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Verfahren zur Bindung eines Blocks aus einem Konditionierungs- oder
Behandlungsmittel für geschmolzenes Metall an eine Oberfläche aus Metall oder feuerfestem
Material Die Erfindung bezieht sich auf ein Bindungsverfahren, das bei der Behandlung
von Metallen von Bedeutung ist. Es hat besonderen Wert im Zusammenhang mit der Behandlung
von Metallen in der Gießereipraxis und wird daher insbesondere mit Bezug auf diese
Anwendung beschrieben. Es kann jedoch auch, wie nachstehend näher erläutert, für
andere Zwecke Anwendung finden. Bei der Behandlung von geschmolzenen Metallen in
der Gießerei ist es eine bekannte Praxis, in das Metall ein Konditionierungsmittel
in Form eines Briketts oder Blocks aus einem solchen Material einzuführen. Oft besitzen
diese Preßlinge eine solche Beschaffenheit, daß sie unter den in dem geschmolzenen
Metall vorherrschenden Bedingungen ein Gas erzeugen, welches die erforderliche Konditionierung
des Metalls bewirkt.
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Es ist bekannt, daß bei der Behandlung von geschmolzenen Metallen
die Neigung besteht, daß das Metall unerwünschte Gase okkludiert und/oder löst;
so können geschmolzenes Kupfer und Kupferlegierungen Wasserstoff okkludieren oder
lösen. Bei der Verfestigung solcher geschmolzener Metalle besitzt das okkludierte
oder gelöste Gas die Neigung, kleine Hohlräume in dem festen Metall zu verursachen,
so daß die physikalischen Eigenschaften des Metalls in unerwünschter Weise beeinflußt
werden. Es ist daher wichtig, geschmolzenes Metall einer sogenannten Entgasungsbehandlung
zu unterwerfen, und ein übliches Verfahren zur Ausführung einer solchen Behandlung
besteht darin, daß man dem Metall eine Substanz zusetzt, die in dem geschmolzenen
Metall ein Gas erzeugt, so daß das erzeugte Gas bei seinem Durchgang durch das Metall
die okkludierten oder gelösten Gase mitreißt. Eine für diesen Zweck besonders brauchbare
Substanz ist ein vorgetrocknetes Carbonat, z. B. Marmor, das bei der Temperatur
des geschmolzenen Metalls sich zersetzt und ein Gas abgibt, welches die Mitreißwirkung
ausübt.
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Gaserzeugende Materialien können auch Anwendung finden, um unerwünschte
Metalle aus geschmolzenen Metallgemischen zu entfernen. So kann z. B. Magnesium
aus Aluminium durch Chlor entfernt werden, das durch Einführung von Hexachloräthan
erzeugt wird. In ähnlicher Weise kann Aluminium aus Legierungen auf Kupferbasis,
wie Messing oder Bronze, mit Hilfe von gasförmigem Sauerstoff entfernt werden, der
in Form eines Preßlings aus gemischten Oxydationsmitteln eingeführt wird.
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In gewissen Fällen ist es erwünscht, Gas in geschmolzene Metalle einzuführen.
Ein Beispiel hierfür ist die Einführung von Gas in Metall, das für Druck-oder Schalenguß
verwendet werden soll, um einer Zusammenziehung und Heißrissen in solchen Gußstücken
entgegenzuwirken. Wasserstoff, der für solche Zwecke verwendet wird, wird gewöhnlich
in der Form von Wasserdampf mittels Preßlingen aus unschädlichen chemischen Salzen,
die große Mengen an Kristallisationswasser enthalten, z. B. Borax, eingeführt.
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Es ist bekannt, daß die Wirksamkeit solcher Konditionierungsmaterialien
wesentlich dadurch verbessert werden kann, daß man Vorsorge dafür trägt, daß daß
Gas nicht in Form einer verhältnismäßig kleinen Anzahl von großen Blasen, sondern
in Form einer großen Anzahl von kleinen Blasen erzeugt wird, und dieses Ergebnis
kann durch die Verwendung von Zusammensetzungen erzielt werden, die zusätzlich zu
der gaserzeugenden Substanz ein teilchenförmiges Trägermaterial und Mittel zum Zusammenbinden
des Ganzen enthalten.
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Um eine zufriedenstellende Behandlung von geschmolzenem Metall zu
erzielen, ist es jedoch notwendig, daß die Zusammensetzung, gewöhnlich in Form eines
Preßlings, ihr Gas erzeugt, während sie
sich angemessen tief unter
der Oberfläche des geschmolzenen Metalls befindet. Dies ist eine ernsthafte Schwierigkeit,
weil die meisten von diesen Zusammensetzungen ein verhältnismäßig niedriges spezifisches
Gewicht besitzen und dazu neigen, auf dem geschmolzenen Metall zu schwimmen. Verschiedene
Vorschläge sind gemacht worden, um künstlich die Dichte der Preßlinge zu erhöhen.
so daß sie in dem geschmolzenen Metall von selbst untersinken; da jedoch die Gasblasen
dazu neigen, an dem Preßling zu haften, können sie bewirken, daß der Preßling in
dem geschmolzenen Metall aufsteigt, so daß diese Methode nicht immer völlig erfolgreich
ist. Eine positivere Methode besteht darin, den Preßling auf den Boden des geschmolzenen
Metalls auf dem Ende einer Tauchstange zu tauchen, und dies bedingt, obwohl es wirksam
ist, gewöhnlich eine beträchtliche Erosion derTauchstange, so daß diese danach ersetzt
werden muß oder wenigstens nur in einer begrenzten Anzahl von Arbeitsvorgängen gebraucht
werden kann.
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Abgesehen von den vorstehend erörterten Gasbehandlungen gibt es andere
Formen einer Behandlung von geschmolzenem Metall, bei welchem die Behandlung durch
Einführung eines Konditionierungsmaterials in das Metall ausgeführt wird. So können
z. B. Legierungsmittel, wie Ferrolegierungen, Desoxydationsmittel, Aufkohlungsmittel
und Inokulierungsmittel, einverleibt werden, und auch in diesen Fällen ist es wichtig,
daß das zugegebene Material angemessen tief unter die Oberfläche des geschmolzenen
Metalls eingeführt wird, damit es seine Wirkung in zufriedenstellender Weise ausübt.
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Forschungsarbeiten und Versuche sind mit dem Ziel ausgeführt worden,
Mittel zur Überwindung dieser Schwierigkeiten dadurch zu schaffen, daß man Mittel
vorsah, durch welche ein Block aus Konditionierungsmaterial in seiner Stellung gehalten
werden konnte, z. B. an der Seite oder an dem Boden einer Gießpfanne oder einer
Ingot- oder Gießform, ohne daß man ausschließlich die Schwerkraft zu Hilfe nahm
und ohne Anwendung einer Tauchstange od. dgl.
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Es ist nun ein Verfahren gefunden worden, das nicht nur wirksam für
die oben angegebenen Zwecke ist, sondern auch von allgemeinem Wert ist, wenn es
erforderlich ist, einen Block aus einem Behandlungsmaterial in einer besonderen
Stellung mit Bezug auf das zu behandelnde Metall örtlich festzulegen.
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Gemäß der Erfindung sieht man bei einem Verfahren zum Binden eines
Blocks von Konditionierungsmittel für geschmolzenes Metall an eine aus Metall oder
feuerfestem Material bestehende Oberfläche zwischen dem Block und der Oberfläche
eine Masse vor, die Bestandteile enthält, welche beim Inbrandsetzen exotherm miteinander
reagieren und die nach Inbrandsetzen eine hochschmelzende flüssige Schlacke erzeugen,
führt eine Inbrandsetzung der Schicht herbei, wodurch die flüssige Schlacke erzeugt
wird, und läßt dann die Schlacke genügend abkühlen, um den Block an der Oberfläche
zu binden.
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Der Ausdruck »Konditionierungsmittel«, wie er hier verwendet wird,
soll jedes Mittel einschließen, welches man zu geschmolzenem Metall zuzusetzen wünscht,
um seine chemische Zusammensetzung oder seine physikalischen Eigenschaften zu modifizieren,
und schließt Entgasungsmittel, Entschwefelungsmittel, Kornverfeinerungszusätze,
Legierungszusätze, aufkohlende Verbindungen (Aufkohlungsmittel), Inokulierungsmittel
für Gußeisen, phosphorhaltige Zusatzstoffe für Kupferlegierungen und Zusatzstoffe
zur Entfernung von irgendwelchen unerwünschten Bestandteilen oder Verunreinigungen
aus geschmolzenem Metall ein.
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Die exotherme Masse kann in Form einer Schicht aus losem Pulver oder
Körnern oder von pastenartiger Konsistenz vorgesehen sein, oder sie kann aus einer
vorgeformten Schicht bestehen, die zwischen den Block und die Oberfläche eingeführt
werden kann, auf welche er gebunden werden soll. Die Anwendungsbeispiele sind z.
B. folgende: a) Die exotherme Masse kann mit einem Bindemittel gemischt und zwecks
Bildung einer Paste befeuchtet werden, die auf die Oberfläche, auf welche der Block
aufgebracht werden soll, oder auf die Unterseite des Blocks gespachtelt werden kann.
Wenn sie in einer heißen Pfanne oder einem heißen Tiegel verwendet wird, ist die
Resthitze ausreichend, um die feuchte Masse auszutrocknen.
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b) In ähnlicher Weise kann eine exotherme Paste aus einem Schlauch
auf die Unterseite des Blocks oder auf die Oberfläche, auf welcher der Block befestigt
werden soll, gedrückt oder gequetscht werden.
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c) Es kann eine kleinere Menge von Pulver oder eine vorgeformte Scheibe
aus exothermer Masse in eine Pfanne oder einen Tiegel gebracht und gezündet werden.
Der Konditionierungspreßling kann auf die exotherme Masse vor, während oder nach
der Zündung der Masse gebracht werden, vorausgesetzt, daß die Masse nicht abgeschreckt
bzw. gekühlt oder fest geworden ist.
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Bei einer besonders brauchbaren Form der Erfindung kann die Masse
auf den Block in einem vorausgehenden Arbeitsvorgang aufgebracht werden, wobei der
Block dann in die gewünschte Stellung auf der Oberfläche gebracht wird, wobei die
Masse sich in Berührung mit der Oberfläche befindet.
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Es ist daher gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ein Preßling
vorgesehen, der ein Konditionierungsmittel für geschmolzenes Metall und einen Füllstoff
oder Träger dafür umfaßt, wobei eine Masse, die Bestandteile enthält, welche beim
Inbrandsetzen exotherm miteinander reagieren und die nach Inbrandsetzen eine hochschmelzende
flüssige Schlacke erzeugen, an dem Preßling befestigt oder in ihm eingebettet ist,
wobei jedoch ein Teil der Oberfläche des Preßlings bedeckt ist.
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Die exotherme Masse kann auf eine Oberfläche des Preßlings aufgebracht
werden, wobei sie diese Oberfläche ganz oder teilweise bedeckt, oder sie kann in
einer Ausnehmung in einer Fläche oder einer Seite des Preßlings vorgesehen sein.
Bei einer bevorzugten Ausführugnsform ist der Preßling mit einer mittleren Öffnung
versehen, die ganz oder teilweise mit der exothermen Masse gefüllt ist.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird bei einem Verfahren
zum Konditionieren von geschmolzenem Metall ein Preßling, wie er vorstehend beschrieben
ist, auf die Seite oder den Boden eines Gefäßes gelegt, in welches das geschmolzene
Metall gegossen werden soll, z. B. in eine Gießform
oder eine Blockform,
in Brand gesetzt, wenn sie sich in dieser Stellung befindet und bevor das Gefäß
mit geschmolzenem Metall gefüllt ist, abkühlen gelassen, so daß die Schlacke sich
verfestigt, und dann wird das geschmolzene Metall in das Gefäß gegossen.
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Im allgemeinen wird das Gefäß vor Einführung des geschmolzenen Metalls
vorerhitzt, um zu gewährleisten, daß irgendwelche feuerfeste Auskleidung trocken
ist, wobei auf diese Weise die Gefahr eines Blasens vermieden wird. Die Restwärme
von dem Vortrocknungsvorgang ist gewöhnlich ausreichend, um das exotherme Material
zu zünden. Wenn die Restwärme nicht ausreichend ist, kann die Zündung mittels einer
Zündpille, eines Zündmittels oder einer Gebläseflamme herbeigeführt werden.
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Es ist gefunden worden, daß die durch die exotherme Reaktion gebildete
flüssige Schlacke rasch durch das Gefäß gekühlt oder abgeschreckt wird, mit dem
sie in Berührung steht, so daß der Preßling als Ganzes sicher in seiner Stellung
auf dem Boden des Gefäßes befestigt wird. Wenn das geschmolzene Metall in das Gefäß
gegossen wird, tritt daher der Konditionierungseffekt, z. B. die Erzeugung von Gas
aus dem Konditionierungspreßling von unten her ein, und es wird eine sehr gründliche
Behandlung des geschmolzenen Metalls bewirkt.
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Die exotherme Masse kann von bekannter Art sein, wie sie z. B. unter
dem Warenzeichen »Thermit« vertrieben wird, d. h. aus einer Mischung, die im wesentlichen
aus Eisenoxyd und Aluminium besteht. Allgemein kann sie irgendein leicht oxydierbares
Metall, wie Aluminium, Silicium oder Magnesium, zusammen mit irgendeinem Oxydationsmittel
enthalten, wie sie üblicherweise in exothermen Massen in der Gießereipraxis verwendet
werden, z. B. Eisenoxyd, Mangandioxyd oder Alkali- oder Erdalkalinitrate oder -chlorate
oder irgendwelche Gemische von diesen. Vorzugsweise soll sie ein siliciumhaltiges
Material, z. B. Calciumsilicid, Ferrosilicium oder Silicium, etwa in Grießform,
enthalten, da dieses ein bequemes Mittel darstellt, durch das eine flüssige Schlacke
erzeugt wird.
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Die Masse kann eine geringere Menge, z. B. 0,1 bis 1511/o,
eines Fluorids enthalten, welches dazu dient, die exotherme Reaktion stetig zu halten.
Beispiele dafür sind die Alkali- und Erdalkalifiuoride und komplexe Fluoride, z.
B. Natrium- oder Kaliumfluorid, Natrium- oder Kaliumkryolith, Aluminiumfluorid,
Titanfluorid, Siliciumfluoride und Borfluoride.
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Die tatsächliche Zusammensetzung der exothermen Masse wird zweckmäßig
so variiert, daß sie den Bedingungen der vorgesehenen Verwendung angepaßt ist. So
soll sie derartig zusammengesetzt sein, daß die erzeugte Temperatur ausreicht, um
eine flüssige Schlacke zu bilden, die bei der Temperatur des Gefäßes fest wird,
in dem der Preßling verwendet werden soll, und fest bleibt und nur langsam bei der
Temperaturdes flüssigen Metalls, welches eingegossen wird, pastenförmig wird. Andererseits
muß Rücksicht auf die Art des Konditionierungsmittels genommen werden, damit es
nicht durch die durch die exotherme Masse erzeugte Wärme zerstört wird. Wenn daher
eine ernsthafte Gefahr einer nachteiligen Wirkung auf das Konditionierungsmittel
vorhanden ist, kann eine Schicht aus wärmeisolierendem Material, z. B. verdichteter,
zerkleinerter Schamotte od. dgl., zwischen der exothermen Masse und dem Preßling
vorgesehen werden, wobei eine solche Schicht zuvor an dem Preßling befestigt wird.
Dies ist um so notwendiger, wenn der Preßling ein flüchtiges Konditionierungsmittel,
wie Hexachoräthan, enthält.
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Die Erfindung wird an Hand eines Beispiels näher erläutert.
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Beispiel Ein Block von 113,4 g wird aus der folgenden Zusammensetzung
gebildet:
| Gewichtsprozent |
| Grobe Mormorsplitter . . . . . . . . . . . 60 |
| Feines Marmorpulver . . ...... .. . 28 |
| Natriumsilikat .............. . 12 |
und gründlich vor der Verwendung getrocknet. Der Block wird mit einer mittleren
Öffnung ausgebildet, und in diese werden 14,17 g eines exothermen Materials der
folgenden Zusammensetzung gebracht:
| Gewichtsprozent |
| Calciumsilicid .................. 46 |
| Eisenoxyd (Walzzunder) ........ 23 |
| Mangandioxyd (als Erz) . . . . . . . . . 23 |
| Kaliumchlorat ................. 8 |
Die Öffnung an dem Block wird an einer Seite mit einem Celluloseklebeband und auf
der anderen Seite durch ein dünnes Blatt aus Pappe verschlossen. Der Block wird
auf den Boden eines Stahlgefäßes mit feuerfester Auskleidung gebracht, das auf etwa
600° C vorerhitzt worden ist, um die feuerfeste Auskleidung gründlich zu trocknen,
und die Resthitze in der Auskleidung bewirkt die Inbrandsetzung der Masse. Sie erhitzt
sich auf etwa 1600 bis
2000'C
und bildet eine flüssige, glasartige Schlacke,
wobei das Celluloseband und die Pappeschicht weggebrannt werden. Die Schlacke hat
einen sehr hohen Schmelzpunkt und wird rasch durch das erhitzte, jedoch relativ
viel kühlere Gefäß gekühlt und auf diese Weise abgeschreckt und verfestigt. Sie
stellt eine feste Klebeverbindung zwischen dem Block und dem Gefäß dar.
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Es wird dann geschmolzene Kupferlegierung in das Gefäß gegossen. Während
etwas von dem Carbonat durch die durch das Abbrennen des exothermen Materials erzeugte
Hitze zersetzt wird, bleibt die Hauptmasse des Carbonats unverändert und ist so
für die Entgasung des geschmolzenen Metalls wirksam, wobei das aus dem Block erzeugte
Gas nach oben durch das geschmolzene Metall tritt, während der Block fest in seiner
Stellung verbleibt.
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Wenn die Behandlung vollendet ist, wird das Gefäß geleert. Wenn es
kalt ist, kann der Rest des Blocks leicht von dem Boden des Gefäßes weggebrochen
werden.
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Es ist zu beachten, daß dadurch, daß man das exotherme Material in
einer durch den Preßling hindurchgehenden Öffnung einbringt, ein Durchgang durch
den Preßling für das Entweichen von Gasen, die durch die exotherme Reaktion erzeugt
werden, geschaffen wird und so der Preßling entsprechend in seiner Stellung bleibt,
während die exotherme Reaktion vor sich geht, weil dann keine Neigung dazu besteht,
daß die erzeugten Gase unter dem Preßling entweichen und die Möglichkeit gegeben
ist, daß der Preßling aus seiner Stelle verschoben wird.
Es ist
ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß sie eine Bindung ermöglicht, die nicht
irgendwelchen Wasserstoff unter ihren Bestandteilen enthält; dies ist ein Faktor,
der von wesentlicher Bedeutung ist, wenn der verwendete Preßling dazu bestimmt ist,
Wasserstoff aus geschmolzenem Metall zu entfernen. Überdies dient die durch das
Abbrennen der exothermen Masse erzeugte Wärme, wenn das Brennen in Gegenwart des
Behandlungsmittels erfolgt, dazu, auch das Behandlungsmittel auszutrocken, wodurch
außerdem jegliche Neigung des Behandlungsmittels zu einer zufälligen Einführung
einer Wasserstoffquelle in das Metall herabgesetzt wird.
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Es ist ersichtlich, daß mittels der Erfindung verschiedene Arten von
Konditionierungsmittel an dem Behandlungsgefäß befestigt werden können, so daß verschiedene
Behandlungen gleichzeitig oder nacheinander bewirkt werden.
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Obgleich das hier beschriebene Bindungsverfahren von besonderem Wert
für die örtliche Festlegung von Blöcken von Behandlungsmittel in einer Stellung,
in welcher sie die Behandlung des geschmolzenen Metalls bewirken können, ist, ist
das Verfahren auch in jedem anderen Zusammenhang von Bedeutung, wo ein Block aus
Behandlungsmittel in seiner Stellung auf einer Metalloberfläche oder einer feuerfesten
Oberfläche festgehalten werden soll. So können z. B. Behandlungsmittel auf die Schweißflächen
von geschweißten Rohren nach diesem Verfahren aufgebracht werden. Es ist auch möglich,
nach dem Verfahren einen Block aus Behandlungsmittel auf dem Ende einer Tauchstange
(mit einer Metalloberfläche oder feuerfesten Fläche) zu befestigen, so daß der Block
an der Tauchstange befestgt bleibt, wenn er in das geschmolzene Metall getaucht
wird.