DE19539621C1

DE19539621C1 - Begasungsrührer für Leichtmetallschmelzen

Info

Publication number: DE19539621C1
Application number: DE19539621A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl Ing Freudenberg; Felix Dipl Ing Hellmuth
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1995-10-16
Filing date: 1995-10-16
Publication date: 1997-06-05
Anticipated expiration: 2015-10-17
Also published as: US5804135A

Description

Zur Reinigung von Metallschmelzen, insbesondere Aluminium und Alumi niumlegierungen, werden nach dem Stand der Technik feinverteilte Gase in die Schmelze eingedüst. So besteht bei flüssigem Aluminium die Not wendigkeit, den gelösten Wasserstoff zu entfernen, welcher sonst an Alumi niumgußteilen, wie Kraftfahrzeugfelgen, zu Poren führen würde, die einer seits die Stabilität des Gußteils herabsetzen können und andererseits auf der Oberfläche des Gußteils optisch unerwünscht sind. Man entfernt den Wasserstoff sowie feine Feststoffpartikel, indem man Argon, Stickstoff oder Chlor in die Schmelze eindüst. Die eingedüsten aufsteigenden Gasblasen entfernen den Wasserstoff über Lösungs- bzw. im Falle von Chlor über chemische Bindungsprozesse. Der Stand der Technik besteht darin, daß man mit sogenannten Impellern die Schmelze umrührt und gleichzeitig das Gas verteilt. Die Impeller bestehen im allgemeinen aus einem ca. 1.000 mm langen Graphitrohr, an dem unten ein Teller mit radialen Bohrungen befestigt ist, die in das Graphitrohr münden. Die Verbindung von Graphit rohr und Teller kann wegen der leichten Bearbeitbarkeit des Graphits z. B. mittels Trapezgewinde erfolgen. Die Standzeiten solcher Graphit-Impeller betragen nur wenige Wochen. Darüber hinaus besteht das Risiko, daß Graphitstaub bzw. Graphitteilchen in die aus der Schmelze hergestellten Gußteile eingeschlossen werden.

Es hat daher auch bereits Vorschläge gegeben, Impeller für Aluminium schmelzen aus keramischen Materialien auf der Basis von Silicumnitrid, SIALON oder Siliciumcarbid herzustellen. So wird gemäß DE-B 23 33 029 vorge schlagen, Achse und Rührarme im Schlickerguß in einem Stück zu gießen und anschließend zu brennen. Gemäß EP-A 0 396 267 und Patent Abstracts of Japan 07048635 A wird vorgeschlagen, speziell konstruierte Rührteller mittels in die keramischen Teile geschnittener Schraubgewinde mit der Rührerachse zu verbinden.

Aufgrund ihres prohibitiv hohen Bearbeitungsaufwandes haben solche kera mischen Impeller jedoch keinen Eingang in die Technik gefunden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, einen keramischen Begasungsrührer zur Verfügung zu stellen, der mit minimalem mechanischen Bearbeitungsaufwand hergestellt werden kann. Insbesondere soll der Bearbeitungs aufwand nach dem Sintern minimal gehalten werden.

Es wurde gefunden, daß es gelingt, einen Begasungsrührer aus keramischen Rohren mittels Steck- und Verriegelungstechnik herzustellen, bei dem nur wenige Oberflächen nach dem Sintern paßgenau bearbeitet werden müssen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Begasungsrührer für Leichtmetall schmelzen mit folgenden Merkmalen:

a) ein erstes keramisches Rohr (die Rührerachse) weist an einem Ende eine oder mehrere in Achsrichtung gegeneinander versetzte Bohrungen quer zur Rohrachse auf;
b) ein oder mehrere zweite keramische Rohre (die Rührarme) mit einem zu den Querbohrungen des ersten Rohres passenden Außendurchmessers weisen eine mittig quer zur Achse angeordnete Bohrung auf;
c) durch jede der Querbohrungen des ersten Rohres ist ein zweites Rohr geführt, so daß die mittige Querbohrung des zweiten Rohres mit dem Rohr inneren des ersten Rohres kommuniziert;
d) die zweiten Rohre sind in den Querbohrungen des ersten Rohres gegen axiale Verschiebung durch mechanische Verriegelungselemente fixiert; und
e) zumindest das am äußersten Ende des ersten Rohres angeordnete zweite Rohr weist einen größeren Außendurchmesser auf, als der Innendurch messer des ersten Rohres.

Vorzugsweise ist zumindest die mittige Querbohrung des am äußersten Ende des ersten Rohres angeordneten zweiten Rohres als Radiusbohrung (eine in dessen axialer Bohrung endende Sacklochbohrung) ausgebildet.

Die mittigen Querbohrungen der anderen zweiten Rohre sind Durchgangsboh rungen, wenn die anderen zweiten Rohre ebenfalls einen größeren Außendurch messer aufweisen als der Innendurchmesser des ersten Rohres. Sofern die Außen durchmesser der anderen zweiten Rohre kleiner sind als der Innendurchmesser des ersten Rohres, ist es ausreichend, die mittige Querbohrung als Radiusbohrung aus zubilden. Erfindungsgemäß kann der Begasungsrührer 2 bis 8 zweite Rohre, d. h. 4 bis 16 Rührarme aufweisen. Vorzugsweise sind die Rührarme rechtwinklig zuein ander angeordnet. Es ist aber auch möglich, die Rührarme in kleineren Winkeln zueinander, entsprechend der Anzahl der Rührarme sternförmig anzuordnen.

Werden mehr als 2 zweite Rohre, d. h. mehr als 4 Rührarme eingesetzt, weisen die zweiten Rohre vorzugsweise paarweise unterschiedliche Längen auf. Insbesondere bevorzugt ist, daß die am äußersten Ende angeordneten zweiten Rohre eine kürzere Länge aufweisen als die weiter entfernt liegenden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Fig. 1 bis 14 näher erläutert:

Fig. 1 zeigt ein erstes Rohr als Rührerachse 1, das z. B. eine Länge von 1.000 mm aufweisen kann, mit einem Außendurchmesser von z. B. 60 mm und einer inneren Bohrung 2 von z. B. 10 mm. Die Rührerachse 1, weist zwei im Winkel zu ihrer Achse angeordnete Bohrungen 3 und 4 im Abstand von 35 bzw. 70 mm vom Rohrende auf. Der Durchmesser der Bohrungen 3 und 4 beträgt beispielsweise 18 mm. Die Herstellung des Rohres 1 kann so erfolgen, daß keramische Pulver mit organischen Bindenmitteln in an sich bekannter Weise zu einer Paste verarbeitet werden, aus der ein Rohr durch Extrudieren hergestellt wird. Die Bearbeitung des Rohres erfolgt überwiegend nach dem Vorsintern ohne großen Aufwand. Anschließend erfolgt die Sinterung bei Temperaturen über 1.200°C. Danach werden lediglich die Bohrungen 3 und 4 sowie die Flächen 5 und 6 am oberen Ende des Rohres 1, das vorzugsweise mittels eines geteilten Spannringes 7 und einer Überwurfmutter 8 an der Antriebsachse 9 für die Rührerachse befestigt wird. Vorzugsweise ist die Fläche 5, an der der Spannring 7 angreift, leicht konisch ausgebildet. Die Abdichtung der Stirnfläche 6 der Rührerachse 1 gegen die An triebswelle 9 erfolgt mittels geeigneter Dichtungen. Beispielhaft dargestellt ist ein Kupferring 10 auf der linken Seite oder alternativ eine Keramikpapierscheibe 11.

Bei Herstellung des Rohres 1 mittels isostatischem Pressen (Pulverpressen) erfolgt die Hauptbearbeitung am Grünkörper, gegebenenfalls nach dem Vorsintern. Nach dem Hauptsintern werden nur noch die kritischen Flächen endbearbeitet.

Die Rührarmrohre 12 und 13 weisen beispielsweise einen Außendurchmesser von ca. 18 mm und einen Innendurchmesser von ca. 7 mm auf. Ihre Länge kann 200 mm betragen. Im Grünkörperzustand bzw. nach dem Vorsintern werden diese in äußeren Enden, die die Bohrung durch die Rührerachse überragen, leicht ab gedreht, so daß sie in die Bohrungen 3 bzw. 4 leicht eingeschoben werden können. Ferner werden die mittigen Querbohrungen 16 und 17 angebracht und die Rohr enden gegebenenfalls schräg angeschnitten.

Nach dem Hauptsintern wird lediglich noch die mittige Umfangsfläche 15 passend zu den Querbohrungen der Rührerachse nachbearbeitet.

Die Verriegelung erfolgt mittels eines keramischen Spannringes 18, der nach der Verriegelung in den an den Querrohren 12 und 13 angebrachten Nuten 19 eingreift. Die Bohrung 17 in dem am äußersten Ende der Rührachse 1 angeordneten Querrohr 12 ist als Radiusbohrung ausgebildet, die Bohrung 16 in dem vom Ende weiter entfernten Querrohr 13 ist als Durchgangsbohrung ausgebildet.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt A-A durch den Begasungsrührer gemäß Fig. 1.

Fig. 3 zeigt in vergrößerter und überhöhter Darstellung den Spannring 18, wobei das rechte vordere Viertel des Ringes weggeschnitten ist. Der Spannring 18 kann wie folgt hergestellt werden:
Zunächst wird ein Ring mit dem Innenradius r von beispielsweise 61 mm, einem Außendurchmesser von 80 mm und mit einer Abmessung in Achsenrichtung d von z. B. 20 mm hergestellt. Anschließend wird der Ring beidseitig eines Durchmessers f senkrecht zur Zeichnungsebene um einen Winkel alpha abgeschrägt, so daß die Länge der Mantellinie g am Durchstoßpunkt eines Radius senkrecht zum Durch messer f noch 15 mm beträgt. Danach wird die durch die Abschrägung erhaltene Oberseite des Ringes derart bearbeitet, daß jede die Ringachse enthaltende Ebene eine horizontale Schnittlinie mit der Ringoberseite bildet. Nur der letzte Bearbei tungsschritt erfolgt im fertig gebrannten Zustand.

Die Montage des Begasungsrührers erfolgt nun folgendermaßen:
Zunächst wird das Rohr 13 in das Rohr 1 eingeschoben. Anschließend wird vom äußersten Ende des Rohres 1 der Ring 18 aufgeschoben, so daß dieser mit seiner kürzesten Mantellinie in die Nut 19 eingreift. Dann wird das Rohr 12 in das Rohr 1 eingeschoben und der Ring 18 solange gedreht, bis er auch in die Nut des Ringes 12 eingreift und verklemmt. Das erfindungsgemäße Verriegelungselement gemäß Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 1 bis 3 besteht also aus dem Klemmring 18 und den an den Rührarmen außerhalb des Radius der Rührerachse angeordneten Nuten 19.

Fig. 4, 5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsform für das erfindungsgemäße Verriegelungselement. Hierzu sind die Rührarmrohre 12 und 13 ein- oder beid seitig zur mittigen Bohrung mit teilweise sich über den Umfang erstreckenden Nuten 20 und/oder 21 versehen. In die Nuten wird ein Drahtstift 23, z. B. ein Stahldrahtstift eingedrückt, der das jeweilige Rührarmrohr gegen die Innenbohrung der Rührerachse 1 verriegelt. Vorzugsweise ist der Stahldraht 23 in Form eines 180°C-Bogens ausgebildet, so daß die beiden Enden des Bogens in die Nuten 20 und 21 eines Rührarmrohres eingedrückt werden können. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform für das erfindungsgemäße Verriegelungselement ist in Fig 6 dargestellt. Dieses besteht aus einer zylindrischen Hülse 24, die an einem Ende achsenparallele Stifte 23 aufweist. Ein solches Verriegelungselement gemäß Fig. 6 kann nach Einschieben eines Rührarmrohres in die Bohrung der Rührerachse 1 auf einfache Weise in die Bohrung 2 der Rührerachse 1 eingeführt werden und mittels eines in die Bohrung 2 eingeführten Stabes in die Nuten 20 und 21 eingedrückt werden.

Eine weitere Möglichkeit der Verriegelung zeigt Fig. 7. Danach werden die Quer bohrungen der Rührerachse 1 derart versetzt in axialer Richtung angebracht, daß diese überlappen. Das untere Rührarmrohr 12 wird nun mittig mit einer zylinderischen Quernut 25 versehen, die den Überlappungsbereich der Querboh rungen der Zylinderachse ausmacht. Zur Montage wird nun zunächst das mit der zylindrischen Nut versehene Rührarmrohr 12 in die Bohrung der Rührachse 1 ein geschoben und durch anschließendes Einschieben des zweiten Rührarmrohres 13 verriegelt. Das Rührarmrohr 13 wird mit einer Verriegelungsvorrichtung gemäß Fig. 6 fixiert. Insbesondere bei stark unterschiedlichem Außendurchmesser von Rührerachse 1 und Rührarmrohren 12, 13 kann die durch die überlappenden Quer bohrungen bedingte Schwächung der Rührerachse in Kauf genommen werden.

Fig. 8 und 9 zeigen eine weitere erfindungsgemäße Verriegelungsvorrichtung. Das Verriegelungselement besteht aus einem Keramikring 30, der auf einer Seite achsenparallele Schlitze 31 aufweist, die in Nuten 32, des Rührarmrohres 13 ein greifen. Das zweite Rührarmrohr 12 weist ebenfalls Nuten 33 auf, in die nach der Montage die Unterkante des Rings 30 eingreift. Zur Montage wird zunächst das Rührarmrohr 13 in das Rührerachsenrohr 1 eingesteckt, danach der Ring 30 bis zum Anschlag eingeschoben, dann das Rohr 12 eingeschoben und der Ring 30 in die Nut 33 des Rohres 12 eingesetzt. Hierzu ist es erforderlich, daß die Nuten 31 tiefer sind, als nach Montage erforderlich, d. h. daß ein Spiel 34 vorhanden ist, um das der Ring 30 angehoben werden kann, um die Nut 33 freizugeben.

Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Verriegelung zeigen Fig. 10 und 11. Dabei weisen die Rührarmrohre 12 und 13 im Abstand des Radius der Rührachse 1 von der Mitte einseitig einen Wulst 41 auf, der nach Bearbeitung im Grünkörperzustand bzw. nach dem Vorsintern stehengelassen wurde. Das andere Ende der Rührarmrohre 12 und 13 wird mittels in diesen vorgesehenen Nuten 32 und über die Nuten geschobene Verriegelungsringe 40, die eine die Rohre 12 bzw. 13 umgreifende Nut 31 aufweisen, verriegelt. Die Verriegelungsringe 40 sind aus Keramik gefertigt. Zur Verbesserung der Gasverteilung kann ferner vorgesehen sein, die Rührarmrohre 12 und 13 an einem äußeren Ende mit einem Scherbrett 60 zu versehen, das durch Bearbeitung im Grünkörperzustand bzw. nach dem Vorsintern erzeugt wird. Bei Rotation in der Schmelze erzeugt das Scherbrett 60 Wirbel, die einer besseren Verteilung des in die Schmelze eingeführten Gases dienen. Da das Scherbrett 60 erfindungsgemäß nicht beidseitig an den Rühr armrohren angebracht werden kann, wird erfindungsgemäß bevorzugt die durch das einseitige Scherbrett 60 bedingte Unwucht bei der Rotation des Begasungsrührers dadurch ausgeglichen, das der zu einem Rührarmrohr gehörende zweite Rührarm, der kein Scherblatt 60 aufweist, entsprechend länger ausgebildet ist. In diesem Kontext soll "mittig" im Sinne der mittigen Querbohrung des Rührarmrohres nicht die geometrische Mitte bezeichnen, sondern die Mitte bezüglich Drehgeschwindigkeitswiderstandes des Rührarmes in der Schmelze.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verriegelung zeigen Fig. 12 und 13. Auch hier ist auf einer Austrittsseite des Rührarmrohres aus der Bohrung der Rührachse einseitig ein Wulst 41 vorgesehen. Auf der anderen Seite wird bereits im Grünkörperstadium bzw. nach dem Vorsintern der Rohre eine Tasche 50 im Sinne eines Volumenabtrags an keramischer Masse vorge nommen. Nach dem Zusammenstecken der Rohre wird die Tasche 50 mittels eines keramischen Zementes ausgefüllt. Solche keramischen Zemente stehen als hochtemperatur-beständige hydraulische oder sinterfähige Zemente z. B. auf Basis Kalziumaluminat mit einer Hitzebeständigkeit bis 1.600°C zur Verfügung. Aufgrund des unregelmäßigen, vorzugsweise hinterschnittenen Abtrags des Volumens 50 übernimmt der in das Volumen 50 eingeführte hydraulische Zement nach dem Aushärten eine Verriegelungsfunktion, auch wenn eine Bindung an die Keramik nicht stattfindet. Der Formschluß durch dieses Federelement reicht zur Fixierung aus.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Verriegelung nach Fig. 12 und 13 kann auf den Wulst 41 verzichtet werden. Ferner kann vorgesehen sein, mehrere Zementverriegelungen 50 an einem Rührarmrohr vorzusehen.

Bevorzugt können die Rührarmrohre außerhalb der Rührerachse eine oder mehrere Querbohrungen als Gasaustrittsbohrungen aufweisen, gegebenenfalls mit unter schiedlichem Durchmesser zur Kompensation des unterschiedlichen Austritts gasdruckes.

Claims

1. Begasungsrührer für Leichtmetallschmelzen mit folgenden Merkmalen:

a) ein erstes keramisches Rohr (Rührerachse) weist an einem Ende eine oder mehrere in Achsrichtung gegeneinander versetzte Bohrungen quer zur Rohrachse auf;
b) ein oder mehrere zweite keramische Rohre (Rührarmrohre) mit einem zu den Querbohrungen des ersten Rohres passenden Außen durchmesser weisen eine mittig quer zur Achse angeordnete Bohrung auf;
c) durch jede der Querbohrungen des ersten Rohres ist ein zweites Rohr geführt, so daß die mittige Querbohrung des zweiten Rohres mit dem Rohrinneren des ersten Rohres kommuniziert;
d) die zweiten Rohre sind in den Querbohrungen des ersten Rohres durch mechanische Verriegelungselemente gegen axiale Verschie bung fixiert; und
e) der Außendurchmesser zumindest des am äußersten Ende des ersten Rohres vorgesehenen zweiten Rohres ist größer als der Innendurch messer des ersten Rohres.

2. Begasungsrührer nach Anspruch 1, wobei zumindest die mittige Quer bohrung des am äußersten Ende des ersten Rohres vorgesehenen zweiten Rohres als Radiusbohrung ausgebildet ist.