DE1959148A1 - Regelschalter und Verfahren zur Zumessung der Stroemung eines fluessigen Metalls aus einem Behaelter - Google Patents

Description

Patentanwälte"
Dr. Ing. Walter Abitz
Dr. Dieter F. Morf
Dr. Hans-A. Brauns

8München86, Pitnzenauerstr.28

25. November 1969 7521

REPUBLIC.STEEL CORPORATION Cleveland, Ohio» V.St.A.

Regelechalter und Verfahren zur Zumessung der Strömung eines flüssigen Metalls aus einem Behälter

Die Erfindung betrifft die Strömungsregeltechnik und insbesondere einen Regelschalter für die Strömung eines flüssigen Metalls zu einer Vakuumkammer bei einem Aufdampfvorgang.

Es besteht seit langem, ein Problem auf dem Gebiet der LeI-tungstechnik zur Regelung der Strömung von hochkorrodierenden und chemisch aktiven Stoffen. Unter solchen Bedingungen zu verwendende Absperr- und Regelorgane erfordern eine besondere Packung und Abdichtung sowie die Verwendung besonderer Werkstoffe. Solche Absperr- und Regelorgane sind im allgemeinen ziemlich teuer wegen ihrer komplizierten Bauform und wegen der Verwendung besonderer Werkstoffe bei ihrer Herstellung und haben eine vergleichsweise kurze Ge- ' brauchsdauer.

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. Ein besonders schwieriges» Sehalt« und Regelvorgang ist hierbei die Regelung der Strömung eines flüssigen Hetalls^ das als Oberzug bei einem Aufdampfverfahren verwendet werden soll. Bei einem solchen Verfahren wird ein gewählter Schichtträger _% der mit einem Oberzug versehen werden soll, in eine erhitzte Vakuumkammer gebracht und das Metall für den Oberzug wird in flüssiger Form an einem Einlaß eingeleitet. Wenn das flüssige Metall dem Vakuum ausgesetzt wird, verdampft es infolge des verringerten Druckes und der erhöh» ten Temperatur und setzt sich nachfolgend durch Kondensation auf dem Schichtträger ab, auf dem es eine dünne gleichmässige Schicht bildet® Dieses Verfahren wird gewöhnlich z.B. zur Herstellung eines Zinküberzugs auf Stahl verwendet. Der Leitungsschalter, der die Strömung des flüssigen Zinks bei dem Verfahren regelt, muß notwendigerweise der starken Korrosionswirkung des geschmolzenen Metalls Widerstand leisten können und bei den auftretenden hohen Temperaturen betriebsfähig bleiben. Auseerdem muß ein solcher Leitungsschalter hohe Druckunterschiede zwischen de;.¹ ^gebenden Atmosphäre und dem Valcnim .in der Kaumer, in der der Niederschlag stattfindet, abdichten. Wenn der L^ft der Eintritt in die Kammer

"gelingt, hat das Zink die Neigung zu oxydieren und unerwünsch te Niederschläge innerhalb der Kammerumgebung zu bilden.

Im Handel sind gegenwärtig keine geeigneten Leitungsschalter erhältlich, die zur Verwendung mit dem beschriebenen Ver-_t fahren geeignet sisad, da keiner sich als ausreichend vakuumdicht erwiesen hat.

Der erfindungsgemässe Leitungsschalter eignet sich zum wirksamen Zumessen der Strömung flüssiger Metalle, beispielsweise von Zink, zwischen einem Behälter und einer Aufdampfkammer, wobei es auf einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls gehalten wird und trotzdem v&kuvmuidht und lecksicher bleibt, obwohl «s von vergleichsweise ein-

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fächer und billiger Bauweise ist. Ausserdem ist er von ausreichender Dauerhaftigkeit, so daß er vergleichsweise wartungsfrei ist, und widersteht der Korrosion durch das oder der Amalgamierung mit dem durch ihn geleiteten flüssigen Metall.

Der erfindungsgemässe Leitungsschalter ist aus einem feuerfesten Material, wie Graphit, und besitzt einen Körper, einen Tragerrahmen und einen Schaft bzw. ein Bedienungsorgan mit einem Regelhandgriff· Die gesamte Leitungsschalteranordnung ist mit Ausnahme des Handgriffes in das flüssige Metall getaucht, das die Verbindungen gegen das Lecken von Luft in den Bereich unteratmosphäriechen Drucks am Ausströmende des Schalters herstellt· Ferner findet, da bestimmte flüssige Metalle feuerfeste Massen, wie Graphit, bei den erforderlichen Betriebstemperaturen nicht benetzen, kein Lecken von Flüssigkeit durch die verschiedenen Spielräume zwischen den Bauelementen des Leitungsschalters statt·

Xn den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig· 1 eine Aufdampfungsanlage, bei welcher der erfindungsgemasse Leitungsechalter verwendet wird;

Fig« 2 eine schaubildliche Ansicht eines verbesserten Lei- . tungsschalters in seiner Betriebeetellung in einem . Behalter mit flüssigem Metall, wobei Teile des Be-' hälters der übersichtlicheren Darstellung halber weggebrochen sindι

Fig· 3 eine Ansicht des erfindungsgemassen Schalters im Schnitt und

Fig« H in vergrössertem Mafistab eine Ansicht im Schnitt, welche die Mittel zur Zumessung der Strömung des

Metalls zeigt.

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Der erfindungsgamässe Leitungsschalter wird nachfolgend in Verbindung mit einer Anlage zum Aufdampfen einer Zinkschicht auf einen Schichtträger aus Stahl beschrieben, jedoch kann natürlich eine Anzahl ähnlicher Metalle, die in Verbindung mit einem Aufdampfverfahren verwendet werden, gewählt werden«

In Fig, 1 ist eine Aufdampfanlage von der Art dargestellt, bei welcher der erfindungsgemässe Leitungsschalter verwendet werden §oll_e Der Vorrat von Zink 1, das niedergeschlagen werden soll, wird in einem Behälter 2 im flüssigen Zustand gehalten. Der Behälter 2 kann ein grosser offener Behälter, beispieleweise ein im Handel erhältlicher Schmelzkessel oder-Tiegel, der einen Heizdraht 3 als Heizeinrichtung enthält, sein· Das Zink wird auf einer Temperatur zwischen U2O°C (788°F) seinem Schmelzpunkt, und etwa 590 - 65O°C (etwa 1100 - 1200⁰F)₉ bei welcher ei in der Atmosphäre zu oxydieren beginnt,-behalten« Das geschmolzene Zink 1 wird über ein Rohr 4 einer erhitzten Verdampfungs- oder Vakuumkammer 5 zugeführt. Der

—3 — Ifr Druck in dar Kammer 5 wird im Bereich zwischen 10 und 10 mm Quecksilbersäule gehalten. Der Stahlschichtträger, auf den das Zink aufgedampft werden soll, befindet sich in dieser Kammer 5» Das flüssige Zink verdampft beim Eintritt in die Vakuumkammer 5 infolge des verringerten Druckes und der erhöhten Temperatur und wird nachfolgend durch Kondensation auf dem Schichtträger in Form einer dünnen gleichmässigen Schicht auf diesen niedergeschlagen. Die Strömung von Zink zwischen dem Behälter 2·und der Vakuumkammer 5 wird durch' einen Leitungsschalter 6 geregelt, der den Gegenstand der Erfindung bildet.

Der Schalter S ist mit näheren Einzelheiten in Fig· 2 im Behälter 2 angeordnet dargestellt. Der Schalter 8 besitzt einen Körper 7 und einen Schaft bzw· ein Bedienungsorgan 9, die beide durch einen U-förmigen Rahmen 8 gelagert sind· Der Schaft

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erstreckt sich vom Körper 7 aus und trägt an seinem oberen Ende ein Querstück 10. Auf der Oberseite des QuerStücks10 ist ein Handgriff 11 angeordnet, durch den der Schaft zwangsläufig gedreht werden kann. Das eine Ende des Querstücks 10 ist mit einem Pfeil 12 markiert, der mit einem Skalenring 13 zusammenwirkt, welcher auf den oberen Enden der Arme des Rahmens 8 angeordnet ist. Der Skalenring 13 ist so geeicht, daß er eine Anzeige der Menge von flüssigem Zink gibt, welche durch den Schalter 6 bei einem gegebenen Betrag der Schaftdrehung zugemessen worden ist.

Der Schalterauslaß dient zur Aufnahme eines Zufuhrrohres H, welches das Zink zur Kammer 5 leitet. Das Rohr H, das aus mit Chromcarbid behandeltem Stahl hergestellt ist, so daß es der Wirkung des Zinks Widerstand leisten kann, erstreckt sich durch die Oberfläche des Zinks 1 nach oben und über den Rand des Behälters 2 zur Verbindung mit der Vakuumkammer 5. Die Abdichtung der EintrittsÖffnung 5a in die Vakuumkammer 5 wird dadurch erzielt, daß das Zufuhrrohr H in die Wand der Kammer 5 eingeschweißt wird, oder durch andere geeignete Vakuumverbindungen«

Der Körper 7, der Schaft 9 und der Rahmen 8 sind alle aus einem feuerfesten Material, vorzugsweise Graphit, hergestellt. Es wurde festgestellt, daß unter den Betriebsbedingungen des Aufdampfverfahrens der Graphit nicht durch das flüssige Zink benetzt wird. Infolge dieses Umstandes kann der Schalter in dem flüssigen Zink untergetaucht sein, ohne daß die Gefahr der Korrosion oder einer anderen Beschädigung bei Betriebstemperaturen von «*20°C C788°F) und höher besteht und ohne daß Zink zwischen den Spielräumen zwischen den zusammenwirkenden Teilen eintritt. Da der Schalter in dem flüssigen Zink untergetaucht ist, wirkt das Zink als Abdichtung gegen die Luft und als Selbstabdichtung gegen Lecken innerhalb des Schalters, so daß es ale .dichtendes

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Bauelement dient. Ei-.u. " Ii* e Abdichtung ist nicht erforder1 'IqIl₉ so ds ε «^r.«* '-Ca' "-ing lsi» Schalterteile einfach und unkompliziert ^ef*' *c- η ' \ή "keimen liss-aivi^re^. Aufwand oder bjssoniar· ."-seriali*- -ade*» «5.?;·. '"5,e&:.-s£?f erfordert %

Baker kann, ■?>„ ί:"λ, „ » #n ^riV«, f^heit&rs ;*,ί: jig« S wn dargestellt$ Iss,» KIjr ^ ^ H"> ** ι: eines Bisckes siit eines⁵ Bohrung I¹*· 'J,?"""/ "se 'C "*£'!.*··£ h,:?*⁵- . Sas Sufuhrrohr 4 hat Praßsits Ij, ^r C^er. £, -ijfrte" L-tü«.- I¹Ia der¹ E'-:ar-^TaEg I^s*, wi@-

iäu*'^:3fe die "LXSigIehniaiLg de® Rcnres ^ erhalt®^.-;. wenR dieses der Temps^atsu⁵¹ d®s flüssigen Sinks I ausgesetzt wird.

Im Körper Ί ist eine wi^itere Bohrung 15 vorgesehen, die ZUT Mittelbohrung 1% senkrecht ist und aua? Aufnahme des zylindrischen Schaftes, oder Bedienungsorgaiis 2 ^isnt, das sieh durch die Mittel&ehrung 1% erstreckt_g wie sieh am bestem aus Fig. 3 srgibts Ein ati.fsscter^tsii-sr Teil 16 im unteren Teil dssr E^li-uag ' " * isiir Aufnahme ©Ines ringfCr-siigSiK FlaRseae·::· :V" an l... ^λ £nde aes Schaftes 9, nn eine Längsbewegung ^es le^/'jer.n T.it pesiig auf den Körper 7 zu verhindern _f jedoch e.¹"* Drehbewegung in diesem zu ermöglichen ο Der P.ahmsn S trägt den Schaft 3 innerhalb des Körpers Ί» Ber Sehaft ist axt einer öffnung 18 versehen» die sieh qusr duvch Ihn hindurch erstreckt und mit der Mittelbohrung I¹' ■>- ""'rj-.i? 7 zusanynenwirkt, um dia Zink-¹ strömung aus rl , Einlaß 1^h zum Rohr U zuzumessen» wie nachfolgend bs3<3iii?ie*©eE nirsi, Es wurde festgestellt, daß, wenn die Leitungssuhalter-Toleranzen innerhalb im wesentlichen annehnsbareE Srensen, beispielsweise bei 0,10 mm (O₉OOH ⁿ) oder weniger liegen₉ im Laitungsschaltsr k«im Lee^ic auftritt.

Der Körper ΐ wird au Rahmen S durch aw#i Scfemöss IS₅ |@

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eine auf jeder Seite der Mittelbohrung If, gehalten. Die Unterseite des Rahmens ist bei 20 mit geeigneten Bohrungen zur Aufnahme der Befestigungsschrauben 19 versehen, in welche Bohrungen Verschlußstopfen 21 eingesetzt sind, um zu verhindern, daß flassiges Zink unmittelbar auf das Material der Schrauben wirkt. Diese Verschlußstopfen 21 wirken aussenden als Fußstücke für den Rahmen 8 und halten den letzteren im Abstand vom Boden des Behälters 2. Die oberen Arme des Rahmens 8 sind mit Bohrungen zur Aufnahme von Schrauben 22 versehen, welche den Skalenring 13 auf diesen halten, und das obere Ende des Schaftes 9 ist mit einer Bohrung zur Aufnahme einer Schraube versehen, welche den Handgriff 10 an diesem befestigt*.

Der Zumeßvorgahg des erfindungsgemässen Leitungsschalters ist wie folgt. Der Körper 7 ist voll in das flüssige Zink 1 eingetaucht, so daß die Spielräume an den Eintritts- und Auetrittsöffnungen der Mittelbohrung 14 und der Bedienungsorganbohrung IS sich alle im Zinkbad 1 befinden. Das Zufuhrrohr 1 wird in die Austrittsöffnung IHa eingeführt, bevor der Leitungsschalter 6 in das Zink eingesetzt wird. Der Schaft 9 wird mit der Achse seiner Querbohrung 18 senkrecht zur Achse der Mittelbohrung eingestellt, um dadurch die Strömung durch den Körper 7 zu sperren oder abzuschalten.

Wenn Zink dem Verdampfer 5 zugeführt werden soll, wird der Schaft 9 durch den Handgriff 11 gedreht, wodurch die Öffnung 18 in Oberdeckung mit der Bohrung 14 gebracht wird. Die Zinkmenge, die in das Rohr *» eintreten kann, hängt von dem Betrag der Drehung des Schaftes 9 ab. Der Schaft 9 ist in jeder Richtung zur Erhöhung oder Verringerung des Oberdeckungs« gradeβ zwischen der Bohrung IH und der Schaftöffnung 18 frei drehbar, um dadurch die Strömungsmenge zumessen zu können. Die den Leitungsechalter bedienende Person erhält eine Anzeige der durch ihn hindurchtretenden Strömungsmenge für eine

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gegebene Strömungsmenge durch Beobachtung des Punktes auf dem Skalenring 13, der mit der Markierung 12 auf dem Querstück 10 zusammenfällt. Strömungsgeschwindigkeiten in einem Bereich von U₉S bis 3 U kg (10 - 7$ lbs) je Minute wurden mit einer solchen Vorrichtung erzielt» jedoch kann fast jede Strömungsgeschwindigkeit je nach den Abmessungen des Leitungsschalters erreicht werden.

Wie ersichtlich, ist die Anlage gegen das Eindringen von Luft in den Leitungsschalter 6 und in das Zufuhrrohr U durch das Zink selbst abgedichtet, durch welches alle Spielräume innerhalb des Leitungsschalters abgedichtet werden. Das entgegengesetzte Ende des Zufuhrrohres U ist durch Verschweissen mit der Kammerwand abgedichtet, so daß Luft an dieser Stelle nicht in den Verdampfer eintreten kann und damit eine unerwünschte Oxydation und unerwünschte Niederschläge innerhalb der Aufdampfanlage durch Luftundichtigkeit vermieden werden. DA der Körper 7, der Schaft 9 und der Rahmen 8 alle ausGraphit hergestellt sind, wie bereits erwähnt, sind die Offnungen in den erwähnten Teilen sowie alle Spielräume zwischen diesen Graphit-Graphit-Kontaktflächen. Bei dieser besonderen Anlage wird das Zink auf einer Temperatur von etwa USO⁰C Cetwa 850⁰F) gehalten, jedoch wurde festgestellt, daß bei allen in diesem Verfahren angewendeten Arbeitstemperaturen der Graphit nicht durch das Zink benetzt wird. Das Zink wirkt daher für sich selbst als Abdichtung für die verschiedenen Spielräume zwischen den Teilen und verhindert daher ebenfalls ein Lecken von Flüssigkeit«

Erfindungsgemäß ist auch die Verwendung anderer Materialien für den Bau des Leitungsschalters vorgesehen, beispielsweise von Siliciumcarbid» Zirkon, Aluminiumoxyd, Stellit Nr* 6, Molybdän-30 % Wolfram-Legierung und andere, jedoch ist Graphit besonders geeignet, da es kein teueres Giessen erfordert und leicht bearbeitet werden kann. Graphit hält einer grossen

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Vielfalt von flüssigen Metallen, Säuren und anderen korrodierend wirkenden Flüssigkeiten stand und kann Temperaturen vertragen, die über den Verdampfungstemperaturen eines Metalls liegen, das für die Zumessung durch den beschriebenen Schalter in Frage kommt.

Durch die Erfindung wurde daher ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Einrichtung geschaffen, die durch einen Leitungeschälter von einfacher und billiger Bauart gebildet wird, der selektiv die Strömung eines flüssigen Metalls zu einer Vakuum-Aufdampfkammer zumißt und der sich selbst und die Kammer in vorteilhafter Weise abdichtet, ohne daß komplizierte Bauformen oder besondere Werkstoffe erforderlich sind·

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Claims (1)

1. 25. November

   Patentana prflc h « ι

   Regel» bzw« Lsitungssch&lter zur Zumessung der Strömung eines flüssigen Metalls aws einem Behälter, geJcennzeicfo net durch

   a) einen Vorrat Cl) aus flüssigem Metall im Bshältes¹

   b) einen Körper C?) aas feuerfestem Material, der im Behälter unterhalb des Spiegelt des flüssigen Metalle angeordnet ist und einen Kanal Ci¹O star Aufnahme der Strömung des Metalls zwischen einem Einlaß und eineai Auslaß ClIIv₊ IHa)} und

   s) ein Bed£.'a3inagEO^gaii CS) aus ffeuerfestes Material in dom ars-Jähnten Kanal Cl¹O sur Regelung der SteSMmg d©c Metalls zum Auslaß (IHa) _e wobei weder der· Körper CI) noch daa Bedienungsorgan (9> aue feuerfestem Material durch das flüssig® Metall benetzbar sind.

   2β Schalter nach Anspruch I₈ gekc'^aeichnet durch Mittel C3)y die dazu dienen, die Temperatur des Metalls innerhalb eines Bereiches zu halten» in welchem das Metall das feuerfeste Material nicht benetzt·

   3« Schalter n&oh Anspruch 1 oder 2_t dadurch gekennzeichnet _s daß das feuerfeste Material Graphit ist»

   h_t Schalter nach den Anepruoh«n 1 » 3» g#k«ün»@icteflit durch Mitt#l M_t di« mit "dlw «rwllittt«p. AusleA CIt*) sttp W«iter

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   leitung des Metalls aus diesem in Verbindung stehen, welche Mittel aus mit Chromcarbid behandeltem Stahl hergestellt sindt

   6· Schalter nach den Ansprüchen 1-1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bedienungsorgan (9) durch einen Schaft mit einer öffnung (18) gebildet wird, welcher Schaft (9) in

   V dem erwähnten Kanal CIt) zur Zumessung der Strömung des erwähnten Metalls im Verhältnis zum Oberdeckungsgrad der erwähnten Öffnung C18) und des Kanals (1Ό beweglich ist.

   6· Schalter nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das erwähnte Metall Zink ist.

   7· Schalter nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (3), durch welche die Temperatur des Zinks annähernd innerhalb des Bereiches von 420⁰C bis 65O°C Cvon 788°F bis 1200⁰F) gehalten werden kann, so daß das Zink den Graphit nicht benetzt und die Spielräume zwischen dem Körper (7) und dem Bedienungsorgan (9) , abdichtet.

   8· Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spielräume zwischen dem Bedienungsorgan C9) und dem Körper O) bis zu 0,10 mm (0,0OH ") betragen.

   9. Schalter nach den Ansprüchen 1*8, dadurch gekennzeichnet,

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   daß der Körper (?) einen ersten Kanal (IM·) zur Aufnatime der Strömung dee Metalls zwischen einem Einlaß (I¹Jb) und einem Auslaß Cl4a) aufweist, sowie einen zweiten Kanal ClS), der den ersten Kanal zwischen dem Einlaß und dem AusIaB schneidet, und das Bedienungsorgan (9) in dem zweiten Kanal (15) zur Regelung der Strömung des Metalls zum Auslaß (14a) angeordnet ist·

   10· Seitalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bedienungsorgan (9) die Form ein«ss zylindrischen Schaftes hat, der eine öffnung (18) aufweist, welcher Schaft im zweiten Kanal (15) beweglich ist, um die Strömung des Zinks zum Auslaß (14a) ist Verhältnis zum.Überdeckimgsgrad zwischen der öffnung (18) und dem ersten Kanal (It) zuzumessen·

   11· Verfahren zum Zumessen und Abdichtung der Strömung einer Flüssigkeit aus einem Behälter zu einer Umgebung von unteratmosphärischem Druck, dadurch gekennzeichnet daß

   a) ein Schalter aus einem Material verwendet wird, das durch die zuzumessende Flüssigkeit innerhalb des Gebrauchstemperaturbereichee nicht benetzt wird, und

   b) der Schalter so in den Behälter getaucht wird, daß sich alle Spielräume unterhalb des Flüssigkeitsspiegels befinden·

   12· Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Material Graphit ist.

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