DE19756687C1

DE19756687C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden von nichtmetallischen Einschlüssen aus flüssigen Metallen

Info

Publication number: DE19756687C1
Application number: DE19756687A
Authority: DE
Inventors: Ingo Dr Ing Riehl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 1999-06-10
Anticipated expiration: 2017-12-20
Also published as: AU2509899A; WO1999032674A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Abscheidung fester Teilchen aus Fluiden, speziell auf die Abscheidung nichtmetallischer Einschlüsse aus schmelzflüssigen Metallen.

Zur Entfernung nichtmetallischer Einschlüsse aus schmelz flüssigen Metallen (Erhöhung des Reinheitsgrades der Metalle) werden in der Industrie im Wesentlichen drei Verfahren eingesetzt.

Das erste Verfahren basiert auf dem Einsatz keramischer Filter. Bei diesem Verfahren wird die gesamte Menge des schmelz flüssigen Metalls durch einen keramischen Filter geführt. Dabei scheiden sich die nichtmetallischen Verunreinigungen an den inneren Filterflächen ab.

Die keramischen Filter erlauben zwar sehr hohe Abscheidegrade, haben aber eine Vielzahl von Nachteilen, die einem Einsatz beim Vergießen großer Mengen, z. B. beim Stranggießen, entgegenstehen.

Die Hauptnachteile dieses Verfahrens sind:

- der hohe Strömungswiderstand der Filter; bei einer endlichen Triebkraft für die Strömung (ferrostatische Druckdifferenz) hat der hohe Strömungswiderstand eine starke Begrenzung der durchsetzbaren Mengen schmelzflüssigen Metalls zur Folge.
- das Zusetzen der Filter; aufgrund ihrer geringen Aufnahmekapazität setzten sich die keramischen Filter sehr bald zu. Dies führt zu einem starken Anstieg des Strömungswiderstandes des Filters und damit zu einer starken Abnahme der realisierbaren Gießmengen.
- die ungenügende thermische und mechanische Beständigkeit bei Langzeitbeanspruchung der Filter; beim Stranggießen führt die Langzeitbeanspruchung des Filters bei hohen Temperaturen zum Bruch oder zum Erweichen des keramischen Materials.

Damit ist ein Einsatz von keramischen Filtern z. B. beim Stranggießen nur bedingt möglich.

Beschrieben wird ein Keramikfilter für Metallschmelzen in DE 43 18 309 A1. Es handelt sich hierbei um einen Keramikfilter mit integriertem, stückigem Behandlungsmittel. Der Siebkern aus feuerfestem keramischen Material besitzt wabenförmig angeordnete Lochungen bzw. eine offenporig schaumige Struktur. Er weist einseitig mindestens eine Vertiefung zur Aufnahme des stückigen Behandlungsmittels auf, das als Impf-, Entschwefelungs-, Nodulierungs- oder Legierungsmittel fungiert und in die Vertiefung eingepaßt oder eingeklebt ist.

Von L. Bechny, S. Vrabel, H. Hofmann: Einfluß auf die Qualität von Gußeisen durch Schmelzfiltration, Gießerei-Erfahrungsaustausch 11/97 wird u. a. ein Abriß über die verschiedenen bekannten Typen von keramischen Filtern und Siebkernen gegeben. Danach werden die bekannten keramischen Filter, abhängig von der Produktionsweise in 3 Gruppen eingeteilt, nämlich gepreßte Filter mit zylindrischen runden Öffnungen, extrudierte Filter mit zylindrischen, quadratischen Öffnungen und Filter mit retikularer, schaumiger Struktur.

Das zweite Verfahren ist die Schwerkraftabscheidung.

Dieses Verfahren nutzt den Dichteunterschied zwischen flüssigem Metall (z. B. Stahl) und nichtmetallischer Verunreinigung. Im Schwerkraftfeld wirkt auf die Einschlüsse eine resultierende Kraft, die sich aus der Differenz von Schwerkraft und Auftrieb ergibt. Dadurch werden die spezifisch leichteren nichtmetallischen Verunreinigungen an die Oberfläche des flüssigen Metalls transportiert und dort in der Abdeckschlacke abgeschieden. Da die Verunreinigungen auf ihrem Weg durch die Schmelze einen Widerstand erfahren, findet der Transport an die Oberfläche der Schmelze in Abhängigkeit von der Teilchengröße nur sehr langsam statt. Das Verfahren wird im Stranggußverteiler (Tundish) realisiert und kann durch geeignete Strömungsführungen im Verteiler beeinflußt werden (EP 0376523A1).

Die Hauptnachteile dieses Verfahrens sind einmal die schlechte Abscheidung kleiner Teilchen und clusterförmiger Teilchenge bilde.

Wegen ungünstiger Kräfteverhältnisse (Widerstand-Schwerkraft- Auftrieb) können sehr kleine Teilchen und clusterförmige Teilchengebilde nur bei sehr großen (technologisch unakzeptablen) Verweilzeiten der Schmelze im Verteiler abgeschieden werden.

Zum anderen sind große Abmessungen der Verteiler erforderlich. Zur Realisierung hinreichend großer Verweilzeiten der Schmelze wären große Abmessungen der Verteiler erforderlich.

Damit ist der Einsatz von Schwerkraftabscheidung im Stranggußverteiler hinsichtlich des Reinheitsgrades kaum beeinflußbar. Insbesondere besteht die Gefahr des Verbleibs von größeren clusterförmigen Einschlüssen, welche die Qualität des Stahles erheblich mindern.

Das dritte Verfahren, die Umlenkabscheidung, basiert auf einer konstruktiven Gestaltung des Abscheiders, welcher die Strömung des flüssigen Metalls mehrfach wechselseitig umlenkt. Im Gegensatz zu Filterabscheidern treten hier wegen geringer Druckverluste keine Probleme auf, die eine Begrenzung der Durchflußmenge bewirken würden.

Die Anordnung eines derartigen Umlenksystems kann an beliebiger Stelle des technologischen Prozesses schmelzflüssiger Metalle erfolgen, z. B. im Verteiler, im Eingußbereich des Verteilers als auch im Ausgußbereich des Verteilers.

Mittels dieses Verfahrens soll es möglich sein, die vorher beschriebenen Nachteile zu vermeiden und beim Strangguß übliche Gießmengen mit guten Wirkungsgraden abzuscheiden. Die Entfernung der Teilchen aus der Schmelze erfolgt dabei nach zwei Wirkprinzipien:

Das erste Wirkprinzip nutzt die Tatsache, daß die nicht metallischen Teilchen in der turbulenten Strömung der Schmelze zufälligen Querbewegungen unterliegen und so in Kontakt mit der Filterwand kommen können. Die für diesen Effekt benötigte Turbulenz der Schmelze wird in der Erfindung mit einer i. a. mehrfachen Umlenkung der Schmelze <90 Grad durch die Filterwände erzeugt. Die Filterflächen sind dabei abwechselnd senkrecht oder abgewinkelt zur Strömungsrichtung angeordnet.

Das zweite Wirkprinzip beruht auf der schlechten Benetzbarkeit zwischen schmelzflüssigen Metallen und Keramiken wie Al₂O₃ oder ZrO₂ u. a. Die sich im System Filterwand-Metallschmelze nichtmetallischer Einschluß einstellenden Benetzungswinkel sind <90 Grad. Die hohen Grenzflächenspannungen begünstigen die Abscheidung der nichtmetallischen Einschlüsse aus der Schmelze zur Filterwand, wo sie nach dem Kontakt mit dieser versintern. Das Verfahren ist im Patent EP 0376 523 A1 beschrieben.

Die Hauptnachteile dieses Verfahrens sind:

- Aufhebung von Trägheitswirkungen durch wechselnde Strömungsrichtung; die bei einer Umlenkung auftretende Trägheitswirkung der Schmelze und der suspendierten Teilchen (Einschlüsse) kann wegen der permanent wechselnden Strömungsrichtung nur gering wirken. Dies gilt insbesondere bei Berücksichtigung des die Bewegung der Teilchen hemmenden Widerstandes.
- begrenzte Turbulenzerzeugung; die die Abscheidung begünstigende Turbulenz der Schmelze läßt sich nicht unbegrenzt steigern.
- geringe Abscheidegrade; die erzielten Abscheidegrade solcher "Umlenkabscheider" sind gering. Nach bisherigen Untersuchungen liegen sie in der Größenordnung von 50%.
- Erosion der keramischen Leitflächen; hohe Strömungs geschwindigkeiten und senkrechte Anströmung von Leitflächen können zu einer beschleunigten Erosion dieser führen und so neue nichtmetallische Teilchen erzeugen.

Damit kann mit derartigen Umlenkabscheidern keine hocheffektive Abscheidung erfolgen.

Insgesamt existiert derzeit kein System oder Verfahren, mit dem eine Abscheidung von Einschlüssen aus Metallschmelzen mit hoher Effizienz und hohem Reinheitsgrad des Metalls realisiert werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, nichtmetallische Einschlüsse aus Metall- und Stahlschmelzen zuverlässig und kontinuierlich abzuscheiden.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß nach Anspruch 1 vorgeschlagen, daß die gesamte Metallschmelze oder ein Teil dieser in einem spiralförmigen Kanal aus geeignetem feuerfesten Material und von beliebigem Querschnitt geführt wird und sich die nichtmetallischen Teilchen an den Innenwänden des Kanals abscheiden. Für die Abscheidung ist folgender Vorgang maßgebend:

Durch die Bewegung der Schmelze auf einer Kreisbahn baut sich im spiral- oder kreisförmigen Kanal durch die auf die Schmelze einwirkenden Trägheitskräfte ein Druckfeld auf, bei dem der Druck in der Schmelze radial nach außen zunimmt. Der Transport der in der Schmelze suspendierten Teilchen erfolgt nun unter dem Einfluß der Trägheit der Teilchen und unter dem Einfluß dieses Druckfeldes. Für Teilchen, welche gegenüber dem Fluid (der Schmelze) eine geringere Dichte (z. B. Al₂O₃) besitzen, entsteht so eine resultierende Kraft auf die Teilchen, die radial nach innen wirkt. Unter dem Einfluß dieser Kraft werden die Teilchen im Spiralkanal an die innere Wand transportiert. Dort werden sie wegen des Benetzungsverhaltens zwischen Keramikwand, nichtmetallischen Teilchen und Schmelze (Grenzflächenspannung) abgeschieden und versintern mit der Wand.

Der Spiralabscheider kann in die verschiedensten metallurgische Gefäße integriert werden. Dabei kann er an all jenen Stellen des technologischen Prozesses eingesetzt werden, an denen das Metall in schmelzflüssigem Zustand vorliegt. So ist sein Einsatz z. B. im Eingußbereich des Verteilers, im Verteiler selbst und auch im Ausgußbereich des Verteilers möglich. Insbesondere kann eine beliebige Kombination derartiger Anordnungen zur Erhöhung des Abscheideeffektes angewendet werden.

Eine spezielle konservative Lösung der Ausflußsteuerung ist die Beibehaltung des herkömmlichen Tauchrohres im Zentrum des Ausgußsystems. An der Außenseite des Tauchrohres befinden sich die Windungen des Spiralabscheiders. Durch einen speziell gestalteten Stopfen mit Mittelzapfen kann der Ausguß sowohl über den außen befindlichen Spiralabscheider als auch über das innen befindliche Tauchrohr erfolgen. Diese Konstruktion bietet ein hohes Maß an Sicherheit bei einer möglichen Zusetzung des Spiralabscheiders.

Sie ermöglicht zugleich eine Beibehaltung der Gießmenge bei abnehmendem Flüssigkeitsspiegel im Verteiler.

Weitere Lösungsvarianten sind aus beliebigen radialen Kombinationen von Spiralkanälen und geraden Kanälen (konventionelle Tauchrohre) ableitbar. So kann z. B. um ein zentrales Tauchrohr ein Spiralabscheider angeordnet werden, dem auf der radialen Außenseite nochmals ein gerader Ringkanal folgt. Zur Umschaltung zwischen den einzelnen Kanälen und zur Durchflußmengenregelung können spezielle Stopfenkonstruktionen eingesetzt werden, die entweder nach dem Hubprinzip oder nach dem Drehprinzip oder nach einer Kombination beider Prinzipien arbeiten.

Die Vorteile des neuen Spiralabscheiders sind:

- permanente radiale Kraftwirkung auf die Teilchen; durch die im überwiegenden Teil des Spiralabscheiders beibehaltene Krümmungsrichtung des Kanals existiert eine stets gleichgerichtete Kraftwirkung auf die Teilchen, die wiederum einen permanenten Transport der Teilchen zur Wand zur Folge haben.
- geringer Turbulenzeinfluß; die im Spiralkanal auftretende Turbulenz der Schmelze ist für den Transport der Teilchen zur Wand nicht existentiell erforderlich. Ihr Einfluß auf den Teilchentransport ist gering gegen die o. g. aus der Trägheit von Fluid und Teilchen resultierende Kraftwirkung.
- hohe Abscheidegrade; die erzielten Abscheidegrade der neuen Spiralabscheider sind sehr hoch. Sie hängen wesentlich von der Länge des Spiralkanals und seiner gesamten geometrischen Auslegung sowie von der Ausflußgeschwindigkeit ab. Nach bisherigen Untersuchungen liegen sie weit oberhalb von 50% und damit deutlich über den Abscheidegraden anderer Techniken (Schwerkraftabscheidung, Umlenkabscheidung).
- geringe oder keine Erosion der keramischen Leitflächen; da im Spiralabscheider keine Staupunktströmungen (senkrechte Anströmung von Leitflächen) auftreten, ist nur mit einer geringen Erosion des Kanals zu rechnen.
- kein lokales Zusetzen des Spiralabscheiders; die Bewegung von Fluid und Teilchen auf einer gleichförmigen Spiralbahn und die leicht streuende Wirkung der Turbulenz der Strömung führen zu einer gleichmäßigen Ablagerung von Teilchen entlang der gesamten Spiralbahn des Spiralabscheiders. Insbesondere tritt keine lokal vermehrte Abscheidung auf, die ein Zusetzen des Abscheiders bewirkt.
- einfache Integration in bestehende Anlagen; setzt man den Spiralabscheider entsprechend dem Ausführungsbeispiel im Ausguß eines Verteilers ein, so ist einzig ein modifiziertes Ausgußsystem erforderlich, welches den Spiralabscheider und einen geeigneten Stopfen zur Mengensteuerung enthält. Die Hauptabmessungen des Verteilers und des Ausgußsystems sowie aller vor- und nachgeschalteten technologischen Anlagen können beibehalten werden.
- kein Priming zu Gießbeginn; wegen der hinreichend großen Querschnitte des Spiralabscheiders ist der auftretende Druckabfall gering (insbesondere im Vergleich zu Schaumfiltern). Ein Zusetzen des Spiralabscheiders zu Gießbeginn mit teilweiser Erstarrung des Metalls (sogenanntes Priming) erfolgt nicht.
- hohe mechanische Festigkeit; die konstruktive Gestaltung des Spiralabscheiders mit innerem Tauchrohr und äußerem Spiralkanal führt zu einer sehr hohen mechanischen Stabilität. Ein bei Schaumfiltern oft beobachteter Filterbruch ist sehr unwahrscheinlich.
- hohe Sicherheit im Havariefall; eine sehr hohe Sicherheit gegen Betriebsstörungen (z. B. Erstarren der Schmelze im Spiralkanal) kann durch Kombination von klassischem Rohrausguß und Spiralabscheider erreicht werden. Dabei befindet sich im Kern des Spiralabscheiders ein Ausgußrohr klassischer Bauart. Auf dem äußeren Radius des Ausgußrohres können nun ein oder mehrere Spiralkanäle aufgebracht werden (radial geschachtelt oder mehrere Windungen oder beides). Mit einem geeignet geformten Verschlußmechanismus (Stopfen) kann entweder das konventionelle Ausgußrohr oder der Spiralabscheider oder beide durchströmt werden.
- beliebige Gießmengen einstellbar; durch eine Parallel schaltung von zwei oder mehreren Spiralabscheidern kann der Nachteil des gegenüber dem einfachen Tauchrohr höheren Druckverlustes (geringere Gießmengen) leicht kompensiert werden.
- Erhöhung der Abscheidewirkung durch radiale Schachtelung mehrerer Spiralkanäle; durch Verlängerung des Spiralkanals kann auf einfache Weise eine Erhöhung der Abscheidewirkung erreicht werden. Bei mangelnder Baufreiheit kann die einfache Verlängerung des Spiralkanals auch durch eine radiale Schachtelung mehrerer Spiralkanäle erreicht werden, die z. B. abwechselnd von oben nach unten und von unten nach oben durchflossen werden.
- Einsatz an mehreren Stellen des technologischen Prozesses möglich; das System Spiralabscheider kann an allen Stellen des metallurgischen Prozesses eingesetzt werden, an denen das Metall in flüssiger Form vorliegt. Spezielle Einsatzorte sind z. B. der Pfannen-Ausguß, der Verteiler-Einguß, innerhalb des Verteilers, der Verteiler-Ausguß. Es ist eine beliebige Kombination dieser Einsatzorte möglich.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Patentansprüche verwiesen.

Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. In der zugehörigen Zeichnung zeigen in L schematischen Darstellungen:

Fig. 1: typische Benetzungswinkel im System flüssiges Metall nichtmetallischer Einschluß,

Fig. 2: Bewegung von gegenüber dem Fluid spezifisch leichteren Einschlüssen im Spiralabscheider,

Fig. 3: Spiralabscheider mit rundem Spiralkanal,

Fig. 4: Spiralabscheider mit rechteckigem Spiralkanal,

Fig. 5: Spiralabscheider mit rechteckigem Spiralkanal und Tauchrohr,

Fig. 6: Spiralabscheider mit rundem Spiralkanal und Tauchrohr,

Fig. 7: Spiralabscheider mit rechteckigem Spiralkanal und Tauchrohr,

Fig. 8. Ausflußsteuerung,

Fig. 1 veranschaulicht das Benetzungsverhalten zwischen Keramikwand 4 (als Wandung des Spiralkanals 5), nichtmetallischen Teilchen 2 und Metallschmelze 1. Die typischen Benetzungswinkel W sind größer als 90°. Die nichtmetallischen Einschlüsse 2 versintern mit der Wand 4 des Spiralkanals.

In Fig. 2 ist das prinzipielle Wirkprinzip des Spiralabscheiders dargestellt.

Die gegenüber der Metallschmelze 1 spezifisch leichteren Einschlüsse 2 (z. B. Al₂O₃) bewegen sich auf einer Kreis- bzw. Spiralbahn 3 zwischen den Wänden 4 des Spiralabscheiders.

Als spezielles Ausführungsbeispiel wird der Spiralabscheider im Verteiler-Ausguß beschrieben. Hier kann er den traditionellen Ausguß durch ein einfaches Rohr ersetzen oder mit diesem kombiniert werden. In diesem Fall verschmelzen Ausgußsystem und Abscheidesystem zu einem einzigen System - dem Ausguß- Spiralabscheider.

Bei der technischen Ausführung ist eine Version des Spiralabscheiders vorteilhaft, die im Zentrum ein einfaches Tauchrohr 6 enthält. Auf dem Außenradius des Tauchrohres 6 befindet sich dann der sogenannte Spiralkanal 5; s. Fig. 6 und Fig. 7.

Durch diese Konstruktion können in Verbindung mit einem geeignet geformten Verschlußmechanismus (Stopfen 7 mit Mittelzapfen 7.1) entweder das konventionelle Tauchrohr 6 oder der Spiralabscheider oder beide durchströmt werden, s. Fig. 8. Die Darstellung in Fig. 8a, b, c bedeuten 8a: kein Ausfluß; 8b: Ausfluß durch Spiralabscheider; 8c: Ausfluß durch Spiralabscheider und Tauchrohr. Damit ist eine sehr hohe Sicherheit gegenüber Störfällen gegeben. Ferner kann der zeitweilige Ausguß durch das Tauchrohr 6 zum Aufheizen des Spiralkanals 5 genutzt werden. Schließlich kann bei abnehmendem Badspiegel im Verteiler durch beide Querschnitte (Tauchrohr 6 und Spiralkanal 5) ausgeströmt werden, wodurch eine Erhöhung der Gießmenge (Stahlmassestrom) erreicht wird. Am Ende des Spiralkanals 5 kann mit geringem konstruktiven Aufwand ein Ausströmen in beliebiger Richtung (axial, radial, tangential, ...) erreicht werden.

In Fig. 3 sowie Fig. 4 und 5 sind weitere Ausführungsbeispiele des Spiralabscheiders im Verteilerausguß dargestellt.

Für den Spiralabscheider können die folgenden Abmessungen vorgesehen werden: der Windungsdurchmesser des Spiralkanals 5 kann 20... 70 mm und die Länge des Tauchrohres 6 mit aufgebrachtem Spiralkanal 500... 1000 mm betragen; die Werte für den Durchmesser des Tauchrohres 6 liegen bei 30... 100 mm.

Bezugszeichenliste

1

Metallschmelze, Fluid

2

nichtmetallische Einschlüsse

3

Kreis- bzw. Spiralbahn

4

Wände des Spiralkanals

5

Spiralkanal

6

Tauchrohr

7

Stopfen

7.1

Mittelzapfen

Claims

1. Verfahren zum Führen der Metallschmelze durch oder an einem Abscheider, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abscheiden von nichtmetallischen Einschlüssen aus flüssigen Metallen die Metallschmelze (1) mit den suspendierten nichtmetallischen Einschlüssen (2) auf einer permanenten Kreis- bzw. Spiralbahn (3) geführt wird und sich die Einschlüsse (2) an den Wänden (4) des Spiralkanals (5) abscheiden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte flüssige Metall (1) oder Teile des flüssigen Metalls zwangsweise durch einen aus einer oder mehreren Windungen bestehenden ein- oder mehrgängigen Spiralkanal (5) strömt.

3. Vorrichtung zum Abscheiden von nichtmetallischen Einschlüssen aus flüssigen Metallen, arbeitend nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal des Abscheiders die Form einer ein- oder mehrgängigen Spirale (5) besitzt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Abscheider keramisches Material mit einem Benetzungswinkel W < 90 Grad gegenüber dem Metall vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiralabscheider eine oder mehrere Einlaß- und Auslaßöffnungen aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie als keramischer Spiralabscheider an mindestens einer Stelle des technologischen Prozesses angeordnet ist, an der das Metall in schmelzflüssiger Form vorliegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiralabscheider im Pfannen- Ausguß angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiralabscheider im Verteiler- Einguß angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiralabscheider im Verteiler angeordnet ist.

10 Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiralabscheider im Verteiler- Ausguß angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung des Abscheideeffekts Spiralabscheider in beliebiger Kombination an mehreren Stellen des technologischen Prozesses einsetzbar sind.

12. Vorichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausflußsteuerung auf die Außenseite des im Zentrum des Ausgußsystems vorhandenen herkömmlichen Tauchrohres (6) der Spiralkanal (5) aufgebracht ist, wobei zum Verschließen von Spiralkanal (5) und/oder Tauchrohr (6) ein Stopfen (7) mit Mittelzapfen (7.1) vorgesehen ist.