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Verfahren zur Modifizierung von Metallen und Einrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Modifizierung
von Metallen für die Beeinflussung ihrer Eigenschaften und auf eine Einrichtung
zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Die bekannten Verfahren zur Modifizierung von Metallen bestehen darin,
daß geschmolzenes Metall unter Druck im Autoklav oder unter Selbstdruck in der Gießpfanne
modifiziert wird. Es sind auch Verfahren bekannt, die vorsehen, das Metall im Stahl
unter Atmosphärendruck zu modifizieren.
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Unter Modifizierung von Metallen wird in der Metallurgie die Herstellung
von Metallen mit bestimmten Eigenschaften verstanden, wobei dem flüssigen Metall
Zusätze in kleinen Mengen zugefügt werden, die die Kristallisation beeinflussen
und gewünschte Strukturformen hervorrufen. So können beispielsweise die Eigenschaften
von Gußeisen dadurch beeinflußt werden, daß ihm Mangan zur Förderung der Eisencarbidbildung
oder Silicium zur Förderung der Graphitausscheidung zugesetzt wird.
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Es ist auch ein Verfahren bekannt, bei dem die Eigenschaften von Gußeisen
dadurch beeinflußt werden, daß sogenanntes sphärolithisches Gußeisen, d. h. Gußeisen
mit kugeligem Graphitgefüge, durch Zugabe von Magnesium, Cer, anderen Erdalkalien
oder Legierungen dieser Stoffe erzeugt wird. Dieser bekannte Vorschlag berücksichtigt
auch, daß der Siedepunkt des Magnesiums mit 11t)7° C unter dem Schmelzpunkt und
wesentlich unter der Rinnentemperatur des Gußeisens liegt.
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Die Nachteile der bekannten Verfahren zur Modifizierung von Metallen
bestehen darin, daß der Modifizierungsstoff (Modifikator) entweder in einem geschlossenen,
mit Metall gefüllten Behälter eingeführt wird, in welchem ein Überdruck erzeugt
wird, d. h., daß die Modifizierung des Metalls nach solchen Verfahren einen periodischen
Vorgang darstellt, wobei sich die gesamte Menge des Metalls im Behälter unter Druck
befindet. Hierfür ist ein erheblicher Energieaufwand erforderlich. Die anderen Verfahren,
die vorsehen, den Modifizierungsstoff unmittelbar in den Strahl bei Normaldruck
einzuführen, ergeben hohe Verluste an Modifizierungsstoff und Ungleichmäßigkeit
der Modifizierung selbst.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zu schaffen, durch welches eine Ersparnis an Modifizierungsstoff sowie ein ununterbrochener
Verlauf der Modifizierung gewährleistet werden. Ferner soll durch das Verfahren
eine hohe Qualität der Modifizierung des Metalls erreicht werden. Gemäß einer weiteren
Aufgabe der Erfindung soll eine Einrichtung angegeben werden, welche die Durchführung
des Verfahrens nach der Erfindung ermöglicht.
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Zur Lösung dieser mehrteiligen Aufgabe dient ein Verfahren zur Modifizierung
von Metallen für die Beeinflussung ihrer Eigenschaften, bei dem geschmolzenem Metall
ein Modifizierungsstoff zugesetzt wird, der unter normalem Druck bei einer Temperatur
verdampft, die unterhalb der Temperatur des zu behandelnden geschmolzenen Metalls
liegt, insbesondere zur Modifizierung von Gußeisen mit Magnesium; erfindungsgemäß
ist dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß an das zu modifizierende Metall,
das im flüssigen Zustand kontinuierlich durch einen geschlossenen senkrechten Kanal
fließt, zwei elektromagnetische Felder angelegt werden, die im Metall Ströme induzieren,
durch deren Zusammenwirkung mit den angelegten elektromagnetischen Feldern im zu
modifizierenden flüssigen Metall einander entgegengesetzt wirkende elektrodynamische
Kräfte derart entstehen, daß in dem Teil des Metallflusses, der zwischen den Bereichen
der beiden angelegten elektromagnetischen Felder liegt, ein Bereich erhöhten Druckes
entsteht, und daß in diesem Bereich von außerhalb des Kanals kontinuierlich der
Modifizierungsstoff eingeführt wird, dessen Verdampfung unter der Einwirkung des
erhöhten Druckes verlangsamt wird und dessen entstehende Dampfbläschen im Gegenstrom
zur Flußrichtung aufsteigend das zu modifizierende flüssige Metall gleichmäßig durchsetzen
und mit ihm reagieren.
Das vorgeschlagene Verfahren ergibt, vorzugsweise
wenn bei dessen Durchführung die später noch beschriebene Einrichtung benutzt wird,
folgende Vorteile gegenüber den bekannten Verfahren: 1. Dadurch, daß die Modifizierung
bei einem erhöhten Druck im zu modifizierenden Metall, der regulierbar ist, vorgenommen
wird, ist eine optimale Durchführung des Verfahrens gesichert. Beispielsweise wird
bei der Bearbeitung von Gußeisen mit Magnesium unter regulierbar erhöhtem Druck
(2,5 bis 5 atm) der Verbrauch an Modifizierungsstoff um das 5- bis 10fache erniedrigt,
die Zuverlässigkeit des Behandlungsverfahrens absolut sicher gemacht, sein Ablauf
gedämpft und deshalb ungefährlich gestaltet, der Verlust an Wärme erniedrigt und
demzufolge auch der Urrad der eingeleiteten Überhitzung des Gußeisens herabgesetzt.
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2. Die Modifizierung wird kontinuierlich im Metallstrom bei seinem
Übergießen im Verlauf des technologischen Prozesses vollzogen. Zu jedem Zeitpunkt
wird nur ein nicht großer Teil der gesamten Metallmenge bearbeitet. Dadurch sind
kürzere Zeiten für die Bearbeitung nötig, die Wärmeverluste des Metalls werden verringert,
und die Ausmaße der Einrichtung können klein gehalten werden. Die Kontinuierlichkeit
der Bearbeitung erlaubt die Mechanisierung und Automatisierung des gesamten Prozesses.
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3. Dadurch, daß sich beim vorliegenden Verfahren das- Metall in der
Einrichtung im schmalen Strom nach unten bewegt, während die Dampfbläschen des Modifizierungsstoffes
diesem Fluß entgegenströmen, wird ihre Geschwindigkeit verlangsamt. Die Zeit der
Berührung des Magnesiumdampfes mit dem flüssigen Gußeisen wird erhöht, wobei eine
große Gleichmäßigkeit der Reaktion gewährleistet ist.
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Die Ströme, die durch die elektromagnetischen Felder induziert werden,
erwärmen das Metall während der Bearbeitung. Hieraus folgt eine Verringerung oder
eine völlige Kompensation der Wärmeverluste bei der Bearbeitung des Metalls.
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5. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht es, insbesondere bei Anwendung
der vorgeschlagenen Einrichtung, die Menge des zu modifizierenden Metalls in weiten
Grenzen zu verändern, ohne den Prozeß der Modifizierung zu verschlechtern. Deshalb
besteht die Möglichkeit, aus einer Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung beliebig
große Mengen modifizierten Metalls zu erhalten. Dabei kann die Menge des innerhalb
eines bestimmten Zeitraumes zu bearbeitenden Metalls sowie die Menge des einzuführenden
Modifizierungsstoffes in weitem Bereich geändert werden.
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6. Dadurch, daß in der Modifizierungskammer keine beweglichen oder
abnehmbaren Teile vorhanden sind, werden günstige Verhältnisse für einen sicheren
hermetischen Abschluß der einzelnen Abschnitte, welche sich unter Druck von flüssigem
Metall befinden, geschaffen; hierdurch wird große Sicherheit des Betriebes der Anlage
gewährleistet.
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Die Einrichtung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens ist
gemäß der Weiterbildung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sie als Durchflußkammer
ausgebildet ist, die mit einer Öffnung zur Einführung des flüssigen Metalls, einer
Öffnung zur Einführung des Modifizierungsstoffes, einer Öffnung zur Abführung des
modifizierten Metalls sowie einer Vorrichtung zur Erzeugung von Druck in dem in
der Kammer befindlichen flüssigen. Metall versehen ist. Vorzugsweise ist auch ein
Austrittskanal zur Abführung der Dämpfe des unverbrauchten Modifizierungsstoffes
vorgesehen.
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Die Vorrichtung zur Erzeugung von Druck im flüssigen Metall besteht
vorzugsweise aus zwei stromdurchflossenen Spulen mit je einem Spukkern, wobei beide
Spukkerne, gegenüber dem flüssigen Metall isoliert, in die-Durehflußkammer hineinragen
und wobei die Spulenwicklungen so geschaltet sind, daß zwei elektromagnetische Felder
entstehen, die im flüssigen Metall Ströme induzieren in der Weise, daß im Inneren
der Kammer die beiden elektromagnetischen Felder zusammen mit den im flüssigen Metall
durch Induktion entstandenen Strömen einander entgegengesetzte Kräfte erzeugt werden,
durch die im flüssigen Metall im Bereich zwischen den beiden elektromagnetischen
Feldern ein erhöhter Druck herrscht. Vorzugsweise sind die Spulenkerne von einer
Hülle umschlossen, die als keramisches Rohr ausgebildet ist.
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In der Zeichnung ist eine Ausgestaltung der Einrichtung zur Durchführung
des vorgeschlagenen Modifizierungsverfahrens dargestellt. Die Einrichtung besteht
aus einem Metallspeicherbehälter 1, einem abfallenden Kanal 2 zur Einführung des
flüssigen Metalls, einem senkrechten Kanal 3, der zur Abführung der Dämpfe
des Modifizierungsstoffes dient, welche nicht an der Reaktion teilgenommen haben;
die Einrichtung besteht ferner aus einer Modifizierungskammer 4 mit einer Öffnung
5 zur Einführung des Modifizierungsstoffes, aus zwei Spulen ü und 7, deren Magnetkerne
v und 9 in eine keramische Hülle 10 eingeschlossen sind, sowie aus einem Austrittskanal
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Die Einrichtung arbeitet in folgender Weise: Die Spulen stellen die
Primärwicklungen von Einphasentransformatoren dar, deren gemeinsame Sekundär-Wicklung
die Windung des flüssigen Metalls in der Kammer bildet.
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Diese Windung aus flüssigem Metall befindet sich auf den beiden Magnetkernen
des Transformators, deren Primärwicklungen parallel geschaltet sind. Demgemäß wird
in dem flüssigen Metall Strom sowohl durch die obere als auch durch die untere Spule
induziert. Nachdem in der Einrichtung die Sekundär-Wicklung - das flüssige Metall
-- für beide Primärwicklungen gemeinsam ist und sich zwischen denselben befindet,
entstehen im flüssigen Metall zusammendrückende Kräfte, wodurch das Metall auf dem
geringen Strahlabschnitt, in dem die Einführung des Modifikationsstoffes stattfindet,
sich unter Druck befindet, welcher von der Stromstärke in den Spulen abhängt.
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Der Querschnitt der Kanäle und der Durchmesser der Ausgangsöffnung
werden so gewählt, daß während der Arbeit alle Kanäle von flüssigem Gußeisen ausgefüllt
sind. Der Modifizierungsstoff wird während des gesamten Modifizierungsverlaufes
gleichmäßig durch die Öffnung 5 nach einem der bekannten Verfahren eingeführt.
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Das in das Gußeisen gelangende Metall verdampft viel langsamer als
unter Atmosphärendruck, da das
Metall in der Kammer sich unter Druck
befindet. Die Dampfblasen des Modifizierungsstoffes steigen aufwärts und wirken
auf das gesamte Volumen des Metalls in der Kammer 4 und im Kanal 3 ein. Derjenige
Teil der Dämpfe, welcher an der Reaktion nicht teilgenommen hat, entweicht über
den Kanal 3 in ein Ventilierungssystem. Das behandelte Metall wird über den Austrittskanal
abgeführt.
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Neben den bereits oben angegebenen Vorteilen für die vorgeschlagene
Einrichtung seien noch folgende Vorteile angeführt: Die Anlage ist trotz der Möglichkeit
des Durchsatzes großer Mengen gedrungen und nimmt wenig Platz ein. Die Einrichtung
ist leicht bedienbar, und der Betrieb der Einrichtung kann leicht voll automatisiert
werden, wobei ein System einer automatischen, sich selbst einstellenden Regelung
angewendet werden kann.