelzen von Schrott oder
Abfällen aus Titan bzw. dessen Legierungen.
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Bekanntlich fällt Titan- und Titanlegierungsschsott wie jeder Schrott
mit unterschiedlicher Größe, Form und chemischer Zusammensetzung an. Da es bei den
genannten Werkstoffen nicht möglich ist, den Schrott unmittelbar in loser Schüttung
in einen Ofen einzuführen und dort zu schmelzen, sondern da bekanntlich aus den
Schrotteilen zunächst durch Pressen und/oder Schweißen eine sogenannte selbstverzehrende
Elektrode hergestellt werden muß, ist es erforderlich, den anfallenden Schrott vor
der Verarbeitung zu zerkleinern. ' Hierzu sind bereits die verschiedensten Verfahren
bekanntgeworden.
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Eine unmittelbare mechanische Zerkleinerung, etwa durch Zerschneiden,
Stanzen oder Zerschlagen, ist bei Titan und Titanlegierungen mit Rücksicht auf die
Größe, Härte und Zähigkeit in wirtschaftlicher Weise nicht durchführbar. Es wird
daher häufig so vorgegangen, daß der Schrott bei erhöhter TemperatuT, etwa bei 500
bis 800°C mit Wasserstoff, gegebenenfalls unter erhöhtem oder auch erniedrib tem
Druck, behandelt wird. Hierbei tritt Wasserstoffaufnahme unter Hydridbildung ein,
wobei das Metall stark versprödet. Nach Durchführung dieser Hydrierungsbehandlung
und Abkühlen des hydrierten Produktes auf Raumtemperatur ist es möglich, den Schrott
zu zerschlagen oder zu zermahlen, was etwa mit Hilfe von Backenbrechern. Hammermühlen
od. dgl. geschehen kann.
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Bevor das so hergestellte pulvrige, mehr oder weniger feinkörnige
Produkt zu Elektroden weiterverarbeitet wird, wurde bisher stets so vorgegangen,
daß dieses einer Dehydrierungsbehandlung unterworfen wurde mit dem Ziel, den absorbierten
Wasserstoff so vollkommen wie möglich wieder zu entfernen. Der vom Metall aufgenommene
Wasserstoff hatte also lediglich den Zweck, eine Versprödung des Metalls herbeizuführen,
damit eine leichte Zerkleinerung desselben in der oben beschriebenen Weise möglich
war.
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Es wurde nun erkannt, daß dieser zusätzliche Arbeitsgang des Dehydrierens
nicht nur überflüssig ist, sondern daß es sich sogar günstig auf die Reinheit des
im Vakuum-Lichtbogenofens erschmolzenen Gußblocks auswirkt, wenn der Wasserstoff
bis zu einem bestimmten Prozentsatz im Metall verbleibt. Erfindungsgemäß wird daher
zum Aufarbeiten von Titan- oder Titanlegierungsschrott ein Verfahren vorgeschlagen,
bei dem der Schrott bei erhöhter Temperatur hydriert und dann bei Raumtemperatur
zerkleinert wird, wobei Legierungselemente und/oder frischer Titanschwamm vor dem
Verpressen zugegeben werden können, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das
1 bis 211/o Wasserstoff enthaltende hydrierte Produkt mit den Zusätzen in an sich
bekannter Weise zu Elektroden verpreßt und daß diese unmittelbar in einem Vakuum-Lichtbogenofen
bei einem Druck von nicht mehr als 10 mm Hg, vorzugsweise unter 1 mm Hg, geschmolzen
werden. Ein höherer Wasserstoffgehalt ist für den erfindungsgemäßen Zweck unvorteilhaft
und erfordert außerdem zu lange Behandlungszeiten.
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Bei der praktischen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geht
man zweckmäßigerweise so vor, daß Stichproben aus der Hydrierungskammer genommen
werden und diese entweder auf ihren Wasserstoffgehalt hin untersucht werden oder
daß sie probeweise zerkleinert werden und an Hand des erreichten Sprödigkeitsgrades
auf den Fortschritt der Hydrierungsreaktion geschlossen wird. Versuche haben gezeigt,
daß die Hydrierungszeit bei einer Temperatur von 550 bis 800° C je nach Art und
Größe des Schrottes 1 bis 10 Stunden betragen soll. In Ausnahmefällen ist es auch
möglich, daß die genannte Zeit noch überschritten werden muß.
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Ist der erwähnte Wasserstoffgehalt erreicht, so wird das hydrierte
Produkt auf Raumtemperatur abgekühlt und anschließend zerkleinert. Hierzu hat es
sich als vorteilhaft erwiesen, zunächst eine Vorzerkleinerung, etwa in Backenbrechern,
vorzunehmen, bis die Stücke eine Größe von etwa 12 bis 13 mm aufweisen. Hieran kann
sich eie weitere Zerkleinerang,
etwa in Hammermühlen od. dgl., anschließen.
Der Zerteilungsgrad des Produktes kann hierbei in bekannter Weise durch entsprechende
Einstellung der Mühle sowie durch Regulierung der Mahlgutzugabe eingestellt werden.
Nach dem Zermahlen wird der zerkleinerte, hydrierte Schrott unmittelbar zu Elektroden
verarbeitet, was in bekannter Weise durch Pressen geschieht. Hierbei ist es wegen
der Sprödigkeit des Produktes erforderlich, frisches Titan, etwa in Form von Schwamm,
Pulver od. dgl. in gewissen Mengen zuzusetzen. Versuche haben ergeben, daß die Menge
an hydriertem Schrott im Elektrodenpreßkörper 50 Gewichtsprozent nicht überschreiten
soll. Weiter ist .es möglich, dem Elektrodenpreßkörper noch andere Legierungselemente,
wie Aluminium, Vanadium, Molybdän, Chrom usw., entweder in reiner Form oder in Form
von Vorlegierungen als Pulver oder in anderer geeigneter Form zuzusetzen. Mehrere
der so erzeugten Preßkörper werden üblicherweise in axialer Richtung aneinandergesetzt
und durch Verschweißen - etwa im direkten Stromdurchgang und unter Schutzgas -zur
eigentlichen Elektrode zusammengefügt, wie dies bei der Elektrodenherstellung an
sich bekannt ist. Der Wasserstoffgehalt der fertigen Elektrode beträgt je nach der
Menge des zugesetzten hydrierten Schrottes 0,05 bis 10/0. Es hat sich gezeigt,
daß in diesem Bereich der Einfluß des Wasserstoffs auf die Reinheit sowohl des ungeschmolzenen
Metalls selbst wie auch der Gußblock-Oberfläche am günstigsten ist. Während des
Umschmelzens wird der Wasserstoff vom Schmelzbad kontinuierlich abgegeben und mittels
der Vakuumpumpe bzw. des Vakuumpumpenaggregates entfernt. Die Förderleistung der
Pumpe wird hierbei so eingestellt, daß der Druck im Ofen etwa 10 mm Hg nicht übersteigt,
vorzugsweise jedoch unter 1 mm Hg liegt. Unter diesen Bedingungen wird der im Elektrodenpreßkörper
enthaltene Wasserstoff leicht in Freiheit gesetzt, so daß er mittels der Vakuumpumpen
entfernt werden kann. Zahlreiche Versuche haben gezeigt, daß der Wasserstoffgehalt
eines so erzeugten Gußblockes kleiner ist als etwa 0,010/0. Es ist darauf zu achten,
daß die angegebenen Drücke im Ofen nicht überschritten werden. Drücke über 10 mm
Hg führen nicht zu einer einwandfreien Wasserstoffabgabe während des Schmelzens.
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Der genaue Grund für den günstigen Einfiuß des Wasserstoffes auf die
erzeugte Gußblockoberfläche ist noch nicht bekannt. Es kann jedoch angenommen werden,
daß das Wasserstoffgas, welches bei der hohen Temperatur im Vakuum freigesetzt wird,
Verunreinigungen fortschwemmt, welche andernfalls dazu neigen würden, sich anzusammeln,
zu koagulieren und sich vor allem auf der Oberfläche des Gußblockes abzusetzen.
Da der Wasserstoff während des Schmelzens kontinuierlich im Metall in Freiheit gesetzt
wird, wird ein sehr wirkungsvolles Abgasen erreicht. Gußblöcke, die nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellt sind, sind durch eine glattere, sauberere Oberfläche charakterisiert
als solche, die auf normalem Wege, also ohne Einsatz von hydriertem Schrott, erzeugt
werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, den
hydrierten Schrott nicht durch gemeinsames Pressen mit frischem Titan und gegebenenfalls
Legierungselementen zu einer selbstverzehrenden Elektrode zu verarbeiten und diese
sodann im Vakuum-Lichtbogenofen umzuschmelzen, sondern so vorzugehen, daß ein Lichtbogen
im Ofen zwischen dem Schmelzbad und einer selbstverzehrenden Elektrode aus Rein-Titan
brennt und das hydrierte Titanmetall, gegebenenfalls in Mischung mit Legierungselementen,
unabhängig und getrennt von der oder den Elektroden in den Ofen eingeführt wird.
Bei dieser Arbeitsweise ist zwar das Vorhandensein eines Vakuum-Lichtbogenofens
mit gesonderter Schleuse erforderlich, es wird aber das Einpressen des spröden,
wasserstoffhaltigen Schrottes in die Elektrode erspart. Dies kann wünschenswert
sein, wenn mit Rücksicht auf die Ofenkonstruktion mit Elektroden gearbeitet werden
muß, welche eine hohe Festigkeit aufweisen müssen. Auf die Qualität der erzeugten
Gußblöcke ist die Art der Zuführung des hydrierten Produktes ohne Einfluß. Bei der
zuletzt geschilderten Verfahrensvariante hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dafür
zu sorgen, daß der Gehalt an hydriertem Schrott, welcher gleichzeitig mit dem frischen
Elektrodenmetall geschmolzen wird, nicht über 40% des Gewichtes an Elektrodenmetall
liegt. Ausführungsbeispiel Verschieden große Stücke von Stäben mit einem Durchmesser
von 25,4 mm, welche aus einer Titanlegierung mit 6'% Aluminium und 4% Vanadium bestanden,
wurden in einem geschlossenen Behälter auf eine Temperatur zwischen 650 und 800°
C erhitzt. Im Behälter herrschte ein Wasserstoffdruck von ungefähr 0,42 at. Nach
einer Behandlungszeit von etwa 5 Stunden lag ein hydriertes Produkt mit 1,5'0/a
Waserstoff vor.
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Nach dem Abkühlen und Entfernen des Produktes aus dem Behälter wurde
der hydrierte Schrott in einer Hammermühle auf Stücke von etwa 12 bis 13 mm vorzerkleinert
und dann gemahlen bis auf eine Korngröße von maximal 5 mm.
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Anschließend wurde das so erhaltene Produkt wie folgt mit frischem
Titanschwamm und Legierungszusätzen gemischt:
| Erischer Titanschwamm ...... 71,84°/0 |
| Aluminium und Vanadium als |
| Legierungszusätze insgesamt.. 8,16'°/o |
| Zermahlener hydrierter Schrott 20,00% |
| 100,000/0 |
Aus diesen Mischungen wurden durch Pressen in bekannter Weise Elektrodenteile hergestellt,
welche unter dem Schutz eines inerten Gases durch Lichtbogenschweißung miteinander
verschweißt wurden.
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Die so hergestellte selbstverzehrende Elektrode wurde in der Elektrodenführung
eines üblichen Vakuum-Lichtbogenofens befestigt. Der Schmelzofen wies einen wassergekühlten
Tiegel von 89 mm Innendurchmesser auf. Es wurde ein Lichtbogenstrom von 1500 A und
eine Lichtbogenspannung von 30 V angewandt. Während des Schmelzens wurde im Ofen
ein Druck zwischen 3 und 5 mm H- aufrechterhalten. Die Elektrodenbewegung wurde
mittels der üblichen Vorrichtungen kontrolliert und die angegebene Bogenspannung
während der gesamten Schmelzzeit aufrechterhalten.
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Die Schmelzarbeit verlief normal, und der erzeugte Block zeigte nach
dem Entfernen aus dem Tiegel eine glatte Oberfläche. Eine Oberflächenmaserung, wie
sie bei normal geschmolzenen Blöcken
unter denselben allgemeinen
Bedingungen und in derselben Verrichtung sonst üblich ist, konnte bei dem gemäß
vorliegendem Beispiel erzeugten Block nicht beobachtet werden.
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Die Analyse des etwa 5 kg schweren Blockes ergab einen Wasserstoffgehalt
von 0,0081'°/0. Dieser Gehalt liegt niedrig genug, um den üblicherweise gestellten
Reinheitsforderungen zu genügen. Es ist jedoch auch möglich, den Block noch einmal
im Vakuum umzuschmelzen, wodurch eine weitere Senkung des Wasserstoffgehaltes erreicht
werden kann. Praktische Erfahrungen haben gezeigt, daß dies in den weitaus meisten
Fällen aber nicht erforderlich ist.
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Es ist ein typisches Kennzeichen der vorliegenden Erfindung, daß,
ausgehend von hydriertem Schrott, unmittelbar durch Schmelzen ein weitgehend wasserstofffreier
Block erhalten wird. Durch dieses Verfahren wird einmal das umständliche und zeitraubende
Dehydrieren des zerkleinerten Schrottes gespart, zum anderen wird aber auch ein
Block wesentlieh größerer Reinheit als sonst üblich erhalten.