DE1927973C3

DE1927973C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Entfernung nichtmetallischer Einschlüsse aus Aluminiumschmelzen

Info

Publication number: DE1927973C3
Application number: DE19691927973
Authority: DE
Inventors: Malcolm Victor Stoke Poges Brant; Edward Frederick Chalfont St. Giles Emley
Original assignee: BRITISH ALUMINIUM CO Ltd LONDON
Current assignee: British Aluminum Co Ltd
Priority date: 1968-05-31
Filing date: 1969-06-02
Publication date: 1978-06-08
Also published as: DE1927973A1; SE365249B; CH503793A; JPS5112565B1; NO128073B; AT293030B; GB1266500A; DE1927973B2; BE733830A

Description

Entfernung nichtmetallischer Einschlüsse aus insbesondere Aliiininiumschmclzcn unter Vermeidung der geschilderten Nachteile wirksamer zu gestalten und den Melalldurchsatz durch das Granulatbett ohne Anwendung eines nennenswerten hydrostat!- sehen Drucks zu erhöhen sowie eine Verstopfung des Granulalbcttcs durch abgeschiedene Verunreinigungen auszuschließen.

Die gestellte Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wie im Anspruch ] gekennzeichnet gelöst.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich Einschlüsse außerordentlich wirkungsvoll aus Metallschmelzen entfernen, wobei sich eine Reihe zusätzlicher sehr wesentlicher Vorteile ergibt. Durch die flüssige Flußmittelschicht auf dem Granulat wird das Granulat nicht nur durch die Metallschmelze benetzt, sondern die in der Metallschmelze befindlichen Einschlüsse kommen mit der zähflüssigen klebrigen Flußmittelschicht in Berührung und haften an dieser fest. Folglich werden die Einschlüsse in dem Bett zurückgehalten und lösen sich nicht wieder, wenn das Bett einer Erschütterung oder einer sonstigen Einwirkung ausgesetzt ist. Auf Grund der grobkörnigen Struktur des Bettes ergeben sich Vergleichsweise weite Diirchfiußkanäle, so daß keine besonderen Schritte erforderlich sind, die Metallschmelze zum Hindurchströmen zu veranlassen. Außerdem besteht nicht die Gefahr, daß das Granulatbett verstopft wird. Die Metallschmelze fließt durch das Bett hindurch, ohne daß ein besonderer hydrostatischer Druck angewendet werden muß.

Vorzugsweise läßt man die Metallschmelze von oben nach unten durch das Bett aus flußmittelüberzogenem Granulat strömen.

Obgleich Versuche gezeigt haben, daß nur eine geringe Tendenz besteht, daß das Flußmittel von der Metallschmelze bei deren Durchgang durch das Bett vom Granulat entfernt wird, kann die behandelte Metallschmelze gewünschtenfalls von enthaltenem Chlorid dadurch befreit werden, daß man sie durch ein unübcrzogenes Granulat hindurchleitet, beispielsweise durch Aluminiumoxidkugeln, die leicht von auf Chloridbasis aufgebauten Flußmitteln benetzt werden. Das erfindungsgemäßc Verfahren ist für die Entfernung nichtmetallischer Einschlüsse zwar sehr wirkungsvoll, es ist jedoch weniger wirkungsvoll, Zusammenschlüsse aus intermetallischen Teilchen, z. B. titanreichen Teilchen, die in dem flüssigen Metall suspendiert sein können, zu entfernen. Zur Entfernung dieser Teilchen läßt man gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Metallschmelze anschließend durch ein zweites Bett, das im wesentlichen aus unüberzogenem feuerfestem Granulat gebildet ist, strömen. Hierbei fallen die intermetallisehen Verbindungen in den Zwischenräumen des zweiten Bettes aus. Auch das Granulat des zweiten Bettes kann aus Aluminiumoxidkugeln bestehen. Diese haben zweckmäßig einen Mindestdurchmesser von 9 mm, vorzugsweise einen Durchmesser in der Größenordnung von 18 mm. Vorzugsweise läßt man die Metallschmelze durch wenigstens einen Teil des zweiten Bettes von unten nach oben strömen. Es kann indessen aber auch zweckmäßig sein, daß man die Metallschmelze wenigstens durch einen Teil des zweiten Bettes in Abwärtsrichtung strömen läßt. Das zweite Bett kann in wenigstens zwei Teile unterteilt sein, wobei man die Metallschmelze durch ein Teil in Abwiirlsrichtung und durch das andere Teil in Aufwärtsrichtung strömen läßt.

Der Verunreinigungsclfckt von Stickstoff beim Entgasen von Aluminium ist bekannt, und auf Grund dessen hat StickstolT als Entgasungsmittel für Aluminium nur geringe praktische Verwendung gefunden. Die Einschlüsse, die sich bei der Behandlung von Aluminium mit Stickstof! ergeben, führen zu einer Blasenbildung, wenn eine Probe des flüssigen Mcialls unter niedrigem Druck, beispielsweise im Slraube-PfeifTcr-Test erstarrt, selbst dann, wenn der WasscrstofTgchalt des Metalls sehr niedrig ist. Folglich kann das Fortschreiten der Gasentfernung durch Stickstoff nicht ohne weiteres durch diesen Test erkannt werden. Statt dessen verwendet man teurere Entgasungsmittel, beispielsweise Chlor und Hexachloräthan.

Es hat sich nun gezeigt, daß der VerunrcinigungsefTckt durch Stickstoff erheblich verringert werden kann, wenn gemäß der zuvor geschilderten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgegangen wird.

Vorteilhaft fließ; hierbei die Metallschmelze im Gegenslrom zum Gas. Zweckmäßig läßt man die Metallschmelze durch wenigstens einen Teil dci Flußmittclabdcckungsschicht in die Kammer strömen in welcher der Auslaß des Gases angeordnet ist. Man kann aber auch die Metallschmelze unterhalb der Flußmittelabdeckung in die Kammer einströmen lassen, in welcher der Auslaß des Gases angeordnel ist. Die Verfahrensführung kann hierbei so getroffen werden, daß man das Gas durch die Metallschmelze in einem Behälter strömen läßt und die Metallschmelze danach in einen anderen Behälter leitet, in welchem das Bett aus fiußmittelüberzogencm Granulat enthalten ist. Es ist indessen aber auch möglich, das Gas in jener Kammer durch die Metallschmelze hindurchzuleiten, welche auch das Bett aus flußmittelüberzogenem Granulat enthält.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Flußmittclgcmischc sind weiter unten in Tabelle I angegeben.

Vorzugsweise sollte der Stickstoff in die Metallschmelze durch ein Rohr oder einen Stein aus einem porösen, nicht kohlenstoffhaltigen, feuerfesten Material eingeleitet werden. Die größte Verunreinigung der Metallschmelze erhält man dann, wenn man das Gas durch ein poröses Graphitoder Kohlenstoffrohr ohne eine Flußmittelabdekkung einleitet. Es lassen sich jedoch derartige Kohlenstoffrohre verwenden, wenn eine Flußmittelabdeckung auf dem flüssigen Metall aufrechterhalten wird und insbesondere dann, wenn das Metall anschließend durch eine Schicht groben feuerfesten Materials hindurchfließt, das mit einem Flußmittel überzogen ist. Selbst ein perforiertes Eisenrohr kann verwandt werden, jedoch ist das nicht besonders ratsam. Obgleich das flüssige Metall dadurch nicht verunreinigt wird, so kann doch irgendeine Schutzschicht, die auf das Rohr aufgebracht ist, durch das Flußmittel benetzt werden, worauf schließlich das Rohr durch das geschmolzene Aluminium angegriffen werden kann. Das Eisenrohr kann mit einem glasartigen Emailleüberzug versehen sein, um den Angriff des flüssigen Aluminiums herabzusetzen.

Falls ein poröses kohlenstofffreies feuerfestes Rohr oder ein derartiger Stein zur Einleitung von Stickstoff verwandt wird und eine Abdeckung s.us einem flüssi-

gen Flußmittel auf die Oberfläche des Metalls aufgebracht ist, tritt keine Verunreinigung des Metalls ein, ja sogar Metall, welches aus Versuchsgriindcn absichtlich verschmutzt wurde, beispielsweise durch Zugabe eine* öligen Schleifstaubes und/oder durch eine Stickstoffbehandlung über ein Graphitrohr ohne Flußmittelabdeckung, läßt sich tatsächlich reinigen, indem man eine flüssige Flußmittelabdcckung vorsieht und das Metall mit Stickstoff begast. Je heftiger der Stickstoffstrom ist, um so größer ist die Reinigungswirkung wegen des erhöhten Kontaktes zwischen dem Metall und der Flußmittelabdeckung. Bei der konventionellen Behandlung von Aluminium vermittels Kohlenstoffrohren ohne kontinuierliche Abdeckung durch ein flüssiges Flußmittel trat gerade das Gegenteil ein, nämlich je heftiger der Stickstoffstrom war, um so verunreinigter wurde das Metall. Wenn die Begasung mit Stickstof! durchgeführt wird unter Verwendung poröser, feuerfester Rohre, gibt es keine Schwierigkeiten, den Straubc-Pfeiffer-Test zur Bestimmung des Fortschritts der Gasentfernung anzuwenden.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung des flußmittelüberzogenen groben feuerfesten Granulats und die Be- as handlung des Aluminiums mit Stickstoff wird eine in einer Stufe ablaufende Metallbehandlung ermöglicht, bei welcher auf der Eingangsscite flüssiges unbehandeltes Metall zugeführt wird und sich auf der Ausgangsseite eine gereinigte und entgaste Metallschmelze ergibt, die unmittelbar zur Herstellung von Barren oder Blöcken verwendet werden kann, die den anspruchsvollsten Verwendungszwecken zugeführt werden können.

Die Vorrichtung zur Durchführung des crfindungsgemäßen Verfahrens ist allgemein dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vielzahl von durch das Granulat gebildeten Kanälen für die hindurchströmende Metallschmelze enthält, die auf ihren Oberflächen mit einem Flußmittel überzogen sind. Die Vorrichtung ist hierbei vorteilhaft so ausgebildet, daß sie einen Behälter umfaßt, in den eine Trennwand hineinragt und den Behälter in wenigstens zwei Kammern unterteilt, daß in der ersten Kammer das Bett aus flußmittelüberzogenem Granulat enthalten ist, daß die Verbindung zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer unterhalb des Einlasses der Metallschmelze liegt, so daß die Metallschmelze von einer Kammer zur anderen Kammer unter der Trennwand und durch das Granulat hindurchfließt. Hierbei kann in der zweiten Kammer ein Bett aus unüberzogenem feuerfestem Granulat enthalten sein.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist wenigstens ein weiteres Bett aus einem feuerfesten Granulat vorhanden, das im Strömungsweg der Metallschmelze nach der zweiten Kammer angeordnet ist.

Die Flußmittelabdeckung auf der Metallschmelze in der ersten Kammer ist zwischen Wänden eingeschlossen.

Die Vorrichtung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorkammer für die Metallschmelze vorgesehen ist, in der eine Schicht eines Flußmittels auf der Oberfläche der Metallschmelze liegt und in der Einrichtungen zur Einleitung von Stickstoff enthalten sind, und daß die Vorkammer über eine Rinne mit der ersten Kammer des Behälters verbunden ist.

Einige Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.

In den Zeichnungen stellen dar

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine Vorrichtung zur Entgasung und Reinigung geschmolzenen Aluminiums gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine abgeänderte Ausgcstaltungsform ähnlich der der Fig. I,

Fig. 3, 4 und 5 Abänderungen eines Teils der in F i g. I gezeigten Vorrichtung,

Fig. 6 eine weitere Ausgestaltungsform der in F i g. 1 gezeigten Vorrichtung und

F i g. 7 und 8 weitere Abwandlungen der Vorrichtung.

Bei der Ausgestaltung der Vorrichtung nach F i g. 1 ist ein Tiegel 1 mit einer langen Gießrinne 1 a vorgesehen und in welchem eine Trennwand 2 angeordnet ist, die in den Tiegel hineinragt und diesen in zwei Kammern A und B unterteilt. Beide Kammern stehen am unteren Ende der Trennwand 2 miteinander in Verbindung. Ein Rohr 3 erstreckt sich in die Kammer A hinein und endet in einem porösen Stopfen 3a aus einem kohlenstofffreien feuerfesten Material. Ein Brenner 4 ist außerhalb des Tiegels 1 angeordnet, um dessen Inhalt zu erhitzen. Eine Schicht aus flußmittelbesc'.iichleten Aluminiumoxidkugeln 5 mit einem Durchmesser von etwa 18 mm ist in der Kammer A enthalten, und ein weiteres Bett unbeschichteter Aluminiumoxidkugeln von etwa 18 mm Durchmesser ist in der Kammer B e.ithalten. Die Schicht der unbeschichteten Kugeln 6 kann sich bis unterhalb der Trennwand 2 erstrecken. Eine Gießrinne 7 ist vorgesehen, über die das geschmolzene Aluminium aus einem Warmhalteofen (nicht gezeigt) in die Kammer A geleitet wird. Die Gießrinne 1 α erstreckt sich von der Kammer B aus in eine weitere Gießrinne 8.

Im Betrieb wird die oben beschriebene Vorrichtung mit einer Menge flüssigen Aluminiums beschickt und das in der Kammer A befindliche Aluminium mit einer Schicht 9 eines Flußmittels abgedeckt. Das geschmolzene Aluminium tritt in die Kammer A aus der Gießrinne 7 ein und fällt dabei durch die Schicht 9 aus FlußmiUel. Das Metall wird durch den Stickstoff, welcher über das Rohr 3 zugeführt wird und aus dem Stopfen 3 α austritt und dabei durch das geschmolzene Aluminium in der Kammer A hindurchperlt, entgast. Da die Gießrinne 1 α unterhalb des Pegels liegt, auf welchem das geschmolzene Aluminium in der Kammer A gehalten wird, findet ein kontinuierlicher Strom von geschmolzenem Aluminium aus der Kammer A in die Kammer B statt und von dieser über die Gießrinne 1C in die Gießrinne 8. Das geschmolzene Aluminium fließt somit aus der Gießrinne 7, fällt dabei durch die Flußmittelschicht 9 in die Kammer A, wo es durch das Stickstoffgas entgast wird, strömt nach unten durch die Schicht aus flußmittelbeschichteten Kugeln 5 hindurch, in der nichtmetallische Einschlüsse entfernt werden, strömt unterhalb der Trennwand 2 hindurch und nach oben durch das Bett der unbeschichteten Kugeln 6, durch welche intermetallische Teilchen und Flußmittelreste entfernt werden und fließt dann über die Gießrinne 1 a ab, um in die Gießrinne 8 zu gelangen, wo es dann zum Gießen bereit ist.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausgestaltungsform ist

in vieler Hinsicht der in Fig. 1 gezeigten und oben beschriebenen ähnlich. In diesem Fall ist der Tiegel 1 durch einen Behälter Ib, der mit einem feuerfesten Ziegelwerk ausgestattet ist, ersetzt, und der Stopfen 3« ist durch ein poröses Rohr 3 b aus feuerfestem, kohlenstofffreiem Material ersetzt. Die Gießrinne 7 ist zur Kammer A hin unterhalb des Pegels der Flußmittelabdcckung 9 geöffnet, die zwischen der Trennwand 2 und einer weiteren Trennwand la und den Seitenwänden des Behälters 1 b eingeschlossen ist. Die Trennwand la dient auch dazu, von der Oberfläche des flüssigen Aluminiums die Haut abzustreichen, welches aus dem Ofen bzw. der Ofenöffnung 10 in die Kammer A einströmt. In diesem Falle ist der Gasbrenner 4 des A-usfühningsbeispiels nach Fig. 1 nicht erforderlich, sondern der Behälter 1 b wird durch eine Gasflamme, ehe das flüssige Aluminium und die Kugeln 5 und 6 chargiert werden, vorgewärmt. Es können auch Heizelemente in die Kammer A eingetaucht werden, um so eine bessere Temperaturregelung des Metalls zu erzielen. In den F i g. 3, 4 und 5 sind weitere Ausgestaltungsformen dargestellt, die zur Einleitung des flüssigen Aluminiums in die Kammer A aus der Gießrinne 7 benutzt werden können. In F i g. 3 ist die Gießrinne 7 mit einem rohrförmigen Auslaß la versehen, der bis unter die Flußmittelschicht 9 reicht. In F i g. 4 und 5 endet die Gießrinne 7 in einem etwa schüsseiförmig ausgestalteten Teil, das ein perforiertes Sieb Ta aus einem feuerfesten Material bildet, das das flüssige Metall, wenn es in die Kammer A eintritt, in einzelne Ströme unterteilt. Bei der Ausgestaltung nach F i g. 4 ist das Sieb Tb innerhalb der Flußmittelabdeckung 9 angeordnet, und bei der Ausgestaltung nach F i g. 5 liegt es oberhalb der Flußmittelabdeckung 9. Zusatzlieh oder an Stelle der Verwendung eines feuerfesten Siebes Ib kann eine Prallplatte (nicht gezeigt) verwandt werden, die in der Flußmittelabdeckung 9 liegt und die dazu dient, den Strom des flüssigen Aluminiums, wenn er in die Kammer A eintritt, zu zerteilen, wodurch die Reinigung und die Entgasung flüssigen Metalls unterstützt werden.

Bei der Ausgestaltung nach F i g. 6 schließen sich an die Kammern A und B weitere Kammern C und D an, die durch zusätzliche Trennwände Ib und Ic gebildet sind. Die Trennwand Ib erstreckt sich von unten nach oben und geht vom Boden des Tiegels 1 oder des Behälters la aus und endet unterhalb des Pegels des flüssigen Aluminiums, während die Trennwand Ic von oben in das flüssige Aluminium hineintaucht und in eine weitere Schicht nicht beschichteter großer feuerfester Kugeln 6 a, beispielsweise aus Aluminiumoxid und einen Durchmesser von etwa 18 mm, hineinragt. Das flüssige Aluminium, welches die Kammer B verläßt, strömt sodann über die Trennwand 2 b hinweg in die Kammer C nach unten durch die Schicht unbeschichteter Kugeln 6 a und unter der Trennwand 2 c hindurch, steigt durch die Schicht unbeschichteter Kugeln 6 a nach oben und verläßt den Behälter über die Gießrinne 8. Dieser Weg des Metalls durch die Kugelschichten 6a ergibt eine Steigerung in der Wirksamkeit, insbesondere hinsichtlich der Befreiung des Metalls von Flußmittelresten auf Grund des Abwärtsstromes des Metalls durch die unbeschichteten Kugeln 6 β in der Kammer C. Das Flußmittel, welches leichter ist als das flüssige Aluminium, steigt in der Kammer nach oben.

Die beiden Stufen des oben beschriebenen Verfahrens, nämlich erstens die Entgasung des flüssigen Aluminiums und der Weg durch die Schicht flußmittelbeschichtcter Kugeln 5 und zweitens der Strom des flüssigen Aluminiums durch die Schicht unbeschichteter Kugeln 6, können in getrennten Behältern vorgenommen werden. In einem solchen Fall kann die Kammer B fortfallen und durch die Kammern C und D ersetzt werden. Auch wo der Raum zwischen dem Warmhalteofen nicht ausreicht, eine Vorrichtung gemäß Fig. 2 aufzunehmen, könnte wenigstens eine Schicht der Kugeln 5 und 6 auf der Länge der Gießrinne 8 angeordnet und durch geeignete Trennwände begrenzt werden. Der Entgasungsvorgang könnte unter einer Flußmittelabdeckung im Warmhalteofen staltfinden, beispielsweise in einer besonderen Abteilung oder in einem Vorbrunnen.

Ein anderer Weg, das Verfahren in zwei praktischen Stufen durchzuführen, ist in F i g. 7 gezeigt. Dieser ist dem in F i g. 6 gezeigten sehr ähnlich, jedoch sind die Kammern A und B in einem Tiegel 1 enthalten und die Kammern C und D in einem getrennten Tiegel 11. Die beiden Tiegel sind über eine Rinne 12 miteinander verbunden. Auch hierbei fließt das flüssige Metall zunächst in die Kammer A unterhalb der Flußmittelschicht 9 ein, die durch eine Trennwand la wie im Beispiel 2 abgegrenzt ist. Das Stickstoffgas wird über eine Seitenwand zugeführt und tritt aus einem porösen, feuerfesten Rohr 3 b aus.

Bei der Ausgestaltung nach F i g. 8 wird die Entgasung unter Flußmittel in einem besonderen Behälter 13 durchgeführt, der mit einer Ziegelauskleidung versehen ist. Das Metall strömt unterhalb der Flußmittelschicht, die durch eine Trennwand la begrenzt ist, ein, fließt unter der Trennwand 2 nach oben hindurch, um dann in die Rinne 12 überzuströmen, aus der es in den mit Trennwand versehenen Tiegel 14 einfließt, der eine Schicht aus Aluminiumoxidkugeln enthält, von denen wenigstens die obere Schicht mit Flußmittel beschichtet ist. Auf der anderen Seite der Trennwand sind unbeschichtete Kugeln 6 enthalten. Wie bereits weiter oben erwähnt, brauchen aus praktischen Gründen die Kugeln 5 nicht von Anfang an mit Flußmittel beschichtet zu sein, denn nur einige Minuten Betriebszeit sind erforderlich, damit so viele der Kugeln mit dem Flußmittel beschichtet werden, daß das Verfahren ordnungsgemäß und wirkungsvoll abläuft. Wie aus Fig. 8 hervorgeht, wird das Stickstoffgas dem flüssigen Metall unterhalb der Flußmittelabdeckung über zwei poröse, feuerfeste Rohre 3 b zugeführt.

Das poröse, feuerfeste kohlenstofffreie Material, welches zur Einleitung des Stickstoffes, in das flüssige Aluminium verwandt wird, kann von irgendeiner bekannten Art sein, beispielsweise aus einem feuerfesten Material mit einem hohen Aluminiumoxidgehalt, aus Siliziumkarbid, siliziumnitratgebundenem Siliziumkarbid und Zirkonoxid. Diese Materialien sind befriedigend, wenn sie von ausreichender Porosität sind, jedoch sollte man einen hohen Siliziumgehalt vermeiden. Stücke des feuerfesten Materials werden zu Stopfen oder Steinen geformt, mit einer Bohrung versehen und auf das Rohr aufgesetzt, über das das Gas dem Stein oder dem Stopfen zugeführt wird, oder das feuerfeste Material wird in Form eines Rohres benutzt. Die Stopfen oder die Rohre können in die Wand des

Behälters einzementiert werden oder können sogar ein Teil des Bodens bilden.

Die grobe feuerfeste Körnung, die in den Schichten 5, 6 und 6α benutzt wird, ergibt eine offene Packung und keine Blockierung des Durchganges, wodurch die Verwendung von mit Flußmittel beschichteten größeren Kugeln 5 möglich wird.

Die Temperatur des flüssigen Aluminiums während der Behandlung sollte im Bereich von 675 bis 800° C, vorzugsweise im Bereich von 700 bis 750° C, liegen.

Geeignete Zusammensetzungen für die Flußmittelschicht 9 und die Flußmitteibeschichtung der Kugeln S sind in Tabelle I enthalten.

Tabelle

Geeignete Flußmittelzusammensetzungen (Gewichtsprozent)

	KCl	NaCl	NaF oder Kryolith	BaCIa	MgCl₂	CaFi
Flußmittel A	45 bis 65 35 bis 55 30 bis 55 15 bis 35	33 bis 55 25 bis 45 20 bis 45	Obis 5 5 bis 25 Obis 5	65 bis 85	5 bis 30	0 bis 10
B ....		15 bis 35	Obis 5	65 bis 85	—	0 bis 10 Obis 10
C	0 bis 10
Dl
D2

Als Flußmittel zur Beschichtung der Kugeln und zur Erzeugung der Abdeckungsschicht aus flüssigem Flußmittel auf dem Metall in der Entgasungskammer 3" werden Gemische aus KCl und NaCl mit kleinen Mengen CaF₂ bevorzugt (Flußmittel A). Zur Verringerung des Schmelzpunktes können Zugaben von NaF oder Kryolith gegeben werden (Flußmittel B), aber dann wird eine kleine Menge Natrium in das Metall eingeführt, und das kann für Aluminium-Magnesium-Legierungen, beispielsweise für nicht wärmebehandelte Mischungen aus Aluminium und 5°/o Magnesium, schädlich sein. Für derartige Legierungen sind Flußmittel vorzuziehen, die nicht nur kein Natrium in die Legierung einführen, sondern den sehr kleinen Gehalt an Natrium, der anfänglich zugegen sein kann, als Verunreinigung im Ausgangsmetall verringern. Geeignete Flußmittel enthalten MgCl₂ (Flußmittel C). Falls gewünscht, kann ein schweres flüssiges Flußmittel zur Beschichtung der Aluminiumoxidkugeln benutzt werden, so daß die Gefahr vermieden wird, daß das Flußmittel durch das strömende flüssige Aluminiummetall von den Kugeln abgewaschen wird (Flußmittel D). Derartige Flußmittel enthalten BaCl, und sind deshalb teurer. Es gibt einen Vorteil, der für die Verwendung des Flußmittels des Typs A spricht, nämlich in dem Maße, wie der Reinigungsvorgang fortschreitet, wird Flußmittel, welches in dem Metall enthalten sein kann, auf den unbeschichteten Kugeln absorbiert, die sich dadurch mit dem Flußmittel überziehen und so die verfügbare Oberfläche, auf der Einschlüsse des Metalls haften können, vergrößern. Wenn einmal die Chloridschicht auf den Kugeln vollständig mit nichtmetallischen Einschlüssen überzogen ist, ist die Lebensdauer des Filters noch nicht erschöpft, denn weitere Einschlüsse, beispielsweise Oxidteilchen und Oxidfilme, können auf diesen bereits auf der Flußmittelschicht haftenden Teilchen haften.

Es ist nicht wesentlich für die vorliegende Erfindung, daß die Flußmittelbeschichtung am Anfang auf die Kugeln 5 in der Kammer A aufgebracht wird, da die Turbulenz, die durch das Stickstoffgas erzeugt wird, zumindest einige der Kugeln sofort mit dem Flußmittel bedeckt. Auf diese Weise braucht für die Beschichtung der Kugeln 5 kein besonderer Verfahrensschritt vorgesehen zu sein, ehe diese in die Kammer eingefüllt werden.

Zur Erläuterung sei auf folgendes Beispiel verwiesen. Eine Vorrichtung, wie sie im wesentlichen in F i g. 2 dargestellt ist, wird durch abnehmbare Gasbrenner vorgeheizt. Eine etwa 15 cm tiefe Schicht vorgeheizter Aluminiumoxidkugeln von etwa 18 mm Durchmesser wird in jede Kammer eingefüllt. Daraufhin wird Metall in die Kammern eingeleitet, bis diese etwa bis zur Hälfte angefüllt sind. Daraufhin werden vorgewärmte Aluminiumoxidkugeln von etwa 18 rnm Durchmesser in eine Schicht flüssigen Flußmittels eingetaucht und vermittels eines vorgeheizten Löffels in die Eintrittsseite (Kammer A) überführt. Eine etwa 10 cm dicke Schicht aus flußmittelbeschichteten Kugeln 5 wird auf diese Weise in der Kammer A aufgebaut. Dann stellt man eine etwa 15 cm dicke Schicht aus vorgewärmten, etwa 18 mm dicken Aluminiumoxidkugeln in der Kammer B her. Daraufhin wird eine etwa aus 10 kg Flußmittel bestehende Schicht auf das Metall in der Kammer A gegeben. Sobald das Flußmittel geschmolzen ist, wird die Stickstoffzufuhr eingeschaltet und der Stickstoff mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 0,06 m³ pro Minute hindurchgeleitet. 5 t einer flüssigen Al-Mg-Si-Legierung, die weder entgast noch absetzen gelassen wurde, wurden dann durch die Vorrichtung mit einer Temperatur von etwa 725° C und einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 75 kg pro Minute hindurchgeleitet und im halbkontinuierlichen Verfahren zu zwei Blöcken mit direkter Abschreckung gegossen, die Abmessungen von etwa 75 X 25 cm besaßen. Dem Metall, welches in die Vorrichtung eintrat, wie auch dem Metall, welches die Vorrichtung verließ, wurden Proben zur Bestimmung des Gasgehalts und des Gehalts an Einschlüssen entnommen. Die Ergebnisse sind in Tabelle Il enthalten.

Tabelle II

	Rcinheitsbeurteilung durch Bruchbetrachtung	Blasenbildung bei Abkühlung und Erstarrung	jtraube-Pfeiffer-Test	Wasserstoffgehalt (cm'/lOO g)	bei Beginn	in der Mitte	am Ende	des Gießens	0,48	0,32	0,31
			(Erstarrung unter 5 Torr)
			Aussehen der festen
			Überfläche
	verunreinigt	kontinuierlich		0,04	0,06	0,08
Zufließendes	bis ziemlich
Metall	rein		gebogene, poröse
			Kruste
	rein	keine
Abfließendes
Metall			glatte Oberfläche
			ohne Blasen und
			mittlere
		Vertiefung

Die verwendete Metallcharge bestand vollständig aus Schrott und enthielt ungefähr 1 t Späne. In diesem Versuch wurde das poröse feuerfeste Rohr, welches in F i g. 2 gezeigt ist, durch ein poröses Kohlenstoifrohr ersetzt, so daß der Versuch eine starke Belastung seines Wirkungsgrades darstellt, Einschlüsse als auch Gas zu entfernen. Es wurden Vergleichsversuche mit dem in der USA.-Patentschrift 3 039 864 beschriebenen Verfahren durchgeführt, weiche eine Vorbehandlung mit Chlorgas vorsieht, aber selbst damit lagen die WasserstofT-gchalte im Bereich von 0,12 bis 0.17 cm'¹ pro 100 g, die, obgleich für normale Zwecke durchaus befriedigend, nicht auf jene Werte hcrabzubringen waren, wie sie mit der vorliegenden Erfindung, nämlich 0,04 bis 0,12 cm^:I pro H)Og, zu erreichen sind. Bei der Untersuchung der Frage, warum das crlindungsgcmäße Verfahren so viel wirksamer ist, obgleich man von völlig unentgastcm Metall ausgeht, ist es vielleicht wesentlich, daß eine feste Schicht erstarrten Metalls und Argon zusammen mit Oxiden, die sich durch die umgebende Luft bilden, auf der Oberfläche des Metalls in der Entgasungskammer bei einem Verfahren nach der USA.-Patentschrift 3 039 864 ansammeln, wogegen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Metalloberfläche frei von Oxiden gehalten ist. Es ist bekannt, daß Oxidschaum aul flüssigem Aluminium sowohl die Aufnahme als auch den Austritt von Gas aus dem Metall verhindert, wogegen eine sehr dünne Flußmittelschicht auf dei Metalloberfläche den Austritt als auch den Eintritt von Gas erlaubt. Die flüssige Flußmittelschicht gemäß der vorliegenden Erfindung verhindert jegliche Schaumbildung trotz der Turbulenz, und eine saubere Metalloberfläche, über die Gas leicht aus dem Metall austreten kann, wird kontinuierlich aufrechterhalten.

Für bessere Ergebnisse sollte hochreiner, im wesentlichen sauerstoftfreier Stickstotf verwandt werden, jedoch auch der gewöhnliche, handelsübliche Stickstoff liefert befriedigende Ergebnisse.

Metall, welches nach dem erfindungsgemäßer! Verfahren hergestellt worden ist, zeigt ausgezeichnete Ergebnisse, wenn es zur Herstellung von hell anodisierten oder anderen kritischen Produkten verarbeite) wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Entfernung nichtmetallischer Einschlüsse aus Aluminiumschmelzen, bei dem Stickstoff durch die Schmelze geleitet wird und bei dem das schmelzflüssige Aluminium durch ein Bett aus feuerfestem Granulat geleitet wird, wobei das Granulat an seiner Oberfläche Flußmittel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche der Schmelze eine Schicht eines flüssigen Flußmittels aufrechterhalten wird, und daß als Granulat Aluminiumoxidkugeln mit einem Mindestdurchrnesser von etwa 9 mm, die mit einem bei der Temperatur der Schmelze zähflüssigen klebrigen Flußmittel aus Chlorid und »s Fluorid der Alkali- und Erdalkalimetalle überzogen sind, verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminiumoxidkugeln mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 18 mm verwendet werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze von oben nach unten durch das Bett aus flußmittelüberzogenem Granulat strömt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze anschließend durch ein zweites Bett, das im wesentlichen aus unüberzogenem feuerfestem Granulat gebildet ist, strömt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für das Granulat des zweiten Bettes Aluminiumoxidkugeln verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspmch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für das zweite Bett Aluminiumoxidkugeln mit einem Mindestdurchmesser von 9 mm, vorzugsweise einem Durchmesser in der Größenordnung von 18 mm, verwendet werden.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze durch wenigstens einen Teil des zweiten Bettes von unten nach oben strömt.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze wenigstens durch einen Teil des zweiten Bettes in Abwärtsrichtung strömt.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Bett in wenigstens zwei Teile unterteilt ist und daß die Metallschmelze durch einen Teil in Abwärtsrichtung und durch das andere Teil in Aufwärtsrichtung strömt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze im Gegenstrom zum Gas fließt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze durch wenigstens einen Teil der Flußmittelabdeckungsschicht in die Kammer strömt, in welcher der Auslaß des Gases angeordnet ist.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze unterhalb der Flußmittclnbdeckung in die Kammer einströmt, in welcher der Auslaß des Gases angeordnet ist.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 10 bis 12. dadurch gekennzeichnet, daß das Gas durch die Metallschmelze in einem Behälter strömt und die Metallschmelze danach in einen anderen Behälter geleitet wird, in welchem das Bett aus flußmittelüberzogenem Granulat enthalten ist.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in jener Kammer durch die Metallschmelze hindurchgeleitet wird, welche auch das Bett aus flußmittelüberzogenem Granulat enthält.

15. Verfahren nach den Ansprüchen 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flußmittel aus KCl und NaCl und nicht mehr als 10 Gewichtsprozent NaF oder Kryolith verwendet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flußmittel aus KCl, NaCl und CaF₂ verwendet wird.

17. Verfahren nach den Ansprüchen 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flußmittel mit wenigstens 20 Gewichtsprozent MgCi., verwendet wird.

18. Verfahren nach den Ansprüchen 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zum Überziehen des Granulats ein Flußmittel mit wenigstens 65 Gewichtsprozent BaCl., verwendet wird.

19. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahiens nach den Ansprüchen 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vielzahl von durch das Granulat gebildeten Kanälen für die hindurchströmende Metallschmelze enthält, die auf auf ihren Oberflächen mit einem Flußmittel überzogen sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Behälter (1) umfaßt, in den eine Trennwand (2, 2 ft, 2 c) hineinragt und den Behälter (1) in wenigstens zwei Kammern (z. B. A und B) unterteilt, daß in der ersten Kammer (A) das Bett aus flußmittelüberzogenem feuerfestem Granulat (5) enthalten ist und daß die Verbindung zwischen der ersten Kammer (A) und der zweiten Kammer (B) unterhalb des Einlasses der Metallschmelze liegt, so daß die Metallschmelze von einer Kammer zur anderen Kammer unter der Trennwand und durch das Granulat (5) hindurchfließt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Kammer (B) ein Bett aus unüberzogenem feuerfestem Granulat (6) enthalten ist.

22. Vorrichtung nach den Ansprüchen 19 bis

21, dadurch gekennzeichnet, daß das Bett aus flußmittelüberzogenem Granulat und das zweite Bett aus unüberzogenem feuerfestem Granulat in getrennten Behältern angeordnet sind.

23. Vorrichtung nach den Ansprüchen 20 bis

22, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein weiteres Bett aus einem feuerfesten Granulat vorhanden ist, das im Strömungsweg der Metallschmelze nach der zweiten Kammer (B) angeordnet ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flußmittelabdeckung (9) auf der Metallschmelze in der ersten Kammer (A) zwischen Wänden (2, 2 a) eingeschlossen ist.

25. Vorrichtung nach den Ansprüchen 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorkammer (13) für die Metallschmelze vorgesehen ist, in der eine Schicht eines Flußmittels auf der Oberfläche der Metallschmelze liept und in der

Einrichtung (3 b) zur Einleitung von Stickstoff enthalten sind, und daß die Vorkammer (13) über eine Rinne (12) mit der ersten Kammer (A) des Behälters (14) verbunden ist.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung nichtmetallischer Einschlüsse aus Aluminiumschmelzen, bei dem Stickstoff durch die Schmelze geleitet wird und bei dem das schmelzflüssige Aluminium durch ein Bett aus feuerfestem Granulat geleitet wird, wobei das Granulat an seiner Oberfläche Flußmittel aufweist.

Es ist bekannt, daß flüssiges Aluminium variierende Mengen von gasartigen und nichtmetallischen Einschlüssen enthält und daß deren Anwesenheit zu Fehlern im fertigen Produkt führen kann. Es sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, diese Gas- und anderen Einschlüsse zu entfernen. So kann z. B. der Gasgehalt auf einen akzeptablen Wert durch Hindurchblasen von Chlor, Stickstoff oder Argon durch die Schmelze verringert werden, oder man kann das Metall mit Hexachloräthan behandeln. Die Verwendung von Chlor und Hexachloräthrn läßt aber wieder Probleme auftreten, die beispielsweise in der Ableitung von Dämpfen liegen, was kostspielige Einrichtungen erforderlich macht, wogegen bei der Behandlung mit Stickstoff das Metall durch die Bildung nichtmetallischer Einschlüsse verunreinigt wird.

Für die Entfernung von Einschlüssen sind auch verschiedene Filtrierverfahren vorgeschlagen worden (z. B. britische Patentschriften 701 273 und 831 637), bei denen man das Metall durch Kammern hindurchströmen läßt, in welchen sich ein Bett aus einem feuerfesten Granulat befindet. Diese beiden Kammern sind durch eine Trennwand voneinander getrennt. Das bevorzugte Filtermaterial eines der bekannten Verfahren (britische Patentschrift 831 637) ist ein plättchenförmiges Aluminiumoxid von 3 bis 14 ASTM-Maschen, welches einer Öffnungsweite von etwa 1,30 bis 6,35 mm entspricht. Dieses Aluminiumoxid liegt auf einer Schicht eines groben Granulats mit einer Teilchengröße von etwa 6X18 mm. Gemäß einem anderen bekannten Verfahren (USA.-Patentschrift 3 039 864) wird angeregt, das Metall durch eine Filterschicht fließen zu lassen und gleichzeitig ein inertes Gas, beispielsweise Argon, durch diese Schicht nach oben hindurchzuleiten, wobei eine gewisse Entgasung zusammen mit der Filtration eintritt. Es ist jedoch üblich, die Entgasungsoperation, z. B. mit Chlor, in einem Warmhalteofen durchzuführen, ehe das Metall durch das Filter hindurchfließt. Dies bekannte Verfahren sieht die Verwendung von Stickstoff an Stelle von Argon vor, wenn man die Bildung von Nitriden in Kauf nehmen kann. Chlor jedoch ist unerwünscht, weil es die Bildung von Chloriden stark steigert, wodurch der Filter sehr bald verstopft wird. Eine Untersuchung des Filterbettes eines solchen Filters nach der Verwendung zeigt, daß Oxide und andere nichtmetallische Einschlüsse in dem Material in den Zwischenräumen zwischen dem plättchenförmigcn Aluminiumoxid eingeschlossen sind, daß das Metall diese Plättchen aber nicht benetzt. Daraus gellt hervor, daß die herausgefilterten Verunreinigungen locker in dem Filterbett enthalten sind und sich leicht wieder lösen, wenn das Filter unbeabsichtigt erschüttert otter aufgelockert wird, um einen schnelleren Metallstrom zu erzeugen. Das Filterbett ergibt somit also keine cigeiitliche Filterwirkung, sondern gestattet nur ein Absetzen der Verunreinigungen aus dem flüssigen Metall, wenn dieses gleichmüßig ruhig durch die /ielen Kanäle zwischen den Plättchen hindurchfließt. Es sind besondere Maßnahmen notwendig, um das Metall zuerst dazu zu bringen, durch diese Art Filterbett hindurchzuströmen, dessen Mindestdickc etwa 15 cm beträgt. Eine teilweise Blockierung des Stromes kann während des Gebrauchs eintreten, so daß ein beachtlicher hydrostatischer Druck erforderlich ist, um die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit, die für ein mehrfaches Gießen großer Blöcke etwa 300 kg pro Minute beträgt, aufrechtzuerhalten.

Nach einem weiteren bekannten Filtrierverfahren (FOUNDRY, März 1963, S. 79) wird die Verwendung eines feuerfesten Granulats als Filtermaterial vorgeschlagen, das entweder selbst aus einem Flußmittel besteht oder das durch Zerkleinern eines mit einem Flußmittel imprägnierten Feuerfestmaterials hergestellt wurde. Es handelt sich hierbei um feste Flußmittel, d. h. um solche Flußmittel, die auch bei der Temperatur der Metallschmelze festbleiben. Zwar machen diese Flußmittel das Granulat durch die Metallschmelze benetzbar, wodurch die Wirksamkeit des Granulatfilters verbessert wird, jedoch bleiben die typischen Nachteile eines Filtrierverfahrens erhalten. Hierbei werden die nichtmetallischen festen Einschlüsse einer Aluminiumschmelze durch die engen Filterkanäle des aus feinkörnigem Granulat bestehenden Bettes mechanisch ausgefiltert, wobei sich ablagernde Verunreinigungen ein rasches Zusetzen des Filters und damit einen zunehmenden Strömungswiderstand bewirken. Ein derartiges Filterbett benötigt für den Durchfluß der Metallschmelze hohe hydrostatische Drücke der Metallschmelze und bedarf häufiger Reinigung.

Bei einem anderen bekannten Filtrierverfahren für Aluminiumschmelzen (Litcjnoe Proizvodstro 1959, Nr. 4, S. 30 bis 32) werden Filter aus aktiviertem Filtergrieß verwendet, wobei zur Aktivierung u. a. ein Flußmittel aus der eutektischen Zusammensetzung 66% NaCl — 34 Vo NaF bzw. Na₃AlF₆, mit dem Schmelzpunkt von 750° C vorgeschlagen wird. Hierbei werden die Filter jedoch so auf die Temperatur der Schmelze abgestimmt, daß der Schmelzpunkt des aktivierten Filters etwas höher als die Temperatur der Schmelze liegt. Obgleich unter diesen Bedingungen des Filtermaterials fest bleibt, sollen die Einschlüsse an der Oberfläche adsorbiert werden. Hierbei treten jedoch die vorerwähnten Nachteile eines Filtrierverfahrens auf.

Bei einem bekannten, nicht zu den Filtrierverfahren zählenden Verfahren zur Entgasung von Leichtmetallschmelzen (GB-PS 936 885) wird ein schmelzflüssiges Flußmittel verwendet, das ein größeres spezifisches Gewicht als das zu entgasende Leichtmetall besitzt. Ein mit der Metallschmelze nicht reagierendes Gas, wie Stickstoff, wird in oder durch das Flußmittel hindurch eingeleitet. Mit diesem bekannten Verfahren können Aluminiumschmelzen jedoch nicht zufriedenstellend vor nichtmetallischen Einschlüssen befreit werden.

Der Erfindung liegl die Aufgabe zugrunde, die